Codifica

Codifica dei caratteri Alfabeto anglosassone Lettere maiuscole e minuscole Cifre numeriche (0, 1, 2, …, 9) Simboli di punteggiatura (, . ; : ! “ ? …) Segni matematici (+, -, {, [, >, …) Caratteri nazionali (à, è, ì, ò, ù, ç, ñ, ö, …) può essere codificato usando un byte (220 caratteri circa) Il metodo di codifica più diffuso tra i produttori di hardware e di software prende il nome ASCII (American Standard Code for Information Interchange)

Codifica dei caratteri (ASCII) Simbolo 00000000 NUL (spazio bianco) … 00111110 > 00111111 ? 01000000 @ 01000001 A 01000010 B 01000011 C

Codifica Alfanumerica Codifica ASCII   2.Codici Alfanumerici L'evoluzione dei calcolatori li ha portati a diventare, oltre che elaboratori di numeri, anche elaboratori di altri tipi di informazione, prima fra tutti quella testuale. I simboli che vengono usati per rappresentare testi sono, come noto, i caratteri alfanumerici, cioè l'insieme costituito dalle lettere dell'alfabeto e dalle dieci cifre decimali. A questi vanno aggiunti diversi altri simboli come lo spazio, i segni di interpunzione, i simboli per indicare il passaggio alla riga o alla pagina successiva, ecc. Questo insieme di caratteri alfanumerici può essere facilmente rappresentato attribuendo in maniera univoca a ciascuno dei suoi elementi un numero intero (codice). Osserviamo che il numero delle lettere dell'alfabeto inglese sono 26, per un totale di 52, considerando anche quelle maiuscole. Se ad esse aggiungiamo le dieci cifre numeriche, una quarantina di simboli extra, arriviamo ad un totale di un centinaio di simboli da rappresentare. Tale numero suggerisce che soli 7 bit sono sufficienti per rappresentare l'insieme dei caratteri alfanumerici (7 bit permettono di rappresentare 128 simboli diversi). E' chiaro che è necessario che la rappresentazione dei simboli sia la stessa in tutto il mondo, pena la totale incomunicabilità. E', dunque, necessario l'adozione di una comune rappresentazione. Attualmente esistono due diverse rappresentazioni: codifica ASCII e relative estensioni e codifica Unicode.   Codifica Alfanumerica Codifica ASCII 97 65 32   125 Come si vede: I caratteri di controllo (non riproducibili) hanno i codici più bassi. Il blank (Spazio) è il primo dei caratteri riproducibili. Le maiuscole/minuscole sono ordinate (codice Progressivo). 123 2.2.Codifiche derivate dalla codifica ASCII Esistono numerose estensioni della codifica ASCII. Tali estensioni derivano dalla necessità di codificare simboli legati a particolari lingue, e dal fatto che operando su 8 bit, la codifica ASCII consente l'utilizzo dell'ottavo bit, lasciando gli altri 7 inalterati. Tutte le estensioni della codifica ASCII non modificano tale codifica ma aggiungono semplicemente altri 128 simboli. Tra le estensioni più diffuse vi è la ISO Latin 1.   2.3.Codifica Unicode La codifica Unicode supera i limiti della codifica ASCII e relativi derivati, in quanto estende il numero di simboli codificabili. Attualmente sono più di 95.000 simboli codificati con lo standard Uncode. Essi sono divisi in: Ø              Script Moderni: Latino, Greco, Giapponese, Cinese, Koreano, etc. Ø              Script Antichi: Sumero, Egiziano, etc. Ø              Segni Speciali La codifica Unicode è in ogni caso compatibile con la codifica ASCII, e richiede ovviamente più di un byte (da 1 a 4) per la codifica.  

Codifica delle parole Parole sono sequenze di caratteri Codifica della parole cane 01100011 01100001 01101110 01100101 c a n e Il problema inverso: data una sequenza di bit, il testo che essa codifica può essere ottenuto nel modo seguente: si divide la sequenza in gruppi di otto bit (byte) si determina il carattere corrispondente ad ogni byte

Codifica dei caratteri Abbiamo considerato il codice: ASCII: 8 bit per carattere Un’altro codice: UNICODE, 16 bit per carattere (ASCII + caratteri etnici: greco, russo, ecc.) Microsoft Windows usa un codice proprietario a 16 bit per carattere, simile ad UNICODE

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

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

Codifica delle immagini 1

Codifica delle immagini 1 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

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

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

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

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.

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

L’uso del colore Usando 8 bit per ogni colore si possono ottenere 256 sfumature per il rosso, 256 per il blu e 256 per il verde che, combinate insieme, danno origine a circa 16,8 milioni di colori diversi (precisamente 16777216 colori) Ogni pixel per essere memorizzato richiede 3 byte

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

Grafica bitmap Le immagini codificate pixel per pixel sono dette immagini in grafica bitmap Le immagini bitmap occupano parecchio spazio 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 I formati come GIF, JPEG e PNG sono formati compressi Argomento correlato: formati come Postscript e PDF per i documenti

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 al secondo con risoluzione 640x480 8 bit : 30 imm./sec x 2457600 bit/imm. = 73728000 bit/sec Un minuto richiederebbe 60 sec x 73728000 = 4423680000 bit (5529600 byte) circa 5 GByte Esempi di formati per il video: AVI, MOV Compressione: MPEG (Moving Picture Expert Group), differenza tra fotogrammi

Codifica dei suoni Fisicamente un suono è rappresentato come un’onda che descrive la variazione della pressione dell’aria nel tempo (onda sonora) t Sull’asse delle ascisse viene rappresentato il tempo e sull’asse delle ordinate viene rappresentata la variazione di pressione corrispondente al suono stesso

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 t 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)

Codifica dei suoni Onde sonore: segnali ‘continui’ campionamento: scelta di istanti in cui considerare il valore del segnale quantizzazione: codifica dei campioni con un numero predefinito di bit ampiezza del segnale tempo

Codifica dei suoni campionamento quantizzazione 100 011 010 001 …

Codifica dei suoni 100 011 010 001 … Il segnale può ora essere codificato in forma numerica mediante una sequenza di bit (nell’esempio con tre bit).

Esempio di codifica: segnale vocale telefonico

Dispositivi di codifica (ADC) Suono onda di pressione dell’aria Microfono Converte il suono in segnale elettrico Cavo elettrico 1 Trasporta il segnale elettrico analogico fino al ADC Analog to Digital Converter Cavo elettrico 2 Trasporta il segnale elettrico digitale verso il computer Campionamento Quantizzazione 10001001010001 Segnale analogico Segnale campionato Segnale digitale Analog to Digital Converter

Dispositivi di codifica (DAC) Esiste anche il processo inverso, che trasforma l’informazione da digitale ad analogica. Nel caso del suono questo compito è svolto dal D.A.C. (Digital to Analog Converter) che trasforma il segnale digitale in segnale elettrico analogico; tale segnale viene successivamente trasformato in onda sonora dalle casse acustiche. Suono onda di pressione dell’aria Cavo elettrico 2 Trasporta il segnale elettrico analogico fino alla cassa Digital to Analog Converter Cavo elettrico 1 Trasporta il segnale elettrico digitale verso il DAC Cassa Acustica Trasforma il segnale elettrico analogico in suono

Codifica dei suoni L’accuratezza della ricostruzione dipende : da quanto sono piccoli gli intervalli di campionamento da quanti bit uso per descrivere il suono in ogni campione nella fase di quantizzazione (8, 16,32) al solito … maggiore accuratezza significa maggior quantità di memoria occupata! Anche per i suoni si possono utilizzare tecniche di compressione per migliorare l’occupazione di memoria della sequenza di campioni

Codifica dei suoni (esempio) Se volessimo codificare la musica di qualità CD dovremmo: Usare due registrazioni corrispondenti a due microfoni distinti (stereo) Campionare il segnale musicale producendo 44100 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 44100 campioni x 16 bit/campione = 1414200 bit

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

Streaming video

Come faccio funzionare il tutto ??? Streaming Cosa mi serve ??? Hardware Software Accessori Come faccio funzionare il tutto ???

Streaming Chi devo raggiungere??? Utenti remoti collegati ad Internet (WAN) Utenti remoti “dial-up” (ADSL) Utenti in rete locale (LAN) Utenti remoti “mobili” (GPRS/UMTS)

Streaming Cosa devo trasmettere Qualità della voce Qualità del video Musica hi-fi o voce Qualità del video Film in DVD o riprese con qualità “webcam” Dimensioni dell’immagine Presentazioni (powerpoint o altro) Altro

Streaming Memorizzare la voce con campionamento a 8 bit e con una frequenza di 6000 Hz per una durata di un minuto sono necessari 6000Hz x 60s x 8 bit = 360 Kbyte circa Memorizzare un minuto di una canzone con un campionamento a 16 bit stereo e con una frequenza di campionamento di 44100 Hz sono necessari 44100 x 60s x 2 byte x 2 = 10 Mbyte circa .

Streaming Perché è necessario comprimere un filmato digitale? 720 x 576 x 8 x 3 x 25 = 30MByte/s 720x 576 pixel (PAL) 8 x 3 Quantizzazione a 8 bit per ciascuno dei tre colori 25 fps film 1 ora  108 GB

Streaming NTSC PAL SECAM 525 righe 30 fps 625 righe 25 fps interlacciati SECAM 625 righe a 25 fps

Formati video analogici VHS Standard più diffuso e meno qualitativo Video 8 Sony  leggermente migliore del VHS S-VHS Migliora la qualità e la risoluzione del VHS Video 8Hi Migliore come qualità a livello consumer Betacam Il più usato per il broadcast. Eccellente qualità

Formati video digitali MS Video for Windows [.AVI] Apple Quick Time for Windows [.MOV] Formato DV (3.6 MB/sec) Adobe Filmstrip [.FLM] Autodesk Animation [.FLI/FLC ] RealMedia Audio/Video[.RA/RM/RAM] Microsoft [.ASF e .WMV ]

Segnale video Composito (YC) S-Video RGB Tutte le informazioni vengono raggruppate in un singolo segnale S-Video 5 fili RGB Trasporta il segnale in termini di porzione di 3 colori

Segnale video RGB  pc CMYK  stampe YUV  tv Luminanza Crominanza Intensità luminosa di un punto dell’immagine (Y) Crominanza U e V. Sono i canali che trasportano i colori. Detti anche R-Y e B-Y.

Streaming Trasferire 500KB a 6KBs  oltre 90 s Notevole quantità di banda +qualità corrisponde + banda Notevole tempo per scaricare i filmati Le tecniche di "streaming" permettono di ridurre questo tempo ad un piccolo ritardo iniziale, senza richiedere alcuno spazio sul disco locale: il file richiesto viene infatti visualizzato al momento, senza un preventivo download.

Streaming Real time Radio Tv non esiste un vero e proprio file ma piuttosto un flusso continuo (uno stream) di bit

Cosa mi serve Una sorgente Un encoder Un server Un player File Telecamera/tv/videoregistratore Un encoder PC Software: es. Streamfactory/Stream Genie Un server Un player

I protocolli TCP UDP RTP (Real-Time Protocol) IETF Derivazione dell’UDP RTCP (Real Time Control Protocol) RTSP (RealTime Streaming Protocol) Real Networks

I protocolli MMS (Microsoft Media Server) HTTP Microsoft (wmv, asf) Più lento Trasparente ai firewall

Architettura streaming client client Sede Remota Sede Remota LAN codec streaming server

Architettura - CODEC Source OutPut Codec Coding – Decoding software File o Device OutPut File o Device Codec Coding – Decoding software

Architettura - CODEC Il codec realizza la compressione e la decompressione dei singoli fotogrammi nel formato e con la qualità necessaria al target del vostro applicativo. Il codec rappresenta il cuore di qualunque applicazione che manipoli o visualizzi flussi video e/o audio. Esso infatti determinerà la pesantezza in termini di calcolo di tutta la struttura realizzata

Architettura - CODEC In definitiva si può pensare al codec come un componente di una pipe a cui facciamo giungere un flusso dati uncompressed e questo restituisce il flusso compresso secondo il proprio algoritmo. La performance di un codec si misura in fps e un codec che riesca a lavorare a 25 fps si definisce RealTime (in PAL, per la CG 30 e per NTSC 29.97) MyApp CODEC

Architettura client Media Player Rimuove il jitter Decomprime Corregge errori Realizza una graphical user interface con controlli per l’interattività Possono essere utilizzati dei Plug-in per incorporare il media player nella finestra del browser

Architettura - BITRATE Altro elemento fondamentale oltre i FPS è quanta banda è richiesta dal flusso (sia video che audio). Questo è un parametro di alta rilevanza se si pensa di far viaggiare i flussi prodotti su reti come internet. In questi casi è da ricercare il giusto compromesso tra pesantezza dell’encoding, dimensione dei singoli pacchetti e FPS raggiunti MyApp CODEC NET

Streaming Internet I file audio/video sono memorizzati sul web server. Il browser richiede il file con un messaggio di “HTTP request”. Il server web invia il file in un messaggio “HTTP response”. La header line “content-type” indica una codifica audio/video. Il browser lancia un media player e passa il file al media player. Il media player mostra il file.

Streaming Internet Il Browser richiede e riceve un “metafile” invece di ricevere il file stesso. Il Browser lancia il player passandogli il “metafile”. Il Player ativa una connessione TCP/HTTP con il server ed effettuia il download del file.

Streaming Internet Questo permette di evitare HTTP, dà la possibilità di scegliere fra UDP e TCP ed il protocollo dello strato applicazione può essere meglio adattato allo streaming

Streaming: client buffering constant bit rate video transmission variable network delay client video reception constant bit rate video playout at client client playout delay Cumulative data buffered video time Il client “bufferizza” una certa quantità di dati tale da assorbire eventuali ritardi dovuti alla rete.

Streaming: velocità client 1.5 Mbps encoding 28.8 Kbps encoding Come raggiungere client collegati a velocità diverse: 28.8 Kbps dialup 100Mbps Ethernet Il server riceve il filmato e trasmette due stream che sono codificati con diverso bitrate.

Componenti fondamentali Telecamera per acquisizione immagini e suoni Computer con scheda acquisizione audio/video e codec Server per erogare lo streaming

Videocamera: la scelta Web Cam Economica. Facile da usare. Registrazione su disco.

Videocamera: la scelta Web Cam Ottica fissa Uso solo in interni Ripresa audio scadente Qualità globale non migliorabile con l’editing

Videocamera: la scelta Videocamera DV Massima versatilità Qualità audio e video eccellente Portatilità Archiviazione su nastro

Videocamera: la scelta Videocamera DV Costo iniziale elevato Corredo Tempi di riversamento Interfacciamento FireWire (IEEE1394)

Videocamera: la scelta Cosa deve avere: Formato mini DV Ottiche, CCD DVin, IEEE1394, Firewire, iLink Comandi manualizzabili Ingresso microfonico esterno

Videocamera: la scelta Cosa NON serve: Titolatrice interna Effetti digitali interni Estrema miniaturizzazione

Videocamera: la scelta Connessioni analogiche Super Video Video composito Canale sinistro audio Canale destro audio

Videocamera: la scelta Ingresso DVin Riversamento digitale Conservazione dei progetti Copie da videocamere DV Backup dati dal PC

Videocamera: la scelta Nuove frontiere Scrittura in Mpeg2 su DVD-RAM DVD-R da 8cm Risoluzione 704x480

Streaming: le riprese Riprese audio/video Editing Compressione Distribuzione

Soluzioni commerciali per lo streaming Real Networks RealPlayer RealProducer RealServer Microsoft (WMT) WindowsMediaPlayer WindowsMediaEncoder WindowsMediaServer Apple QuickTimeStreaming Server Darwin OpenSource

Apple QuickTime Disegnato per Mac OS X Disponibile come Open Source Darwin Streaming Server Disponibile in formato binario per Linux, Solaris, WinNT/2000. Progressive download Fast Start Technology Real Time Streaming

Apple QuickTime MPEG 4 support 3GGP support MP3 support Nativo 3GGP streaming per device wireless come telefoni cellulari MP3 support Icecast compatibile protocol over HTTP

Apple QuickTime

Apple QuickTime

Apple QuickTime

Apple QuickTime Standard Delivery Mechanisms RTP/RTSP Unicast e Multicast support Live On demand

Apple QuickTime Volumi di traffico Fino a 4000 “connessioni” di qualità modem (57.6Kb/s) per CPU Massima scalabilità MAC OS X gira su macchine multiprocessore PowerPC 5 Bilanciamento del carico su diversi servers Supporto del caching

Apple QuickTime Costi Inserito nel sistema operativo Mac OS XServer. Gratuito con la licenza Open Source compilato per Linux, Solaris, WinNT/2000/XP. Compilabile su tutte le altre piattaforme Non è necessaria nessuna licenza o tassa per stream o banda

Apple QuickTime Gestione Interfaccia Web-based Amministrazione locale o remota Sono riportati dati relativi al traffico in uscita e le statistiche relative ai client collegati Usa SSL per l’amministrazione remota

Apple QuickTime

Apple QuickTime Log Formato dei log in standard W3C Informazioni disponibili in real time Carico CPU, utenti connessi, banda occupata Mantenimento dei file di log giornalieri con rotazione automatica

Apple QuickTime Autenticazione Gestione di server multipli Digest Authentication Password trasmessa in modo cifrato Basic Authentication Passwortd trasmessa in chiaro Gestione di server multipli Distribuisce il carico su più servers Negoziazione tra i servers automatica

Apple QuickTime Player Producer Apple QuickTime Player 6.2 Disponibile per MAC Os X, Mac Os9, Win9X/NT/2000/XP Gratuito Producer Apple QuickTime PRO 6.2 Upgrade del player Costo di circa 20/30 $

Windows Media Arriva per ultimo Disegnato per ambiente Windows Distribuito all’interno di alcuni pacchetti “SERVER” Encoder, Player gratuiti scaricabili dal sito http://www.microsoft.com/windows/windowsmedia/9series

Windows Media CODEC forniti Microsoft MWV Pro Microsoft MWA Pro Microsoft dichiara un rapporto di compressione di 3:1 nei confronti del più utilizzato MPEG2 Microsoft MWA Pro Microsoft dichiara un rapporto di compressione di 1,7/2:1 nei confronti del Dolby Digital 5.1 e del DTS 5.1

Microsoft Media Codec alternativi Possibilità di inserire altri codec di produttori diversi nel player DViX MPEG2 MPEG4

Windows Media Encoder Windows Media Encoder 9 Gira su Windows2000/XP/2003 Schede acquisizione video/audio Osprey 220/500 SoudBlaster WinCast TV

Windows Media Server Windows server 2003

Real Networks Nasce nel 1995 “Scrive” gli standards Leader di mercato nella tecnologia di streaming Installati migliaia di server nel mondo Client gratuito

Real Networks Supporto di: Real Media Windows Media QuickTime MPEG4 MPEG4 su 3GPP Utenti mobili UMTS/GPRS Compatibilità con tutti i codec Microsoft

Real Networks Accetta connessioni entranti da Windows Media Encoder. Accetta connessioni entranti da altri encoders MPEG4.

Real Networks Possibilità di backup a caldo delle “connessioni” dei client (redirect) Miglior rapporto prezzo/prestazioni disponibile oggi sul mercato per i server di streaming ad alte prestazioni. La maggior parte delle radio e tv via internet utilizzano questa soluzione.

Real Networks Costi: Media Streaming Starter Kit Include 2990$ content-capture hardware Content-creation tools Helix standard server Linux,Solaris,Win,FreeBSD, AIX, HP-UX PresenterOne Presentazioni sincronizzate con video ed audio Support

Real Networks Componenti specializzati RealMendia Production Bundle 475$ Include Cleaner 5 Support DV RealSystem Edition Helix Real Producer Plus Disponibile WIN9x/NT/2000/XP

Real Networks Server: Helix Universal Server Basic Banda limitata ad 1 Mbit/sec Free (adatto per ambiente di test) Helix Universal Server Banda limitata a 4Mb/sec 1995$ + 800$/year maintenance

Real Networks Server Helix Universal Server Enterprise Internet Mobile 5900$ + maintenance Internet 8500$ + maintenance Mobile Chiedere?!?!?!

Real Networks Media Creation Capture Osprey 100 Osprey 220 video capture card Osprey 220 audio/video capture card Osprey 500 DV Professional analog and digital video and audio capture card

Real Networks Log Gestione automatica dei log con rotazione giornaliera Possibilità di esportare i log verso server esterni Formato dei log standard

Real Networks Player gratuiti Real One SuperPass Real One Player Linux, Macintosh X e 9, Windows Real One Enterprise Desktop Real One Mobile Media Nokia Palm OS Pocket PC Real One SuperPass Player per radio e tv a pagamento

Real Networks Helix Producer Plus Real System Producer Plus 8.51 Disponibile per Linux e Windows 200$ Real System Producer Plus 8.51 Disponibile per Macintosh e Solaris $$$$$?????? Helix Producer Basic Disponibile per Windows Free Formati non modificabili

Fine