Fondamenti di elaborazione multimediale

1. Fondamenti di elaborazione multimediale

2. Scopo del modulo Introdurre aspetti concettuali e tecnici dei sistemi di elaborazione di dati multimediali

3. Sistema multimediale Un insieme di componenti hardware e software che consentono la produzione integrata di più media di diverso tipo.

4. Multimediale Multimediale: un sistema che si avvale di diversi tipi di media I sistemi multimediali digitali sono capillarmente diffusi, per esempio i DVD

5. Proprietà • Proprietà di base dei media digitali: • Facilmente riproducibili • Alta qualità che si mantiene nel tempo • Supporti di dimensioni piccole e facilmente trasportabili

6. Analogico • Una grandezza analogica può assumere, in un dato intervallo, qualsiasi valore numerico. • Es. teperatura

7. Digitale • Una grandezza digitale può assumere, in un dato intervallo, solo determinati valori e non altri • Termometro digitale o analogico?

8. Digitalizzazione - 1 Tutti i media per essere elaborati da un computer devono essere trasformati da quella che è la loro forma naturale, (analogica), in forma "digitale". Questo complesso processo è detto "digitalizzazione".

9. Digitalizzazione - 2 La digitalizzazione consente a segnali reali di essere convertiti in una sequenza di cifre manipolabili da un computer Per contro, l’apparato digitale deve ritrasformare la sequenza di cifre in una forma percepibile dall’uomo (forma analogica).

10. Digitalizzazione - 3

11. Media e percezione Ogni media è fisicamente esprimibile come un segnale: ci sono meccaniche fisiche di generazione, propagazione... Ci interessa capire come deve essere rappresentato un segnale per poter essere ricostruito in modo fedele. Ogni media è destinato all’uomo, che ha un sistema sensoriale specifico (che può essere sfruttato)

12. Media e percezione Tra tutti i media considerati nella composizione di un multimedia, il testo è quello che più facilmente si presta ad una rappresentazione digitale. Tutti gli altri media sono invece in maniera nativa analogici e dunque ci dovremo occupare di come trasformarli in versione digitale e viceversa.

13. Media Discreti • I media discreti sono indipendenti dal tempo e possono essere scomponibili in sequenze di sotto-elementi che non sono temporizzabili. • Il numero di byte necessari a memorizzare un media discreto non ha relazioni con la sua durata. • Es: testo

14. Media continui • I media continui sono dipendenti dal tempo. • Es: audio, video, animazioni • Il segnale varia con il tempo • Il flusso di informazioni corrispondente ad un certo media digitale si misura in bit al secondo (bps, bits per secondo).

15. Segnali • I media sono rappresentati da segnali, funzioni matematiche del tempo o dello spazio. • Un esempio di segnale che varia sia nello spazio che nel tempo è quello che rappresenta il video, • Per esempio dalla funzione f(x,y,t), dove x e y sono le coordinate spaziali e t è il tempo.

16. Digitalizzazione • La digitalizzazione è il processo che trasforma un segnale analogico in segnale digitale. Le operazioni proprie della digitalizzazione sono essenzialmente due: • il campionamento • la quantizzazione.

17. Campionamento Per digitalizzazione di un segnale continuo, si intende la misurazione del valore assunto dal segnale ad intervalli discreti, ricavandone ogni volta un campione. Il numero di campioni in un intervallo di tempo è detto samplingrate, che esprime quante volte al secondo il campionamento è eseguito (frequenza).

18. Esempi di Frequenze

19. Valori reali e valori possibili I valori possibili per i segnali multimediali nel mondo reale sono infiniti (o comunque troppi) Es: quante tonalità di blu ci sono nel cielo? Quando un media viene digitalizzato i valori disponibili sono una quantità finita Ogni segnale digitale è rappresentato da valori "approssimati".

20. Quantizzazione Fissare i possibili valori di un segnale digitale. I livelli di quantizzazione devono essere fissati in modo tale da non alterare in modo sensibile il segnale originale. Es: Se scegliessimo di rappresentare il suono di una ottava di un piano con solo 8 valori, non potremmo rappresentare bemolli/diesis...

21. Audio: la quantizzazione

22. Frequenza e Ampiezza I segnali continui sono onde, descritti da frequenza e ampiezza A e B sono picchi, la frequenza misura il numero di picchi per secondo (Hertz) Ampiezza misura l'energia (A-B)

23. Valore di Nyquist È una frequenza di campionamento Garantisce una ricostruzione fedele (per un essereumano) solo se il segnale è stato campionato ad una frequenza maggiore del doppio della frequenza della componente del segnale di frequenza più alta". Esempio: se una certa onda ha una frequenza massima di 1.000 Hz, allora campionando al doppio, ovvero 2.000 volte al secondo

24. Sottocampionamento • Sottocampionare, ovvero campionare a frequenza minore del valore di Nyquist, significa perdere informazioni e ottenere una ricostruzione del segnale imprecisa. • Le conseguenze sulla percezione finale dipendono dalla natura del segnale • nelle immagini si ottengono bordi confusi, • nel video si nota il fenomeno di movimenti a strappi.

25. Sottoquantizazzione • L’uso di un insufficiente numero di livelli di quantizzazione corrisponde all’incapacità di rappresentare tutte i possibili valori delle ampiezze. • Nelle immagini annulla le differenze tra i colori della figura.

27. Compressione L’obiettivo è quello di generare un file compresso che abbia una dimensione minore del file originale. Compressione con perdita Compressione senza perdita

28. Suoni

29. Suoni • Vibrazioni che si propagano nell’aria sotto forma di onde. • Il numero delle vibrazioni che si propagano al secondo è la frequenza • In base alla frequenza: • Infrasuoni: da 0 a 20 Hz • Udibile: da 20 Hz a 22 KHz • Ultrasuoni: da 22 KHz a 1 GHz • Ipersuoni: da 1 GHz a 10 THz

30. Digitalizzazione • La scheda sonora è un dispositivo che: • in input, collegata ad un microfono, campiona i suoni dall’esterno trasformando il segnale audio analogico in segnale audio digitale. • in output, collegata alle casse, è in grado di • riprodurre audio trasformando il segnale • digitale in segnale analogico.

31. Input/Output audio digitale

32. La digitalizzazione dell’audio Il campionamento (o sampling) avviene misurando il segnale audio analogico ad intervalli discreti. Il numero dei campioni è detto sampling rate.

33. Esempi di Frequenze

34. Audio: la quantizzazione La quantizzazione consiste nel rappresentare ogni campione con un valore prefissato Più grande è il numero di valori numerici possibili (per ogni un campione) e più grande sarà il numero di bit necessari per rappresentarlo.

35. Audio: la quantizzazione

36. Dimensioni: la voce Le frequenze per la voce sono comprese in un intervallo di circa 4.000 Hz; dobbiamo campionare ad una frequenza che sia pari almeno al doppio, cioè a 8.000 Hz, quindi dobbiamo misurare il segnale 8.000 volte al secondo.

37. Dimensioni: la musica Consideriamo che le frequenze per la musica sono tutte quelle udibili comprese in un intervallo di circa 22.050 Hz; secondo il teorema di Nyquist dobbiamo campionare ad una frequenza che sia pari almeno al doppio e cioè a 44.100 Hz, ovvero dobbiamo misurare il segnale 44.100 volte al secondo.

38. Supporti digitali (a tecnologia ottica) I supporti di tipo ottico sono utilizzati per la memorizzazione di dati e sono di grande ausilio come supporti audio e video data la loro enorme capacità di memorizzazione dei dati. Le informazioni in essi contenute vengono memorizzate sottoforma di incisioni su uno strato di materiale in grado di riflettere la luce.

39. CD I Compact Disc (CD) sono supporti ottici di media capacità, disponibili su mercato a partire dagli anni ottanta e largamente utilizzati per memorizzare audio. Le informazioni possono essere memorizzate soltanto su uno solo dei due lati del CD. La capacità tipicamente offerta da questo tipo di supporto è di circa 650 Mbyte, ciò che serve a contenere circa 70 minuti di musica.

40. Compressione Le onde udibili sono in un intervallo di 22KHz Nyquist: dobbiamo campionare almeno 44KHz Quantizziamo a 16 bit (8 sono troppo pochi) In un CD (700M) ci stanno 70 minuti di musica Risulta evidente che i file audio hanno dimensioni molto elevate. Necessità di applicare una forma di compressione, per risparmiare spazio.

41. MPEG MPEG (Moving Picture Experts Group), sioccupa di sviluppare algoritmi di compressione sia per i file audio che per i file video. Compressione percettiva (lossy) elimina informazione che influisce scarsamente sulla qualità della digitalizzazione Vari livelli di compressione: MP3 è il terzo di essi

42. Immagini

43. Immagini • La grafica digitale può essere resa in due differenti modalità: • Le immagini bitmap sono memorizzate attraverso griglie (o matrici) di punti colorati denominati pixel. • Le immagini vettoriali sono invece rappresentate attraverso descrizioni matematiche degli elementi grafici che le compongono

44. Bitmap • L’immagine digitale in formato bitmap è memorizzata come una griglia di NxM di punti • La qualità dell'immagine dipende da: • la sua risoluzione spaziale, che specifica la dimensione della griglia. • la sua risoluzione cromatica, che definisce quanti e quali colori sono utilizzati.

45. Risoluzione spaziale Numero di punti per pollice (dpi, dot per inch) Più è elevato, più è fedele Es: 72dpi

46. Risoluzione cromatica 1 bit per pixel: monocromia 1 byte per pixel: palette di 256 colori 3 byte per pixel: true color (16 milioni)

47. Immagini vettoriali Le immagini vettoriali sono rappresentazioni grafiche definite attraverso descrizioni matematiche degli elementi che le costituiscono. Gli elementi di base della grafica vettoriale bidimensionale sono sostanzialmente elementi geometrici quali: punti, rette, poligoni e curve “particolari”.

48. Immagini vettoriali - esempi

49. Le trasformazioni

50. Bitmap v.s. Vettoriale – 1 Bitmap: si presta meglio alla visualizzazione su video in quanto il monitor è formato da una griglia Bitmap: rende con qualità maggiore immagini con un numero elevato di colori (fotografie) Bitmap: produce immagini piccole solo se si riduce la definizione o il numero di colori, ma proporzionalmente diminuisce anche la qualità