DIGITALIZZAZIONE di AUDIO, IMMAGINI e VIDEO Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Digitalizzazione Qualunque immagine, suono o filmato deve essere in formato digitale per poterlo visualizzare o modificare con un pc o per inserirlo in pagine web. Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Audio digitale Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Rappresentazione del Suono Il suono, trasformato in segnale digitale, occorre che: Sia verosimile al suono originale (che è analogico); Garantisca la possibilità di elaborarlo in modo efficiente con un pc. Vediamo come si passa dal suono (analogico) al segnale digitale Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Rappresentazione analogica Un suono, attraverso un microfono, si trasforma in segnale elettrico visualizzabile con dei segnali continui nel tempo di forma sinusoidale con ampiezza e frequenza variabile Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Rappresentazione digitale Occorre allora trasformare questo segnale in sequenze di bit che conservano l’informazione del suono. Tale operazione si fa attraverso 3 fasi: Campionamento – Quantizzazione - Codifica. Campionamento Quantizzazione Codifica binaria 10001001010001 Segnale analogico Segnale campionato Segnale digitale Segnale quantizzato Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Dal suono al segnale digitale Il convertitore Analogico/Digitale (ADC) alloggiato nella scheda audio consente digitalizzare il segnale proveniente dal microfono 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 Scheda audio PC Converte il segnale elet. in segnale digitale Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Campionamento Il campionamento consiste nel prelevare, ad istanti regolari, un campione dell’ampiezza della curva che rappresenta il suono. Maggiore è il n. di campioni in 1 secondo, più fedele sarà il suono. Si definisce Sampling Rate (SR) la frequenza di campionamento Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Campionamento Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Quantizzazione Quantizzare significa suddividere le ampiezze del segnale (sull’asse Y) in un certo n. di valori, a seconda del n. di bit utilizzati per la codifica (è detta anche profondità di bit). - a 8 bit si hanno 28 = 256 valori, - a 16 bit si hanno 216 = 65356 valori da assegnare alla forma d’onda. Avere un suono stereo richiede, poi, di digitalizzare 2 canali (destro e sinistro). Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

es. di Bit –rate per CD Audio Il BIT-RATE indica il numero di bit per secondo (Kbps) che vengono prodotti dalla digitalizzazione del suono. È anche il flusso di bit che vengono letti dalla scheda audio in 1 sec. Bit-rate=N. di campioni/s * profondità di bit * n. di canali es. di Bit –rate per CD Audio 44.100 campioni * 16 bit * 2 canali = 1,41 Mbps Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Riproduzione del Suono Il processo inverso, che trasforma l’informazione (cioè il segnale elettrico) da digitale ad analogica è svolto dal D.A.C. (Digital to Analog Converter), posto nella scheda audio; 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 della scheda audio Cassa Acustica Trasforma il segnale elettrico analogico in suono Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Campionamento CD Audio L’orecchio umano riesce a udire suoni da 20 Hz a 20KHz con una sensibilità maggiore nell’intervallo tra 2 e 4 KHz (la voce umana in genere varia da 500 Hz a 2KHz) Per il teorema di Shannon-Nyquist la frequenza di campionamento di un’onda sonora deve essere almeno doppia rispetto alla massima frequenza da riprodurre. Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Produzione del Suono Per la voce un campionamento accettabile è di 8 bit a 22 KHz 1 minuto di audio digitale stereo a 44.100 Hz equivalgono a circa 10 Mbyte per questo motivo in un Cd audio trovano posto circa 70 min. di musica. Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Esempi di Digitalizzazioni Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

SW per editing audio Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Produzione del Suono http://www.datadocens.it/insegnare/corso/lezioni/mmedia/suono/01.htm (Esempi di voce e musica campionati a frequenze diverse con le relative occupazioni di memoria) http://www.liuc.it/didattica/econ/program/intra/progetti/g5/audio.htm (codifica MPEGI Audio Layer-3 ovvero MP3) http://sistemi.freeweb.supereva.it/1a/modulo2/incontro2/suono.htm http://www.nemesi.net/audio2.htm (sistema di codifica PCM Pulse Code Modulation. Rappresentazione della forma d’onda. Analisi di Fourier) http://db.accomazzi.net/TarticoliI626.html (grafico di campionamento) http://www.lithium.it/articolo0012p1.html (articolo di facile comprensione sull’audio digitale e sui sistemi di compressione) Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Immagini digitali Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

LA CODIFICA DELLE IMMAGINI Anche le immagini possono essere memorizzate in forma numerica (digitale) suddividendole in milioni di punti, per ognuno dei quali si definisce il colore in termini numerici. Ogni quadratino di questa griglia prende il nome di pixel (picture element). Ad ogni pixel può essere assegnato un valore binario ad es. 0 se nel quadratino prevale il bianco e 1 se nel quadratino prevale il grigio. Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

LA CODIFICA DELLE IMMAGINI 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Contando i quadratini dalla riga in basso e da sinistra, si può assegnare a questa figura geometrica la seguente serie di bit: 0000000000 0111111110 011110000 0110000000 0000000000 Che si memorizza in un file con nome ed estensione, es. rettangolo.bmp Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

LA CODIFICA DELLE IMMAGINI 0000000000 0111111110 011110000 0110000000 0000000000 1 Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

LA CODIFICA DELLE IMMAGINI 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Aumentando il numero dei quadratini, (pixel) in cui scompongo l’immagine la digitalizzazione sarebbe più precisa Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

LA CODIFICA DELLE IMMAGINI Quindi con 1 bit per pixel potrei codificare assenza o presenza di nero. Ma anche le immagini in bianco e nero hanno diverse sfumature (livelli di grigio). Quindi, se usassi 2 bit per descrivere ogni pixel avrei la possibilità di diversificare 4 tonalità di grigio diverse Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

LA CODIFICA DELLE IMMAGINI Assegnando 8 bit (un byte) ad ogni pixel posso differenziare 256 livelli di grigio. E per le immagini a colori? Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

DEFINIZIONE DEI COLORI In ogni punto, per rappresentare un qualsiasi colore dello spettro, è sufficiente definire l’intensità dei 3 colori fondamentali. Il numero di bit utilizzati per rappresentare il colore di un singolo pixel si chiama PROFONDITA’ DEL COLORE Disponendo di un byte per ogni componente di colore, potremo rappresentare 256*256*256 = 16.777.216 colori. Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Bitmap o Raster Ciascun pixel contenuto in una immagine bitmap (mappa di bit) o raster (linee orizzontali tracciate elettronicamente) possiede 4 proprietà fondamentali: Dimensione (Risoluzione) Tonalità Profondità di colore Posizione Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Dimensione-Risoluzione tutti i pixel contenuti in una immagine digitale hanno dimensioni identiche. La loro dimensione è determinata dalla risoluzione alla quale l’immagine viene digitalizzata Es. 600 ppi (points per inch=punti per pollice) indica che ciascun pixel misura 1/600 di pollice (1 pollice = 2,54 cm) Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Risoluzione Risoluzione La 1a immagine vista a differenti risoluzioni Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Alta e Bassa Risoluzione Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Alta e Bassa Risoluzione Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Tonalità I dispositivi di digitalizzazione assegnano un solo colore o valore di grigio a ciascun pixel, l’illusione dei toni continui si ottiene quando i pixel sono piccoli e quelli adiacenti variano leggermente l’uno dall’altro Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Profondità di colore È il numero di bit che viene assegnato a ciascun canale RGB del pixel, ciò determina quanti valori diversi può assumere il colore in quel pixel. Es. con 8 bit per oguno dei colori: Rosso, Verde e Blu si ottengono 224=oltre 16 milioni di colori 2 bit 4 bit 8 bit 24 bit Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Posizione Sono le coordinate di riga e colonna che ne stabiliscono la posizione all’interno della griglia in cui è stata suddivisa l’immagine Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

DEFINIZIONE DEI COLORI Il colore è un’importante informazione per la rappresentazione di una immagine Per poter rappresentare un colore esistono diversi modelli. Indipendentemente dalla natura fisica del colore esistono diversi metodi per la definizione dei colori: HSB (Hue, Saturation, Brightness = Tinta, Saturazione, Brillantezza) RGB (Red, Green, Blue) CMYK (Cyan, Magenta,Yellow e Black) Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Combinazioni di colori-RGB Il più diffuso è il modello RGB, acronimo di Red Green Blue. Tale modello è detto additivo, in quanto sfrutta il fatto che ogni colore è rappresentabile come somma di una certa quantità di rosso, di verde e di blu. I colori fondamentali Red Green Blue sono usati per produrre luminosità, come nell’immagine accanto, dalla cui massima combinazione deriva il bianco (usato, ad es., per i colori su monitor) Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Combinazioni di colori-RGB Grigio scuro 30 Blu 255 Verde Rosso Nero Bianco Colori risultanti 3°byte blu 2° byte verde 1° byte Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Combinazioni di colori-CMYK Oppure i colori utilizzati possono essere il Ciano Magenta e Giallo (CMY) usati per sottrarre luminosità, come nel caso della combinazione, dalla cui massima combinazione deriva il nero (usato, ad esempio, per produrre delle stampe su carta). Per esaltare il colore nero, alle stampanti si aggiunge una cartuccia di colore nero=BlaK a ciano, magenta e giallo, da cui lo standard CMYK Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Il modello HSB Nel modello HSB ogni colore è espresso da 3 numeri che indicano: tinta, saturazione e luminosità. La Tinta (Hue, pronnucia=hiu), esempio: rosso, giallo, verde, blu, viola, ecc... , viene espressa in valori compresi tra 0° e 360° misurato sulla ruota dei colori, partendo dal rosso a 0° e 360°, il giallo a 120° e cosi via. La Saturazione è la quantità di colore: - saturazione bassa = colori pastello, - saturazione alta = colori accesi. - Viene compresa fra 0 (assenza di colore) e 255 (colore pieno). La Luminosità è la quantità di bianco presente nel colore. Può essere aumentata aggiungendo più bianco oppure diminuita aggiungendo più nero. I valori della luminosità vanno da 255 (bianco) a 0 (nero). Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

DEFINIZIONE DEI COLORI Poiché si utilizzano 3 byte per rappresentare ogni pixel, queste immagini vengono definite a 24 bit. Una immagine a colori di 100x100 pixel avrà bisogno di 100 x 100 x 3 byte = 30.000 byte di memoria. Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Differenti scale di colori B/N 1 canale 1 bit per canale b/n 81 kbyte Scala di grigi 1 canale 8 bit 256 toni di grigio 638 Kbyte Scala di colore 1 canale 8 bit 256 colori 638 Kb RGB 3 canali 8 bit 16 mil. Di colori 1870 Kb CMYK 4 canali, 8 bit per canale 2490 Kb Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Risoluzione delle immagini La Risoluzione di un’immagine rappresenta il numero di punti, calcolato come Numero Colonne x Numero Righe, la (es. 640x480). La risoluzione può venire espressa, però, anche in: ppi (point per pollice) o dpi (dot per inch) (es. 300 dpi) Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Bitmap e Risoluzione Il formato di rappresentazione per punti che abbiamo visto è definito BITMAP (o RASTER). È particolarmente adatto per riprodurre fotografie, dipinti e tutte le immagini per le quali ogni punto è significativo e deve essere descritto da un singolo elemento indipendente. Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Immagini Vettoriali Per immagini più simili a disegni che a fotografie, è possibile definire la figura in termini matematici: oggetti geometrici di base, quali curve, cerchi, ellissi, rettangoli, linee, ecc.. Tale tipo di rappresentazione d’immagini si definisce vettoriale. In tale formato è presente tutta l’informazione necessaria a riprodurre l’immagine, a prescindere dalle dimensioni, pertanto si elimina il problema legato al rapporto tra risoluzione e definizione (per ingrandire o ridurre si agisce sulle coordinate). In più avrà un minor ingombro di memoria. Il formato vettoriale non si presta per rappresentare immagini composte da continue variazioni di colore, quali ad esempio le fotografie. Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Formati dei File Grafici I principali “formati” dei file grafici suddivisi in 2 categorie fondamentali: I formati adatti alla stampa (.tif o .tiff, .eps, ) I formati per la multimedialità e la visione in rete (.jpg o .jpeg, .gif, .bmp) http://www.fileinfo.com/filetypes/raster_image http://www.fileinfo.com/filetypes/vector_image Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Formati per la stampa - TIFF TIFF (.tif) Tagged Image File Format Si tratta di un formato molto versatile che permette di salvare le immagini in varie modalità: bianco e nero, scala di grigio, colori RGB, colori CMYK. Si può inoltre usare un sistema di compressione non distruttiva, che non elimina alcuna informazione né degrada la qualità dell’immagine chiamato LZW (Lempel-Ziv-Welch) e che riduce le dimensioni del file di circa il 50% Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Formati per la stampa-EPS EPS (.eps) Encapsulated PostScript File Impiegato inizialmente per i disegni vettoriali si è poi diffuso come standard anche per le immagini raster. Deriva dal linguaggio per stampanti PostScript Include nel file una anteprima, che può essere utile ma ne aumenta le dimensioni. Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Formati dei File Grafici- JPG Formati per Internet e la multimedialità: JPEG (.jpg, .jpeg) Joint Photographic Expert Group Ha una compressione con ”perdita di dati” La sua principale caratteristica è quella di poter scegliere il livello di compressione e di modulare quindi il rapporto tra qualità dell’immagine e dimensioni del file. Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Formati dei File Grafici- JPEG Compressione distruttiva significa che ad ogni nuovo salvataggio del file si produce una ulteriore compressione, e un ulteriore deterioramento dell’immagine. È riconosciuto dalla maggioranza dei sw di elaborazione e costituisce uno standard web per le immagini fotografiche. Per le sue caratteristiche viene utilizzato come formato finale e non si presta a successive elaborazioni. L’algoritmo che adotta, opera per differenze su aree, quindi può riprodurre fedelmente, con ottimi rapporti di compressione, immagini con gradazioni e sfumature di colore, o ad “alto rumore” mentre risulta particolarmente distruttivo ed inadeguato nella rappresentazione di campiture uniformi. 1° Salvataggio 2° Salvataggio 3° Salvataggio le scritte sono inadatte al jpeg Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Formati dei File Grafici- GIF Formati per Internet e la multimedialità: GIF (.gif) - Graphics Interchange Format È un formato relativamente povero, in quanto riduce a 256 la gamma dei colori, utilizzando una codifica che si basa sul’uso di una PALETTE Trova largo uso in Internet per la rappresentazione di elementi grafici come pulsanti, scritte, logo e animazioni. Permette inoltre di rendere gli oggetti “trasparenti” e di poterli quindi integrare con gli sfondi di una pagina web. Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Formati dei File Grafici- BMP Formati per Internet e la multimedialità: BMP (.bmp) - Bitmap Sviluppato per essere compatibile con tutte le applicazioni Windows. Può salvare in b/n , in scala di grigi, in scala di colore e in RGB, ma non in CMYK. Non essendo dotato di compressione produce file di dimensioni consistenti. Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Ma tutto questo verrà approfondito in altra occasione VIDEO E ANIMAZIONI Per rappresentare una sequenza di immagini si possono memorizzare tutti i fotogrammi uno dietro l’altro. Oppure, per ridurre la quantità di informazioni del filmato, si può memorizzare il primo fotogramma e poi registrare solo le modifiche rispetto ai fotogrammi precedenti. È inoltre possibile comprimere le informazioni residue ignorando le variazioni di colore così piccole da non poter essere colte dall’occhio umano in un’immagine in movimento. Ma tutto questo verrà approfondito in altra occasione Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO

Grazie per la cortese attenzione !!! Fine Grazie per la cortese attenzione !!! Novembre 2012 ing Roberto SPEDICATO