Informatica

1. Informatica Lezione 2 Psicologia dello sviluppo e dell'educazione (laurea magistrale) Anno accademico: 2006-2007

2. Codifica delle immagini • Sistemi di supporto alla progettazione CAD/CAM • Campo medico (per esempio, i sistemi di TAC o di ecografia) • Telecamere e videoregistratori professionali • Effetti speciali i film, televisione • Telefoni cellulari • Ecc.

3. Codifica delle immagini Suddividiamo l’immagine mediante una griglia formata da righe orizzontali e verticali a distanza costante

4. Codifica delle immagini • Ogni quadratino derivante da tale suddivisione prende il nome di pixel (picture element) e può essere codificato in binario secondo la seguente convenzione: • Il simbolo “0” viene utilizzato per la codifica di un pixel corrispondente ad un quadratino in cui il bianco è predominante • Il simbolo “1” viene utilizzato per la codifica di un pixel corrispondente ad un quadratino in cui il nero è predominante

5. Codifica delle immagini

6. Codifica delle immagini Poiché una sequenza di bit è lineare, è necessario definire convenzioni per ordinare la griglia dei pixel in una sequenza. Assumiamo che i pixel siano ordinati dal basso verso l’alto e da sinistra verso destra 0000000000 0011111000 0011100000 0001000000

7. Codifica delle immagini Non sempre il contorno della figura coincide con le linee della griglia. Quella che si ottiene nella codifica è un’approssimazione della figura originaria Se riconvertiamo la sequenza di stringhe 0000000000 0011111000 0011100000 0001000000 in immagine otteniamo

8. Codifica delle immagini La rappresentazione sarà più fedele all’aumentare del numero di pixel, ossia al diminuire delle dimensioni dei quadratini della griglia in cui è suddivisa l’immagine

9. Codifica delle immagini • Assegnando un bit ad ogni pixel è possibile codificare solo immagini in bianco e nero • Per codificare le immagini con diversi livelli di grigio oppure a colori si usa la stessa tecnica: per ogni pixel viene assegnata una sequenza di bit

10. Codifica delle immagini (grigio e colore) • Per memorizzare un pixel non è più sufficiente un solo bit • Per esempio, se utilizziamo quattro bit possiamo rappresentare 24 = 16 livelli di grigio o 16 colori diversi • Mentre con otto bit ne possiamo distinguere 28 = 256, ecc.

11. L’uso del colore • Il colore può essere generato componendo 3 colori: red, green, blue (RGB) • Ad ogni colore si associa una possibile sfumatura • Usando 2 bit per ogni colore si possono ottenere 4 sfumature per il rosso, 4 per il blue e 4 per il verde che, combinate insieme, danno origine a 64 colori diversi • Ogni pixel per essere memorizzato richiede 6 bit

12. L’uso del colore • Usando 8 bit per ogni colore si possono ottenere: • 256 sfumature per il rosso … • … 256 per il verde e … • … 256 per il blu … che, combinate insieme, danno origine a circa 16,8 milioni di colori diversi (precisamente 16.777.216 colori) • Ogni pixel per essere memorizzato richiede 3 byte

13. L’uso del colore 2 bit 4 bit 1 byte 3 byte

14. L’uso del colore • Esempi: • 000000000000000000000000  nero • 111111111111111111111111  bianco • 111111110000000000000000  rosso • 111111111111111100000000  giallo • 000000001111111100000000  verde • 000000001111111111111111  cyan • 000000000000000011111111  blu • 111111110000000011111111  viola • 100000001000000010000000  grigio(un certo tonalità di …)

15. L’uso del colore • Per modificare i colori: • Si può usare operazioni aritmetiche • Per esempio, per ottenere una tonalità più chiara di grigio: aggiungere una certa quantità al valore di grigio sulla diapositiva precedente • Più informazione sull’addizione di numeri binari: vedremo … 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 + 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 = 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0

16. Risoluzione • Il numero di pixel presenti sullo schermo (colonne x righe) prende il nome di risoluzione • Risoluzione tipiche sono 640 x 480 800 x 600 1024 x 768 1280 x 1024 1600 x 1200 • Esempio: • Per distinguere 256 colori sono necessari otto bit per la codifica di ciascun pixel • La codifica di un’immagine di 256 colori, formata da 640 x 480 pixel, richiederà 640 x 480 = 307.200 byte (2.457.600 bit)

17. Risoluzione • Per modificare i numeri di colori, il numero di pixel sullo schermo: • Start  Impostazione  Panello di controllo  Schermo  Impostazione (scheda)

18. Codifica delle immagini • Le immagini codificate pixel per pixel sono dette immagini in grafica bitmap • Le immagini bitmap occupano parecchio spazio • Per esempio, l’immagine della finestra “Proprietà - Schermo” sulla diapositiva precedente (in cui 3 byte sono usati per i colori) richiede 493.674 byte (circa 482 KB) • Esistono delle tecniche di compressione che permettono di ridurre le dimensioni • Ad esempio, se più punti vicini di un’immagine assumono lo stesso colore, si può memorizzare la codifica del colore una sola volta e poi ricordare per quante volte deve essere ripetuta • …

19. Codifica delle immagini • Esistono delle tecniche di compressione che permettono di ridurre le dimensioni (continuato) • … • Un esempio concreto - codifica run-length nel contesto delle immagini in bianco e nero: • Usa numeri binari per specificare la lunghezza della prima sequenza di 0 (bianco) • … poi quella della sequenza di 1 (nero) • … poi quella della successiva sequenza di 0 • … e così via

20. Codifica delle immagini • I formati come GIF, JPEG e PNG sono formati compressi • Per esempio: rispetto al bitmap, il formato JPEG dedica meno bit alla descrizione delle sfumatura cromatiche di un’immagine • L’immagine della finestra “Proprietà - Schermo” in formato JPEG si occupa 30.401 byte (circa 29,6 KB) • Argomento correlato: formati come Postscript e PDF per i documenti

21. Codifica delle immagini • Distinzione tra compressione lossless e compressione lossy • Lossless: compressione senza perdita di informazioni • Dalla versione compressa, si può ricostruire perfettamente la versione non-compressa • Per esempio, GIF • Lossy: compressione con perdita di informazioni • Dalla versione compressa, non è possibile recuperare la versione originale • Per esempio, JPEG, PNG

22. Codifica di immagini in movimento • Un filmato è una sequenza di immagini statiche (dette fotogrammi o frame) • Per codificare un filmato si “digitalizzano” i suoi fotogrammi • Esempio: • 30 immagini ad alta risoluzione al secondo • 30 imm./sec x 2.457.600 bit/imm. = 73.728.000 bit/sec • Un minuto richiederebbe 60 sec x 73.728.000 = 4.423.680.000 bit (5.529.600 byte, circa 5.400 KB) • Esempi di formati per il video: AVI, MOV • Compressione: MPEG (Moving Picture Expert Group), memorizza solo la differenza tra fotogrammi consecutivi

23. Codifica delle immagini • Quanti byte occupa un’immagine di 100 x 100 pixel in bianco e nero? • Quanti byte occupa un’immagine di 100 x 100 pixel a 256 colori? • Se un’immagine a 16.777.216 di colori occupa 2400 byte, da quanti pixel sarà composta?

24. Codifica dei suoni • Fisicamente un suono è rappresentato come un’onda che descrive la variazione della pressione dell’aria nel tempo (onda sonora) Pressione del suono Tempo • Sull’asse delle ascisse viene rappresentato il tempo e sull’asse delle ordinate viene rappresentata la variazione di pressione corrispondente al suono stesso

25. Codifica dei suoni • Un’idea chiave: il suono è continuo (la pressione varia senza salti) • È possibile ottenere una registrazione analogica continua dell’onda • Una registrazione analogica memorizza ogni variazione dell’onda originale (almeno in linea di principio) • La rappresentazione digitale di un suono funziona in un modo diverso

26. Codifica dei suoni • Si effettuano dei campionamenti sull’onda (cioè si misura il valore dell’onda a intervalli di tempo costanti) e si codificano in forma digitale le informazione estratte da tali campionamenti Pressione del suono Tempo • Quanto più frequentemente il valore di intensità dell’onda viene campionato, tanto più precisa sarà la sua rappresentazione • Il numero di campioni raccolti per ogni secondo definisce la frequenza di campionamento che si misura in Hertz (Hz, numero di campionamento ogni secondo)

27. Codifica dei suoni • La sequenza dei valori numerici ottenuti dai campioni può essere facilmente codificata con sequenze di bit Un’approssimazione! Pressione del suono Tempo • La rappresentazione è tanto più precisa quanto maggiore è il numero di bit utilizzati per codificare l’informazione estratta in fase di campionamento

28. Codifica dei suoni • Per esempio: con 1 bit 1 Pressione del suono Tempo 0 • Per esempio: con 2 bit 11 10 Pressione del suono Tempo 00 01

29. Codifica dei suoni (esempio) • Se volessimo codificare la musica di qualità CD dovremmo: • Usare due registrazioni corrispondenti a due microfoni distinti • Campionare il segnale musicale producendo 44.100 campioni al secondo • Per ogni campione (che è un numero) si usano 16 bit • Per cui, il numero di bit che sarebbero necessari per codificare ogni secondo è pari a 2 x 44.100 campioni x 16 bit/campione = 1.414.200 bit (circa 176.775 byte, o 173 KB)

30. Codifica dei suoni ADC: da analogico a digitale DAC: da digitale ad analogico 01011010 11110000 10100000 10000010 Convertitore analogico-digitale Convertitore digitale-analogico

31. Codifica dei suoni • Codifiche standard • MP3 , WAV (MS-Windows), AIFF (Audio Interchange File Format, Apple), MIDI • MP3 • MPEG-3: variante MPEG per suoni • Grande diffusione, molto efficiente (fattore di compressione circa 10:1) • MIDI: codifica le note e gli strumenti che devono eseguirle • Efficiente, ma solo musica, non voce

32. Codifica dei suoni • Quanto spazio occupa un suono (non in stereo) della durata di 10 secondi campionato a 100 Hz (100 campioni al secondo), in cui ogni campione occupa 4 byte?