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Università di Salerno Corso di

FONDAMENTI DI INFORMATICA

Docente : Ing. Secondulfo GiovanniAnno Accademico 2010-2011

Lezione 7: La rappresentazione dell informazione Multimediale

Immagini, Suoni e VideoLunedì 15 Novembre 2010

Fondamenti di Informatica - Ing. Giovanni Secondulfo

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Quando unQuando un informazione deve essere rappresentata da informazione deve essere rappresentata da una grandezza fisica, ci sono due modi di procedere:una grandezza fisica, ci sono due modi di procedere:

RAPPRESENTAZI ONE ANALOGI CALL informazione informazione èè rappresentata da una grandezza rappresentata da una grandezza continua nel tempo il cui valore continua nel tempo il cui valore èè proporzionale al valore proporzionale al valore delldell informazioneinformazione

RAPPRESENTAZI ONE DI GI TALELL informazione informazione èè rappresentata da una grandezza a due rappresentata da una grandezza a due valori, che costituiscono una codifica in termini di bit valori, che costituiscono una codifica in termini di bit delldell informazioneinformazione


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Esem pio di segnale analogico


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Esem pio di segnale digita le


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Vantaggi dei segnali digitaliMaggiore capacità di eliminare il rumorePossibilità di trattare il segnale mediante circuiti basati su porte logichePossibilità di elaborare i segnali attraverso computer

Vantaggi dei segnali analogiciA parità di costo, maggiore velocità di elaborazioneA parità di velocità di elaborazione, costo più basso


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I computer sono basati su una rappresentazione digitale delle informazioniOltre ai computer, altri dispositivi usano una rappresentazione digitale:

Telegrafo, Lettori CD e DVD, Cellulari GSM, Videocamere DV, Decoder per TV satellitare, Impianti Dolby Surround etc etc.

Poiché il mondo fisico in cui viviamo èanalogico , gli strumenti digitali hanno bisogno

di convertitori Analogico/Digitale e Digitale/Analogico per interagire con il mondo...


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Le immagini, come tutte le informazioni gestite dal computer, devono essere rappresentate attraverso sequenze di bit.Esistono diversi modi per codificare un immagine in bit, e le differenti codifiche hanno un impatto sulla qualità, sulle dimensioni e sull utilizzabilità delle immagini.

I formati di rappresentazione si dividono in due famiglie: rappresentazioni RASTER e VECTOR.


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Il termine raster (= trama, reticolo, griglia) trae origine dalla tecnologia televisiva analogica, ovvero dal termine che indica le righe orizzontali (dette anche scan line) dei televisori o dei monitor). In computer grafica, indica la griglia ortogonale di punti che costituisce un'immagine raster. Nella grafica raster l'immagine viene vista come una scacchiera e ad ogni elemento della scacchiera, chiamato pixel, viene associato uno specifico colore. Il colore può essere definito con due tecniche:se l'immagine contiene pochi colori (massimo 256) si crea un elenco dei colori da utilizzare e nella scacchiera viene inserito l'indice che punta allo specifico colore del pixel; nel caso si vogliano utilizzare molti più colori il singolo pixel non definisce più l'indice a una tavolozza di colori ma definisce il colore direttamente. Il colore viene definito come un'unione delle componenti blu, rossa e verde. Questo non è l'unico modo di definire un colore, esistono molti modi che vengono chiamati spazi di colore ma nel caso delle immagini generate al computer il sistema RGB (RED Rosso, GREEN verde BLUE Blu) è il piùdiffuso dato che le schede grafiche lo utilizzano nativamente per generare il segnale da visualizzare con il monitor.


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Per rappresentare unPer rappresentare un immagine allimmagine all interno del computer, interno del computer, ll immagine viene suddivisa in una griglia rettangolare di immagine viene suddivisa in una griglia rettangolare di puntini dettipuntini detti pixel ((picturepicture elementelement).).


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Il numero di pixel in cui Il numero di pixel in cui èè divisa ldivisa l immagine (in orizzontale e immagine (in orizzontale e in verticale) costituisce lain verticale) costituisce la r isoluzione delldell immagine.immagine.

256 x 256256 x 256 64 x 6464 x 64


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Con il termineCon il termine r isoluzione si indica anche il rapporto tra il si indica anche il rapporto tra il numero di pixel e le dimensioni fisiche dellnumero di pixel e le dimensioni fisiche dell immagine immagine visualizzata o stampata.visualizzata o stampata.In tal caso la risoluzione si misura inIn tal caso la risoluzione si misura in DPI ((DotsDots Per Per InchInch = = punti per pollice, dove 1 pollice = 2.54 cm).punti per pollice, dove 1 pollice = 2.54 cm).

Immagini sullo schermo: 75Immagini sullo schermo: 75--100 dpi100 dpiStampe amatoriali: 150Stampe amatoriali: 150--300 dpi300 dpiStampe professionali: 300Stampe professionali: 300--1200 dpi1200 dpi


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Una caratteristica dei formati Una caratteristica dei formati rasterraster èè che le operazioni di che le operazioni di zoom comportano una perdita di risoluzione:zoom comportano una perdita di risoluzione:

La La scalettaturascalettatura si può eliminare con opportune operazioni di si può eliminare con opportune operazioni di filtraggio, ma in questo modo lfiltraggio, ma in questo modo l immagine risulta sfocata...immagine risulta sfocata...

Zoom Zoom+filtraggio


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I dispositivi di acquisizione di immagini (es. scanner, I dispositivi di acquisizione di immagini (es. scanner, fotocamere digitali) producono immagini in formato fotocamere digitali) producono immagini in formato rasterraster..Inoltre numerosi programmi di disegno e ritocco di immagini Inoltre numerosi programmi di disegno e ritocco di immagini si basano su questo tipo di rappresentazione.si basano su questo tipo di rappresentazione.


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LL immagine immagine èè rappresentata attraverso una serie di primitive rappresentata attraverso una serie di primitive geometriche (es. cerchio[x1, y1, r]geometriche (es. cerchio[x1, y1, r] , linee, poligoni, ecc. di cui , linee, poligoni, ecc. di cui vengono memorizzati i parametri necessari (es. per i poligoni vengono memorizzati i parametri necessari (es. per i poligoni coordinate degli estremi)).coordinate degli estremi)).


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Molti programmi di disegno (soprattutto per il disegno tecnico) Molti programmi di disegno (soprattutto per il disegno tecnico) usano formati usano formati vectorvector..

Occupano meno spazioOccupano meno spazioPiPiùù facili da modificare geometricamentefacili da modificare geometricamentePossono essere ingrandite senza perdita in risoluzione a Possono essere ingrandite senza perdita in risoluzione a

differenza di quanto visto per il formato differenza di quanto visto per il formato rasterrasterTalvolta si usano programmi di conversione Talvolta si usano programmi di conversione rasterraster toto vectorvector

Zoom


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Nel caso piNel caso piùù semplice, ciascun pixel semplice, ciascun pixel èè rappresentato da 1 bit rappresentato da 1 bit ((B/ W =bianco=bianco / nero)/ nero)

1 bit per pixel

UnUn immagine immagine rasterraster a 1bpp viene dettaa 1bpp viene detta bitmap. Talora . Talora bitmapbitmapèè usato impropriamente come sinonimo di usato impropriamente come sinonimo di rasterraster


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Usando piUsando piùù bit per pixel, bit per pixel, èè possibile rappresentare livelli di possibile rappresentare livelli di grigio intermedi (grigio intermedi (grayscale ))

8 bit per pixel = 2 5 6 livelli di gr igio


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Rappresentazione del coloreCiascun colore viene rappresentato scomponendolo nei tre Ciascun colore viene rappresentato scomponendolo nei tre colori fondamentali (colori fondamentali (RGB==Red , , Green , , Blue ).).

A ciascuna componente A ciascuna componente èè assegnato un peso, espresso da assegnato un peso, espresso da un numero che può essere codificato in termini di bit.un numero che può essere codificato in termini di bit.

Se ogni pixel contiene la codifica completa RGB, il formato Se ogni pixel contiene la codifica completa RGB, il formato èèanche dettoanche detto t rue- color


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Esem pi

R=17, G=202, B=219 R=255, G=80, B=80

R=184, G=245, B=11 R=255, G=80, B=200


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La qualitLa qualitàà cromatica dipende dal numero di bit per pixelcromatica dipende dal numero di bit per pixel

24 bit per pixel (8R, 8G, 24 bit per pixel (8R, 8G, 8B)=16 milioni di colori8B)=16 milioni di colori

3 bit per pixel=3 bit per pixel=8 colori8 colori


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UnUn immagine vale piimmagine vale piùù di mille paroledi mille parole Ma richiede anche Ma richiede anche molti pimolti piùù bit di mille parole!bit di mille parole!

256x256 pixel, 24 bit per pixel = 192 Kbyte!256x256 pixel, 24 bit per pixel = 192 Kbyte!


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Per ridurre lo spazio occupato da immagini e da altre Per ridurre lo spazio occupato da immagini e da altre informazioni molto voluminose sono stati sviluppati degliinformazioni molto voluminose sono stati sviluppati deglialgoritm i di com pressione che sfruttano alcune forme che sfruttano alcune forme di regolaritdi regolaritàà presenti nelle sequenze di bit (es. ripetizione di presenti nelle sequenze di bit (es. ripetizione di sottosequenze).sottosequenze).

Gli algoritmi di compressione funzionano su base statistica: Gli algoritmi di compressione funzionano su base statistica: possono ridurre il numero di bit nella maggior parte dei casi, possono ridurre il numero di bit nella maggior parte dei casi, ma vi sono dei casi in cui potrebbero aumentare il numero di ma vi sono dei casi in cui potrebbero aumentare il numero di bit richiesti!bit richiesti!


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Due tipi di algoritmi di compressione:Due tipi di algoritmi di compressione:

Senza perdita di inform azione ((losslesslossless))Consentono di ricostruire esattamente la sequenza di bit Consentono di ricostruire esattamente la sequenza di bit

originariaoriginaria

Con perdita di inform azione ((lossylossy))Adatti per dati multimediali, in cui una piccola alterazione Adatti per dati multimediali, in cui una piccola alterazione

risulta impercettibilerisulta impercettibileFattore di compressione maggioreFattore di compressione maggiorePossibilitPossibilitàà di scegliere il fattore di compressione in di scegliere il fattore di compressione in

funzione della qualitfunzione della qualitàà desideratadesiderata


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GI FCompressione senza perditaCompressione senza perditaMax. 8 bit per pixel (con palette)Max. 8 bit per pixel (con palette)Trasparenza (color key)Trasparenza (color key)Consente di avere piConsente di avere piùù immagini in un unico file (ANIGIF)immagini in un unico file (ANIGIF)LL algoritmo di compressione algoritmo di compressione èè brevettato da brevettato da UnisysUnisys, ,

quindi ci potrebbero essere royalty da pagare per i quindi ci potrebbero essere royalty da pagare per i programmatori...programmatori...

EE adatto per semplici disegni, logo e piccole animazioni.adatto per semplici disegni, logo e piccole animazioni.


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PNGCompressione senza perditaCompressione senza perditafino a 48 bit per pixel (con palette e fino a 48 bit per pixel (con palette e truetrue--colorcolor))Trasparenza (Trasparenza (alphaalpha channelchannel))

Progettato per sostituire il GIF, non Progettato per sostituire il GIF, non èè ancora altrettanto ancora altrettanto diffusodiffuso Adatto a disegni e logo.Adatto a disegni e logo.


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JPEGCompressione con perditaCompressione con perdita24 bit per pixel (24 bit per pixel (truetrue--colorcolor))Adatto alle immagini fotograficheAdatto alle immagini fotografichePossibilitPossibilitàà di scegliere il bilanciamento tra qualitdi scegliere il bilanciamento tra qualitàà e e

compressionecompressione

EE il formato piil formato piùù usato per immagini fotografiche, anche grazie usato per immagini fotografiche, anche grazie allall ottimo rapporto di compressioneottimo rapporto di compressione


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TI FFA scelta: nessuna compressione, compressione senza A scelta: nessuna compressione, compressione senza

perdita, compressione con perdita (basata su JPEG)perdita, compressione con perdita (basata su JPEG)24 bit per pixel (24 bit per pixel (truetrue--colorcolor))Trasparenza (Trasparenza (alphaalpha channelchannel))Consente di inserire annotazioni allConsente di inserire annotazioni all interno delle interno delle

immaginiimmaginiConsente di avere piConsente di avere piùù immagini in un fileimmagini in un file

Le versioni compresse sono poco usate; la versione non Le versioni compresse sono poco usate; la versione non compressa compressa èè spesso lspesso l output di dispositivi di acquisizione output di dispositivi di acquisizione quando lquando l utente richiede la massima qualitutente richiede la massima qualitàà..


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EsempiEsempi

GIF

57 Kbyte57 KbyteJPEG

QualitQualitàà 75%75%20 Kbyte20 Kbyte

JPEG

QualitQualitàà 10%10%4 Kbyte4 Kbyte


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W MF: Windows Meta File, poco diffuso al di fuori del : Windows Meta File, poco diffuso al di fuori del

mondo Windows.mondo Windows.

DXF: : DrawingDrawing Exchange File, formato usato da AutoCAD Exchange File, formato usato da AutoCAD

per lo scambio di disegni. Adatto per disegni tecnici.per lo scambio di disegni. Adatto per disegni tecnici.

SVG: Scalable Vector Graphics, formato basato su XML, : Scalable Vector Graphics, formato basato su XML,

supporta animazioni, supporta animazioni, scriptingscripting e vari effetti speciali.e vari effetti speciali.

SW F: : ShockwaveShockwave Flash, nato come formato proprietario per Flash, nato come formato proprietario per

animazioni ed effetti speciali di MacroMedia Flash, molto animazioni ed effetti speciali di MacroMedia Flash, molto

usato in Internet.usato in Internet.


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Il suono Il suono èè unun onda di pressione che si propaga nellonda di pressione che si propaga nell ariaaria

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 5 10 15 20 25 30 35

tempo

pre

ssio

ne


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Un suono viene trasformato in una sequenza di bit attraverso Un suono viene trasformato in una sequenza di bit attraverso un processo dettoun processo detto cam pionam ento.

Il segnale viene misurato a intervalli regolari, e la misura (chIl segnale viene misurato a intervalli regolari, e la misura (che e èè un numero) viene convertito in una sequenza di bit di un numero) viene convertito in una sequenza di bit di lunghezza prefissata (es. 8 bit).lunghezza prefissata (es. 8 bit).

LL insieme dei valori misurati insieme dei valori misurati èè la rappresentazione digitale del la rappresentazione digitale del suono.suono.


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EsempioEsempio

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 5 10 15 20 25 30 35

tempo

pre

ssio

ne


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Maggiore Maggiore èè lala frequenza di cam pionam ento , tanto pi, tanto piùùfedele sarfedele saràà la riproduzione del segnale.la riproduzione del segnale.

La frequenza usata dai CD La frequenza usata dai CD èè didi 4 4 .1 KHz (1 (1 KHzKHz = 1000 = 1000 campioni al secondo).campioni al secondo).

Per ogni campione di un segnale stereo occorrono due valori, Per ogni campione di un segnale stereo occorrono due valori, ciascuno rappresentato da 8 bit (in alcuni casi si usano 16 bitsciascuno rappresentato da 8 bit (in alcuni casi si usano 16 bits).).

1 secondo di audio = 2x8x44100 bit =1 secondo di audio = 2x8x44100 bit = 6 8 9 Kbit ( 8 6 kBytes)


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Anche per le informazioni audio si usano algoritmi di Anche per le informazioni audio si usano algoritmi di compressione.compressione.

Il formato di compressione piIl formato di compressione piùù diffuso diffuso èè MP3 .Compressione con perditaCompressione con perditaConsente di scegliere ilConsente di scegliere il bit rate (numero di bit per (numero di bit per

secondo di audio). Diminuendo il bit rate, si riduce la secondo di audio). Diminuendo il bit rate, si riduce la qualitqualitàà

In formato MP3 si può ottenere una qualitIn formato MP3 si può ottenere una qualitàà accettabile con un accettabile con un bit rate dibit rate di 1 9 2 - 2 5 6 Kbit / s


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Nuovi formati audio:Nuovi formati audio:

Ogg Vorbis (.(.oggogg))Formato Formato publicpublic--domaindomain

Advanced Audio Coding (.m4a)(.m4a)Proposto da Apple, integrato in MPEG4Proposto da Apple, integrato in MPEG4

W indow s Media Audio (.(.wmawma))Proposto da MicrosoftProposto da Microsoft


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Un filmato può essere visto come una successione di Un filmato può essere visto come una successione di immagini (immagini (fram e , fotogrammi)., fotogrammi).Per avere un movimento fluido occorrono almenoPer avere un movimento fluido occorrono almeno 2 4 fram e/ sec.

1 secondo di video non compresso a bassa risoluzione 1 secondo di video non compresso a bassa risoluzione (256x256), 24 bit per pixel =(256x256), 24 bit per pixel =24 x 256 x 256 x 24 bit =24 x 256 x 256 x 24 bit = 4 .5 Mbyte

Per i filmati Per i filmati èè indispensabile lindispensabile l uso di algoritmi di uso di algoritmi di compressione!compressione!


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Tipicamente per i filmati si sfrutta il fatto che quasi sempre Tipicamente per i filmati si sfrutta il fatto che quasi sempre fotogrammi adiacenti hanno poche differenzefotogrammi adiacenti hanno poche differenze

Quindi ciascun fotogramma viene codificato come differenza Quindi ciascun fotogramma viene codificato come differenza rispetto ai fotogrammi precedenti (e in alcuni casi anche rispetto ai fotogrammi precedenti (e in alcuni casi anche rispetto ad alcuni fotogrammi successivi, per effettuare una rispetto ad alcuni fotogrammi successivi, per effettuare una interpolazioneinterpolazione ))


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Il formato piIl formato piùù diffuso diffuso èè MPEGCompressione con perditaCompressione con perditaSfrutta la somiglianza tra frame adiacentiSfrutta la somiglianza tra frame adiacenti

Diverse versioni del formato:Diverse versioni del formato:MPEG- 1 (1992)(1992)

Il livello 3 del formato (MPEGIl livello 3 del formato (MPEG--1 1 LayerLayer 3), che definisce la colonna 3), che definisce la colonna sonora, sonora, èè noto con il nome dinoto con il nome di MP3..

MPEG- 2 (1994)(1994)Usato dalla TV satellitare digitaleUsato dalla TV satellitare digitale

MPEG- 4 (1998)(1998)Supporto per applicazioni interattiveSupporto per applicazioni interattive

MPEG- 7 (2000)(2000)Funzioni di ricerca del contenutoFunzioni di ricerca del contenuto


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Altri formati in uso:Altri formati in uso:AVI (Audio Video Interleave)(Audio Video Interleave)

Formato proprietario Microsoft, Formato proprietario Microsoft, èè lo standard Microsoft per i video. lo standard Microsoft per i video. Attraverso deiAttraverso dei CODEC (codificatori/decodificatori) opzionali (codificatori/decodificatori) opzionali supporta la compressione MPEG4.supporta la compressione MPEG4.

ASF ((AdvancedAdvanced Streaming Format)Streaming Format)Formato proprietario Microsoft per loFormato proprietario Microsoft per lo streaming, ovvero la , ovvero la trasmissione di video su internet.trasmissione di video su internet.

MOV ((QuickTimeQuickTime MOVie file)MOVie file)Formato sviluppato da Apple inizialmente per il Formato sviluppato da Apple inizialmente per il MacMac, poi portato , poi portato anche sotto Windows, supporta la compressione MPEG4. Ha una anche sotto Windows, supporta la compressione MPEG4. Ha una qualitqualitàà migliore di AVI.migliore di AVI.


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Altri formati in uso (continua):Altri formati in uso (continua):W MV (Windows Media Video)(Windows Media Video)

Formato proprietario Microsoft, estensione di ASF Formato proprietario Microsoft, estensione di ASF adatta anche al download oltre che allo streaming.adatta anche al download oltre che allo streaming.

DivXFormato proprietario basato su MPEG4. Usato per ilFormato proprietario basato su MPEG4. Usato per ilr ipping dei DVDdei DVD


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