Videoscrittura-immagini-digitali (pdf) - Fisica

Corso di Laurea in
Fisica
Informatica I per la
Fisica
Lezione 14: Software applicativo

Software:
software di sistema (BIOS) ROM
sistema operativo Dischi
software applicativo Dischi, CDRom, DVD
•wordprocessor (programmi che permettono di elaborare testi),
•programmi di fotoritocco per la elaborazione delle immagini digitali
•programmi per la elaborazione dei suoni e dei prodotti multimediali
•spreadsheet (o fogli elettronici per la elaborazione dei dati),
•data base (programmi per la gestione di archivi di dati)

Elaborare testi
La composizione e stampa di testi mediante l’ausilio di una
macchina ha ricoperto un ruolo importante nella storia del
computer.
La tecnologia ha percorso due strade parallele: macchine
per scrivere sempre più sofisticate da un lato e
PC utilizzati come sistemi di videoscrittura.

I vantaggi dei sistemi di videoscrittura
- possibilità di memorizzare un testo scritto per usi futuri
- possibilità di editare il testo più volte
- possibilità di trasmissione del testo
- possibilità di modificare le modalità di stampa/visualizzazione
Disaccoppiare: - contenuto informativo (solo testo)
- modalità di visualizzazione (impaginazione)

Disaccoppiare: - contenuto informativo (solo testo)
- modalità di visualizzazione (impaginazione)
Editor
•L’editor è un programma applicativo che consente la
scrittura di testi e la loro conservazione su supporto di
memoria di massa.
•In genere il formato con cui i testi vengono memorizzati
dall’editor è il cosiddetto formato “di solo testo”. Con questa
espressione si intende dire che vengono memorizzati in un
file i soli caratteri che costituiscono la battitura dell’utente.
Questo tipo di file di solito porta un nome caratterizzato
dalla estensione .txt
In genere uno o più Editor fanno parte dei programmi di utilità di un S.O.

Disaccoppiare: - contenuto informativo (solo testo)
- modalità di visualizzazione (impaginazione)
I misteri dell’impaginazione
Gli attributi di testo servono a presentare il
contenuto sul foglio stampato, in modo da
guidare più agevolmente la comprensione da
parte del lettore.

I misteri dell’impaginazione
Come conservare queste informazioni assieme al testo?

I formati “ricchi”
Il formato RTF (Rich Text Format).
Questo formato consente di memorizzare insieme al testo anche informazioni
circa le proprietà di cui abbiamo appena discusso.
Questa memorizzazione avviene aggiungendo al testo una serie di istruzioni
(dette in gergo “tag”) che specificano il modo in cui il testo deve essere
presentato.
L’RTF è un esempio di una classe di “linguaggi di marcatura”, ovvero di
standard di organizzazione dei contenuti testuali.
Altri esempio di linguaggi di marcatura sono lo standard Post Script (detto PS e
EPS) ed il ben più famoso HTML, utilizzato nel WEB.
A mo’ di esempio consideriamo il tag RTF che codifica lo stile grassetto:
{\b Il testo contenuto entro queste parentesi è in grasseto.}
Risultato:
Il testo contenuto entro queste parentesi è in grasseto.

Il Word Processor
Un word processor è almeno tre cose contemporaneamente:
1. un editor di testo
2. uno strumento che consente di presentare il testo sulla
pagina con tutti gli attributi
3. uno strumento che consente di effettuare ricerche ed
elaborazioni sul testo

Il Word desktop publisher
Il fratello maggiore del word processor si chiama desktop
publisher (dall’inglese. Una specie di “pubblicatore da scrivania”,
il “tipografo portatile”, …)
Una vera e propria applicazione per l’impaginazione di testi, pronti
per la stampa.

Immagini digitali
Un’immagine stampata è composta da milioni di puntini colorati.
Vista da vicino ci appare come un’accozzaglia disordinata di
puntini il cui effetto collettivo è però quello di comporre l’illusione
ottica che chiamiamo immagine.
Un’immagine digitale è simile ad un’immagine stampata. L’unica
differenza è che i puntini, anziché essere disposti casualmente si
trovano distribuiti in modo ordinato su di una griglia e l’immagine
altro non è che un insieme di bit.
I “puntini” dell’immagine digitale si chiamano pixel, contrazione
di due parole inglesi: picture + element (immagine + elemento).

Immagini digitali
I “puntini” dell’immagine digitale si chiamano pixel, contrazione
di due parole inglesi: picture + element (immagine + elemento).

Digitalizzazione
La trasformazione da immagine stampata a digitale si chiama
digitalizzazione.
Ci sono molti buoni motivi per cui è desiderabile digitalizzare
un’immagine.
Tra questi: l’immagazzinamento
la conservazione
la elaborazione (o fotoritocco)
la trasmissione da un posto ad un altro

Digitalizzazione
Griglia di campionamento
Algoritmo di digitalizzazione:
se sup(r,c) nera > sup(r,c) bianca allora C(r,c) = 1
altrimenti C(r,c) = 0
Dove con r e c abbiamo indicato l’indice di riga e colonna del
quadratino e con C(r,c) la sua funzione colore.

Digitalizzazione
Otteniamo così una mappa dei bit dell’immagine
La mappa dei bit, così ricavata può essere memorizzata in un
file, quale versione digitale dell’immagine originale.
Questo tipo di codifica prende il nome di codifica bitmap.

Digitalizzazione
Riproduzione dell’immagine digitalizzata
Una griglia di campionamento con le maglie più larghe produce
un’immagine meno dettagliata e quindi un errore di
campionamento più grande. Per ridurre l’errore dobbiamo
utilizzare una griglia più fitta ovvero una dimensione del
quadratino più piccola. Il risultato è un accresciuto numero di
pixel e quindi di bit, ovvero maggiore occupazione di memoria.

Digitalizzazione
Riproduzione dell’immagine digitalizzata
Una griglia di campionamento con le maglie più larghe produce
un’immagine meno dettagliata e quindi un errore di
campionamento più grande. Per ridurre l’errore dobbiamo
utilizzare una griglia più fitta ovvero una dimensione del
quadratino più piccola. Il risultato è un accresciuto numero di
pixel e quindi di bit, ovvero maggiore occupazione di memoria.

Esercitazione!
Scrivere, editare ed impaginare il proprio curriculum vitae

Suoni digitali
Le applicazioni che fanno uso di suoni digitali sono in costante crescita. Il boom
della musica digitale segnato dal fenomeno MP3 e le battaglie per il diritto
d’autore iniziate dalle case discografiche multinazionali, sono un esempio del
ruolo strategico che questo campo delle applicazioni software rappresenta..
Un suono non è altro che una perturbazione della pressione di un mezzo,
solitamente l’aria, che raggiunge il nostro orecchio. L’orecchio converte le
vibrazioni dell’aria in segnali nervosi che vengono trasmessi al cervello.

Suoni digitali
Un microfono è una specie di orecchio artificiale in cui le
vibrazioni dell’aria vengono convertite in un segnale elettrico
analogico.
Il segnale elettrico, per esempio una tensione, varia nel tempo in
relazione alla intensità della pressione esercitata dall’aria sul
microfono.

La frequenza
Un suono “alto”, per esempio prodotto dalla voce di un soprano, provoca
oscillazioni rapide (ad alta frequenza) mentre un suono “basso”, per esempio
prodotto da un pugno sul tavolo, provoca oscillazioni più lente (a bassa
frequenza).
La frequenza si misura in Hz, ovvero in
vibrazioni al secondo.
La voce umana produce suoni con
frequenza che varia (a seconda degli
individui) tra circa 100 Hz e 3000 Hz.

Un suono può essere trasformato da un microfono in un segnale elettrico. Per
farlo diventare un suono digitale abbiamo bisogno di trasformarlo in un numero.
Si può procedere in analogia con quanto abbiamo visto nel caso della
digitalizzazione delle immagini. Per le immagini utilizzavamo una griglia
spaziale con la quale campionavamo l’immagine stampanta e la
discretizzavamo.
Per i suoni si può impiegare un procedimento simile. Stavolta la griglia da
sovrapporre non è una griglia spaziale ma piuttosto una griglia temporale.
Come si fa nel dettaglio?

Segnale elettrico prodotto dal microfono
Supponiamo di effettuare una lettura del valore della tensione
elettrica ad intervalli regolari, distanziati di un certo tempo DT.
DT sarà qualcosa come 1 ms o anche meno.
A seguito di questa misura avremo una serie di numeri che
rappresentano il valore della tensione ogni DT. Questa operazione
si chiama campionamento.

Segnale elettrico prodotto dal microfono
Il valore numerico così ottenuto lo esprimiamo in base due e lo
memorizziamo nella memoria del computer.
Per fare questo abbiamo bisogno di definire quanti bit vogliamo
usare per memorizzare ogni campione.
Supponiamo di usare 8 bit, allora avremo una serie di byte che
rappresentano il valore del suono ad intervalli DT. Questa seconda
operazione si chiama quantizzazione.

Un brano musicale ….
La qualità del suono ottenuto dalla riproduzione di un brano
musicale digitale dipende dal modo in cui, in fase di
digitalizzazione abbiamo scelto due parametri importanti:
il valore di DT (intervallo di campionamento)
il numero di bit scelti per la quantizzazione

il valore di DT (intervallo di campionamento)
Supponiamo di dover digitalizzare un brano musicale.
Sia 40 Hz < f < 8.000 Hz l’intervallo di frequenze presenti nel brano.
Teorema di Nyquist (o del Campionamento)
Se si vuole ottenere un segnale privo di distorsioni (ovvero senza perdita
dell’informazione) è necessario (e sufficiente) campionare il segnale con un
ΔT tale che 1/ ΔT sia maggiore di due volte della più alta frequenza
contenuta nel segnale da campionare.
1/ ΔT > 2 8.000 = 16.000 Hz
quindi
ΔT < 1/16.000 = 62.5 10-6 s = 62.5 µs

il valore di DT (intervallo di campionamento)
Se non si rispetta la prescrizione del teorema di Nyquist si incorre in un errore
chiamato in gergo aliasing.
L’aliasing produce una distorsione del segnale e il suono che ri-ascoltiamo
risulta fastidiosamente diverso da quello originario.

il valore di DT (intervallo di campionamento)
Se non si rispetta la prescrizione del teorema di Nyquist si incorre in un errore
chiamato in gergo aliasing.
L’aliasing produce una distorsione del segnale e il suono che ri-ascoltiamo
risulta fastidiosamente diverso da quello originario.

il valore di DT (intervallo di campionamento)
Nei CD musicali la frequenza di campionamento è scelta convenzionalmente a
44.1 KHz ovvero 44.100 Hz. Vuole dire che il ΔT è dell’ordine di 23
microsecondi.
La scelta obbligata è quella di far sì che la frequenza di campionamento sia
maggiore di due volte 20.000 Hz, dove 20.000 è il limite dell’audibilità umana
media.
Altri dispositivi campionano con frequenze analoghe.
Per esempio i registratori digitali a nastro usano una frequenza di 48 KHz.
Mentre i telefoni digitali hanno una frequenza di 8 o 16 Khz. Questo perché
l’intervallo di frequenze della voce è più limitato rispetto ai suoni udibili per
esempio in un brano musicale.

il numero di bit scelti per la quantizzazione
La linea guida è quella di utilizzare un numero più alto possibile di bit
compatibilmente con la dimensione del file che deve contenere il brano.
Infatti l’errore di quantizzazione è ineliminabile e non esiste un analogo del
teorema di Nyquist che ci mette al riparo da effetti di distorsione audio.
Un CD audio standard utilizza 16 bit di risoluzione per la memorizzazione dei
dati.
A volte la quantizzazione può avvenire con un numero di bit inferiore (ad
esempio 8 bit) e si utilizza una tecnica detta oversampling
(sovracampionamento) per aumentare a posteriori la risoluzione.

Formati file audio
. cda CD Audio, è lo standard dei CD musicali (Sony e Philips anni ‘80)
.wav Wave, formato audio di ottima qualità, confrontabile con .cda
.wma Windows Media Audio, formato della Microsoft
.mp3 Mpeg-1 layer 3
Particolare attenzione merita il formato Mp3 sia per le ottime
prestazioni sia perché è in poco tempo diventato il formato più
popolare per la diffusione di canzoni su Internet.
Mp3 è uno standard che riduce la dimensione del file campionato,
eliminando i suoni non udibili dall'orecchio umano. Per far questo
si basa su di uno speciale algoritmo. In questo modo un brano
mp3 arriva ad occupare anche oltre un decimo dello stesso in
formato CD Audio o .wav.

Giocare con il computer ….

Esercitazione
Data un’immagine digitale
1) Salvarla in tre formati diversi
2) Valutare la dimensione del file
3) Spiegare la differenza tra le 3 dimensioni