Laboratorio per l’Elaborazione MultiMediale Lezione 1 - Introduzione al corso

Introduzione 

Gli strumenti 

Laboratorio per l’Elaborazione 

MultiMediale 

Lezione 1 - 

Introduzione al corso 

Prof. Michele Scarpiniti 

Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione, Elettronica e Telecomunicazioni 

“Sapienza” Università di Roma 

http://ispac.ing.uniroma1.it/scarpiniti/index.htm 

michele.scarpiniti@uniroma1.it 

M. Scarpiniti Laboratorio per l’Elaborazione MultiMediale Lezione 1 - Introduzione al corso 1 / 44


Gli strumenti 

1 Introduzione 

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2 Gli strumenti 

Software per la produzione di filtri (e/o applicativi) 

Software multimediale 


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Gli strumenti 

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Programma del Corso 



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Generalità e Obiettivi del Corso 

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L’obiettivo del corso è quello di fornire gli elementi base delle moderne tecniche 

utilizzate per l’elaborazione multimediale. In particolare viene insegnato, 

attraverso l’uso di software di simulazione ad alto livello, la generazione, 

l’elaborazione e l’archiviazione del segnale con contenuto informativo. Lo 

studente acquisisce l’uso di software come MATLAB, NU-Tech, Pure Data, 

EyesWeb, Max/Msp. Verrà acquisito, inoltre, l’utilizzo elementare di librerie 

software in C++ per lavorare con segnali multimediali: PortAudio e 

OpenCV. 

L’attività di laboratorio, inoltre, migliora la comprensione dello studente su 

concetti già noti da altri corsi. 



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Programma di massima del Corso 

In sintesi il programma di massima del corso è articolato come segue: 

1 Le motivazioni dell’elaborazione multimediale. 

2 I formati dei file multimediali. 

3 Tecniche di pre-processing. 

4 Tecniche di filtraggio e il bacno filtri. 

5 Simulazione della risposta impulsiva di una stanza. 

6 Il MATLAB come piattaforma per l’elaborazioni di segnali 

audio/video. 

7 Il C/C++ come linguaggio per l’elaborazione multimediale. 

8 Effetti digitali (riverbero, chorus, flanger). 

9 Audio restoration. 

10 La separazione di sorgenti. 

11 NU-Tech; Pure Data; EyesWeb; Max/Msp. 

12 PortAudio e OpenCV. 

13 Real-time single-board systems: Arduino e Rasberry Pi. 


Testi del Corso 


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Dispense a cura del docente. 

MATLAB 7: Getting Started Guide, reperibile on-line: 

http://www.mathworks.com/access/helpdesk/help/pdf_doc/matlab/ 

getstart.pdf. 

Complementi: 

T. A. Davis, “MATLAB Primer”, 8-th edition, CRC Press, 2010. 

D. M. Smith, “Engineering Computation with MATLAB”, 2-nd edition, 

Addison-Wesley,2010. 

A. Gilat, “MATLAB: An Introduction with Applications”, Wiley, 2008. 

A. Knight, “Basics of MATLAB and Beyond”, CRC Press, 1999. 

A. D. Poularikas, “Signals and Systems Primer with MATLAB”, CRC 

Press, 2006. 

A. D. Poularikas, Z. M. Ramadan, “Adaptive Filtering Primer with 

MATLAB”. CRC Press, 2006. 



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Prerequisiti, frequenza e modalità di esame 

Settore Scientifico-Disciplinare (SSD): ING-IND/31 

(Elettrotecnica). 

Inquadramento e crediti: MCOR; Secondo anno; Secondo semestre. 

6 CFU. 

Prerequisiti: conoscenze di base di Elaborazione Numerica dei 

Segnali. 

La frequenza è fortemente consigliata. 

Modalità di esame: Tesina: lo studente deve dimostrare di saper 

implementare un algoritmo di quelli studiati, consegnando un 

elaborato. 




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Negli ultimi anni si è assistito alla sempre maggiore necessità di elaborare 

il segnale cosidetto “multimediale”, con sistemi multimediali. Ma cosa 

significa questo termine? 

Definizione 

Il temine multimediale indica l’insieme di diversi tipi di “media”, cioè 

“mezzi”, quali testi, suoni, immagini ferme e immagini in movimento. 

Definizione 

Si definisce sistema multimediale un sistema in grado di elaborare il 

segnale multimediale, cioè un sistema che si avvale di diversi tipi di media. 

Esempi di multimedia sono un libro, un CD-ROM, un film, ecc., mentre 

esempi di sistemi multimediali sono il televisore, un i-Pod, un computer, 

un moderno telefonino cellulare, ecc. 



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Storia del termine Multimediale 

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Il termine “multimedia” è stato coniato da Bob Goldstein per promuovere l’apertura, 

nel luglio 1966, del suo spettacolo “LightWorks at L’Oursin” a Southampton, 

Long Island. Il 10 agosto 1966, Richard Albarino della rivista Variety ha preso in 

prestito la terminologia, citando: 

“L’invenzione dell’autore comico Bob Goldstein, il ’Lightworks’, è l’ultima trovata 

multimediale di musica-con-visualizzazioni che diventerà abitudinaria in 

discoteca.” a . 

a Tratto da Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Multimedia 

Due anni più tardi, nel 1968, il termine “multimedia” 

è stato nuovamente adoperato per descrivere 

il lavoro di un consulente politico, David Sawyer, 

marito di Iris Sawyer, uno dei maggiori produttori 

di Goldstein a L’Oursin. 



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Storia del termine Multimediale 

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Nei successivi quarant’anni, la parola ha assunto diversi significati. 

Nel 1970 il termine fu usato per indicare le presentazioni effettuate con proiettori 

multipli per diapositive e traccia audio. Tuttavia, solo negli anni ’90 il termine 

“multimedia” ha acquisito il suo significato attuale. La società per l’uso della 

lingua tedesca, Deutsche Gesellschaft für Sprachgebrauch, ha deciso di riconoscerle 

questo significato, assegnandole il titolo di “Word of the Year” nel 1995. L’istituto 

ha riassunto la sua decisione affermando: “ Multimedia” è diventata una parola 

centrale nel nuovo meraviglioso mondo dei media”. 

Nell’uso comune, il termine multimediale si riferisce a una combinazione dei mezzi 

di comunicazione elettronica, compresi video, immagini, audio, testo, e la 

possibilità di accerdervi in modo interattivo. Gran parte dei contenuti sul web oggi 

rientra in questa definizione, come è intesa da milioni di persone. 

Alcuni computer che sono stati commercializzati negli anni novanta sono stati 

chiamati “multimediali”, perché equipaggiati con un lettore di CD-ROM, che ha 

permesso la visualizzazione di diverse centinaia di megabyte di video, foto, audio e 

dati. 


Di cosa ci occupiamo? 


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Gli strumenti 

Per noi, l’elaborazione multimediale consistene costruire dei semplici algoritmi 

di processamento (inclusi quelli di pre- o post-processing) per l’elaborazione 

(cioè il filtraggio, la classificazione, la separazione) dei segnali audio, 

di immagini e video. 

Inoltre verranno illustrati alcuni esempi applicativi: un equalizzatore 

parametrico, un semplice sintetizzatore, un misuratore di livello 

sonoro, un segmentatore di immagini, un face detector. 

Tutte le soluzioni proposte saranno implementate in MATLAB e/o in 

C/C++. 

Infine, se ci sarà tempo, verrà fatto un breve cenno alla 

programmazioni di algoritmi per i sistemi operativi Mobile (Symbian, 

Android, i-Phone OS, ecc.). 


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Gli strumenti software che adopereremo sono suddivisi in due classi: 

1 Software per la produzione di filtri (e/o applicativi): 

il MATLAB R○; 

il C/C++; 

il Java; 

il Python; 

2 Software multimediale: 

NU-Tech; 

Pure Data o PD; 

EyesWeb; 

Max/MSP. 



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Le attrezzature e i luoghi 

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Le attrezzature hardware che verranno adoperate sono le seguenti: 

1 PC per lo sviluppo software; 

2 scheda audio professionale per interfacciarsi con i microfoni; 

3 Kinect, per l’utilizzo congiunto di audio e video; 

4 Arduino, per il controllo di sensori e attuatori; 

5 Raspberry Pi, un microcalcolatore per l’elaborazione e il controllo di 

sensori e attuatori. 

Le sedi del corso saranno fondamentalmente: 

1 l’aula: per le parti più teoriche; 

2 il laboratorio ISPAMM: per le parti più pratiche. 



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Il Laboratorio ISPAMM 

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Il Laboratorio ISPAMM situato al primo piano, è fornito di diverse workstation, 

un sistema di acquisizione multi-canale, un array microfonico da 

8-16-32-64 sensori e un array di 8 diffusori. Su ogni workstation è installato 

diverso software utile: Matlab, alcune librerie DSP proprietarie, compilatori 

C/C++ e Delphi. Per gli studenti dei corsi di DSP o per i tesisti sono anche 

disponibili alcuni DSP. 

Le attività di ricerca del laboratorio includono: Machine Learning for 

Signal Processing, Adaptive Audio Array Processing, Blind Signal 

Processing, Audio Processing and Computer Music, Neural Networks for 

Signal Processing, Optimization Algorithms for Machine Learning, Particle 

Filtering. 


La Kinect 


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La Kinect è un dispositivo della 

Microsoft R○, inizialmente nato come 

interfaccia della XBOX 360 che consente 

di giocare senza l’uso di strumenti, 

essendo sensibile al movimento 

del corpo umano. A partire dal 1 

febbraio 2012 Microsoft ha reso disponibile 

una versione speciale della 

periferica per i PC dotati del sistema 

operativo Windows 7, connessa 

attraverso la porta USB. E’ inoltre 

possibile scaricare i driver della 

periferica, così come l’SDK di sviluppo 

dal seguente sito: http:// 

kinectforwindows.org. 


La Kinect 


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La Kinect è dotata di: 

1 una telecamera RGB, con 

risoluzione 640 x 480 pixel; 

2 un doppio sensore di 

profondità a raggi infrarossi 

composto da un proiettore a 

infrarossi e da una telecamera 

sensibile alla stessa banda, con 

risoluzione 320 x 240 pixel; 

3 un array microfonico a 4 

canali; 

4 un motore per i movimenti 

verticali (tilt). 

Emettitore IR 

Array microfonico 

Telecamera 

nel visibile 

Telecamera IR 

Motore del Tilt 


Arduino 


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Arduino è una piccola scheda 

equipaggiata con un microcontrollore e 

una circuiteria di contorno, utile per 

creare rapidamente prototipi. Con 

Arduino si possono realizzare in maniera 

relativamente rapida e semplice, piccoli 

dispositivi per il controllo di sensori e 

attuatori. 

Completamente italiano, il progetto di 

Arduino è stato sviluppato presso 

l’Interaction Design Institute, un istituto 

di formazione post-dottorale con sede a 

Ivrea, fondato da Olivetti e Telecom 

Italia. Il nome della scheda deriva da 

quello di un bar di Ivrea frequentato da 

alcuni dei fondatori del progetto. 


Arduino Uno 


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La scheda più comune e diffusa della 

famiglia Arduino è sanz’altro Arduino 

Uno, equipaggiato di un 

micro-controllore ATmega328P della 

Atmel. E’ poi presente una porta USB 

per interagire con il PC e caricare il 

software e vari connettori per l’I/O, in 

particolare: 

1 14 connettori per l’I/O digitale 

(numerati da 0 a 13); 

2 6 connettori specificamente dedicati 

a ingressi di segnali analogici 

(collegati quindi ad una ADC). 

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L’ambiente di sviluppo integrato (IDE) 

di Arduino è un’applicazione 

multipiattaforma scritta in Java, che 

include un editore di testo dotato di 

syntax highlighting, il controllo delle 

parentesi e indentazione automatica. 

L’editor è inoltre in grado di compilare e 

lanciare il programma eseguibile in una 

sola passata e con un solo click. 


Raspberry Pi 


Gli strumenti 

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Raspberry Pi è un calcolatore completo 

su singola board che incorpora un 

processore ARM1176JZF-S a 700 

MHz, una GPU VideoCore IV, e 512 MB 

di memoria. Il progetto non prevede né 

hard disk né una unità a stato solido, 

affidandosi invece a una scheda SD per il 

boot e per la memoria non volatile. 

Sono anche in vendita dei case di 

plastica per proteggere la scheda. Il 

tutto con dimensioni paraganabili a 

qualle di un pacchetto di sigarette. 


Raspberry Pi 


Gli strumenti 

Raspberry Pi ha molte interfacce per la 

comunicazione esterna. In particolare sono 

presenti: 

1 micro USB per l’alimentazione; 

2 slot SD per il sistema operativo; 

3 porta ethernet per il collegamento 

LAN; 

4 2 porte USB; 

5 audio out stereofonico; 

6 connettore RCA video; 

7 connettore HDMI; 

8 connettore GPIO (General Purpose 

I/O), un’utile interfaccia con 

dispositivi e periferiche esterne; 

9 bus I 2 C (Inter Integrated Circuit), un 

sistema di comunicazione seriale. 

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Il C/C++ 


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Il C è un linguaggio di programmazione (compilato) molto efficiente, grazie 

alla sua flessibiltà e velocità di esecuzione. Per questo motivo si è imposto 

come linguaggio di riferimento per la realizzazione di software di sistema su 

gran parte delle piattaforme hardware moderne. La standardizzazione del 

linguaggio (da parte dell’ANSI prima e dell’ISO poi) garantisce la portabilità 

dei programmi scritti in C (standard, spesso detto ANSI C) su qualsiasi 

piattaforma. 

In seguito il C è stato esteso, con l’aggiunta della programmazione orientata 

agli oggetti, al C++. È possibile scrivere programmi C validi anche come 

programmi C++, anche se il C non è un sottoinsieme del C++ nel senso 

più stretto della parola. 

Sono disponibili diversi compilatori gratuiti. Un ottimo applicativo, fornito 

di interfaccia grafica (IDE) è il compilatore Dev C++ che può essere 

scaricato gratuitamente dal seguente link: 

http://www.bloodshed.net/devcpp.html 


Il C/C++ 


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Elenchiamo i vantaggi e gli svantaggi del C/C++: 

Vantaggi: 

1 molto flessibile e general purpose; 

2 molto veloce in esecuzione; 

3 portabile. 

Svantaggi: 

1 tempi di sviluppo lunghi; 

2 richiede compilazione. 


Il C/C++: un esempio 


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Riportiamo un semplice esempio: la somma di due numeri interi. 

#include 

int main() 

{ 

int somma; 

int num1; 

int num2; 

} 

printf("Inserisci il primo valore: "); 

scanf("%d", &num1); 

printf("Inserisci il secondo valore: "); 

scanf("%d", &num2); 

somma = num1 + num2; 

printf("La somma dei due numeri e’ la seguente: %d\n", somma); 



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Il C/C++: PortAudio e OpenCV 



In C/C++ esistono diverse librerie che mettono a disposizione metodi utili 

all’elaborazione multimediale. In particolare si citano le seguenti due: 

1 PortAudio: che mette a disposizione metodi per leggere e scrivere 

file audio, registrare e riprodure suoni, interfacciarsi con le schede 

audio, ecc. 

2 OpenCV: che mette a disposizione metodi per leggere e scrivere file 

di immagini o file video, registrare e riprodure video, interfacciarsi con 

le schede video, ecc. 


Il MATLAB R○ 


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Il MATLAB R○ (abbreviazione di Matrix Laboratory) è un ambiente per il calcolo 

numerico, particolarmente adatto al calcolo vettoriale. 

Cenni storici 

Abbreviazione di “MATrix LABoratory”, MATLAB fu creato alla fine degli anni ’70 da 

Cleve Moler, direttore del dipartimento di scienze informatiche dell’Università del 

Nuovo Messico. Egli creò MATLAB per dare ai suoi studenti accesso alle librerie 

LINPACK e ad EISPACK senza che essi dovessero conoscere il Fortran. Presto si 

diffuse nelle altre Università e trovò un grande pubblico tra la comunità dei matematici 

applicati. Jack Little, un ingegnere, conobbe il programma durante una visita a Moler 

all’Università di Stanford nel 1983. Riconoscendo il suo potenziale commerciale, si unì 

con Moler e Steve Bangert. Essi riscrissero MATLAB in C e fondarono la The 

MathWorks nel 1984 per continuare il suo sviluppo. a 

a Tratto da Wikipedia: http://it.wikipedia.org/wiki/MATLAB 

Maggiori informazioni su Matlab R○ possono essere ottenute dal seguente sito: 

http://www.mathworks.it/ 


Il MATLAB R○ 


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Elenchiamo i vantaggi e gli svantaggi del MATLAB R○: 

Vantaggi: 

1 molto flessibile per il calcolo vettoriale; 

2 molto facile (quasi immediato) da programmare. 

Svantaggi: 

1 tempi di esecuzione molto lenti; 

2 evitare i cicli for. 



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Il MATLAB R○: un esempio 



Riportiamo un semplice esempio: carico in memoria una matrice (salvata nel file 

A.mat), la inverto nella variabile B e faccio il prodotto matriciale di A per B, 

salvando il risultato nella variabile C. 

>> load A 

>> B=inv(A); 

>> C=A*B 

C = 

>> 

1.0000 -0.0000 0 

0 1.0000 0 

0 0 1.0000 


Il Java 


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Il Java è un linguaggio di programmazione orientato agli oggetti. La piattaforma 

di programmazione Java è fondata sul linguaggio stesso e sulla Macchina virtuale 

Java (Java Virtual Machine o JVM). 

Java venne creato per soddisfare quattro scopi: 

1 essere completamente orientato agli oggetti; 

2 essere indipendente dalla piattaforma; 

3 contenere strumenti e librerie per il networking; 

4 essere progettato per eseguire codice da sorgenti remote in modo sicuro. 

Per facilitare il passaggio a Java dei programmatori legati in particolare a linguaggi 

come il C, la sintassi di base è stata mantenuta pressoché identica a quella del C. 

Diverse sono le soluzioni per scrivere programmi in Java. Un ottimo prodotto, 

compilatore più IDE, è Eclipse che può essere scaricato on-line dal seguente link: 

http://www.eclipse.org/ 


Il Java 


Gli strumenti 



Elenchiamo i vantaggi e gli svantaggi del Java: 

Vantaggi: 

1 abbastanza flessibile e general purpose; 

2 indipendente dalla piattaforma; 

3 applicativi per il web. 

Svantaggi: 

1 tempi di sviluppo lunghi; 

2 tempi di esecuzione non brevissimi. 


Il Java: un esempio 


Gli strumenti 



Riportiamo un semplice esempio: il programma “Hello World”. 

public class HelloWorld { 

public static void main(String[] args) { 

System.out.println("Hello World"); 

} 

} 


Il Python 


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Il Python è un linguaggio di programmazione ad alto livello, orientato agli oggetti, 

adatto per sviluppare applicazioni distribuite, scripting, computazione numerica e 

system testing. Fu ideato da Guido van Rossum all’inizio degli anni novanta. Il 

nome fu scelto per via della passione di van Rossum per i Monty Python e per la 

loro serie televisiva Monty Python’s Flying Circus. 

Il Python è un linguaggio multi-paradigma, che fa della dinamicità, semplicità e 

flessibilità i suoi principali obiettivi. Supporta il paradigma object oriented, la programmazione 

strutturata e molte caratteristiche di programmazione funzionale. Le 

caratteristiche più interessanti sono le variabili non tipizzate e l’uso dell’indentazione 

per la definizione dei blocchi. Altre caratteristiche distintive sono l’overloading 

di operatori e funzioni, la presenza di un ricco assortimento di tipi e funzioni di 

base e librerie standard. 

Diverse sono le soluzioni per scrivere programmi in Python. Un ottimo punto di 

partenza è fornito dal portale ufficiale: 

https://www.python.org/ 


Il Python 


Gli strumenti 



Elenchiamo i vantaggi e gli svantaggi del Python: 

Vantaggi: 

1 abbastanza flessibile e general purpose; 

2 indipendente dalla piattaforma; 

3 orientato agli oggetti. 

Svantaggi: 

1 tempi di esecuzione non brevissimi. 


Il Python: un esempio 


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Riportiamo un semplice esempio: il calcolo delle prime cinque potenze del 2. 

numeri = [1, 2, 3, 4, 5] 

def potenza_di_due(numeri): 

for n in numeri: 

yield 2 ** n 

gen = potenza_di_due(numeri) 


NU-Tech 


Gli strumenti 



Il NU-Tech è una piattaforma orientata agli scenari real-time, dove è essenziale 

un controllo sul tempo di esecuzione e la latenza. 

E’ disponibile per il download, dopo registrazione, dal sito: http://www. 

nu-tech-dsp.com/. 

In sintesi: 

NU-Tech è una potente piattaforma software per l’implementazione 

real-time di algoritmi DSP in scenari multicanale; 

NU-Tech lavora su un comune PC; 

NU-Tech si basa su una semplice architettura di plug-in che 

consente all’utente di connettere tra loro blochhi specifici; 

Ciascun blocco (chiamato NUTS) viene creato precedentemente in 

linguaggio C++; 

Un’interfaccia ASIO 2.0 consente di controllare con precisione i 

tempi di latenza. 



Gli strumenti 

NU-Tech: esempio di interfaccia 




Pure Data o PD 


Gli strumenti 



Il Pure Data (o PD) è un ambiente di sviluppo grafico, sviluppato da Miller 

Puckette nel 1990, per la composizione di computer music interattiva o altre 

opere multimediali. E’ completamente open-source e può essere scaricato 

dal sito: http://puredata.info/. 

E’ un ambiente modulare: aggiungendo blocchetti di base (oggetti o externals), 

che possono essere sviluppati in C o Python, è possibile elaborare in 

real-time audio, immagini, video, ecc. 

Pure Data è la base di molti progetti di ricerca, utilizzato come prototipo 

di linguaggio per motori musicali; è stato anche utilizzato come motore 

audio per videogames (ad esempio Spore). PD viene anche utilizzato per 

le performance musicali in rete. 



Gli strumenti 

Pure Data: esempio di interfaccia 




EyesWeb 


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Il software EyesWeb è simile a Pure Data, con un’interfaccia più accattivante, 

ma meno potente. E’ stato sviluppato dall’InfoMus Lab del Dipartimento 

di Informatica, Sistemistica e Telematica dell’Università 

di Genova. E’ completamente open-source e può essere scaricato dal sito: 

http://www.infomus.org/EywMain.html. 

Anche EyesWeb è un ambiente modulare: aggiungendo blocchetti di base, 

gli oggetti, è possibile elaborare in real-time audio, immagini, video, ecc. 

Lo scopo del porgetto EyesWeb è quello di progettare interfaccie 

multimodali interattive e real-time. E’ usato soperatutto da musicisti e 

artisti. 



Gli strumenti 

EyesWeb: esempio di interfaccia 




Max/MSP 


Gli strumenti 



Il Max/MSP è un ambiente di sviluppo grafico per la musica e la multimedialità 

ideato ed aggiornato dall’azienda di software Cycling ’74. È utilizzato 

da oltre quindici anni da compositori, esecutori, progettisti software, 

ricercatori e artisti interessati a creare software interattivo. 

Lo stesso applicativo Max/MSP è altamente modulare: la maggior parte 

delle sue routines esiste in forma di libreria condivisa. Una API permette a 

terze parti lo sviluppo di nuove routines (chiamate external objects). 

Max fu scritto originariamente da Miller Puckette, a metà degli anni ’80, 

per permettere ai compositori l’accesso a un sistema “creante” nell’ambito 

della musica elettronica interattiva, lo stesso che diede vita a Pure Data. 

Diversamente da quest’ultimo il Max è un sistema prorietario e l’attuale 

versione commerciale è Max/MSP. 



Gli strumenti 

Max/MSP: esempio di interfaccia 




Bibliografia 


Gli strumenti 



Matlab 

MATLAB 7: Getting Started Guide. 

Available on-line: 

http://www.mathworks.com/access/helpdesk/help/pdf_doc/matlab/getstart.pdf 

T.A. Davis. 

MATLAB Primer. 

8-th Edition, CRC Press, 2010.. 

H. Schildt. 

La Guida Completa C++. 

McGraw-Hill, 2003. 

G. Bradski and A. Kaehler. 

Learning OpenCV 

O’Reilly, 2008.

Laboratorio per l’Elaborazione MultiMediale Lezione 1 - Introduzione al corso

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