Sistemi Multimediali
Marco Gribaudo
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Introduzione ai Sistemi Multimediali
Sistemi Multimediali
Corso (vagamante) basato sui testi:
Digital Multimedia, 3rd edition
di: Nigel Chapman and Jenny Chapman pubblicato da:
John Wiley & Sons, 2009
Sistemi Multimediali
e:
Image and Video Compression for Multimedia Engineering:
Fundamentals, Algorithms, and Standards, Second Edition
di: Yun Q. Shi and Huifang Sun pubblicato da:
CRC Press, 2008
I Media
Le informazioni possono essere presentate sotto forma di:
Testo, Immagini, Filmati, Audio,
Presentazioni, Pagine Web...
Tutti questi mezzi di comunicazione prendono il nome di Media.
I Media
Una prima caratterizzazione suddivide i Media in:
Statici Dinamici
I Media
I media statici non variano nel tempo:
alcuni esempi sono le immagini ed il testo.
I media dinamici, hanno invece una durata e presentano contenuti che si susseguono nel tempo. Esempi classici sono il video e l'animazione.
I Media
Ogni media ha i suoi pregi ed i suoi difetti.
Compito di un esperto di comunicazione multimediale e' quello di scegliere sempre il mezzo piu' opportuno per raggiungere lo scopo prefissato.
I Media
A volte un mezzo solo di comunicazione non e' sufficiente ed occorre combinare piu' media insieme.
La combinazione di piu' media diversi prende il nome di Multimedia.
I Media
Quando i media sono memorizzati in formato digitale, essi possono essere visualizzati, riprodotti e manipolati da opportuni strumenti software.
L'esperto di sistemi multimediali e' capace di realizzare questi software!
I Media
Le competenze che si richiedono sono quindi quelle di saper:
Visualizzare e riprodurre i media.
Combinare piu' media insieme.
Elaborare e modificare i media.
Acquisire, memorizzare e trasmettere i media.
I Media
Alcuni media possono essere Interattivi.
In questo caso l'utente puo' intervenire sul media stesso, cambiandolo
interattivamente durante la sua fruizione.
I Media
L'interazione piu' semplice consiste nella non linearita'.
Lineare in questo caso si riferisce al modo in cui si susseguono le informazioni che costituiscono il media.
I Media
In un media lineare (come un libro o un film), la
narrazione segue un filo continuo che l'utente segue in modo passivo.
I Media
Un sito web, permette invece un flusso non lineare, dal momento che e' l'utente a decidere il susseguirsi delle pagine attivando i corrispondenti link durante la navigazione.
I Media
Anche le animazioni in filmati realizzati con tecnologia Flash possono prevedere al loro interno rimandi e script con cui il video puo' adattarsi alle scelte
eseguite dall'utente - consentendo quindi una fruizione non lineare.
I Media
In molti casi i media devono poi interagire con altre componenti informatiche
"standard" quali le reti ed i database.
I media devono quindi potersi integrare all'interno di altre applicazioni.
I Media
La maggior parte dei linguaggi di
programmazione non fornisce un supporto nativo per l'inclusione di elementi
multimediali.
Vi sono pero' numerosissime librerie esterne con cui si possono integrare elementi multimediali in una applicazione, e queste sono disponibili per la maggior parte degli ambienti di sviluppo.
I Media
Malgrado ogni libreria presenti
un'interfaccia sostanzialmente diversa dalle altre, tutte piu' o meno forniscono funzionalita' simili.
E' quindi essenziale capire quali siano i concetti alla base delle similitudini presenti nei vari strumenti atti ad includere e
trattare i media.
I Media
Nella maggior parte dei casi, le funzionalita' legate ad un particolare media derivano dal modo in cui esso e' coficato.
Per questo gran parte del corso si concentrera' sulla codifica digitale dei media.
I segnali
Audio, immagini e video sono informazioni analogiche che devono essere
trasformate in formato digitale per poter essere codificate.
Per poter analizzare pregi e difetti delle operazioni di codifica, queste devono essere fomalizzate.
I segnali
Un segnale e' una variazione di un
parametro continuo in funzione di un'altro:
generalmente il tempo o lo spazio.
Sia il valore del segnale che il parametro da cui esso dipende possono essere caratterizzati da piu' dimensioni.
I segnali
Un segnale viene quindi di solito formalizzato come una funzione da Rn a Rm:
I segnali
Un segnale audio e' una funzione da R1 (il tempo) ad R1 (la pressione dell'aria).
I segnali
Un segnale monodimensionale viene spesso chiamato froma d'onda.
I segnali
Un'immagine in bianco e nero e' un segnale da R2 (un punto nello spazio) ad R1 (un'intensita' luminosa).
I segnali
Un filmato in bianco e nero e' un segnale da R3 (un punto nello spazio, in un istante di tempo) ad R1 (un'intensita' luminosa).
I segnali
Un'immagine a colori e' un segnale da R2 (un punto nello spazio) ad R3 (tre intensita' luminose diverse per i tre colori primari rosso, verde e blu).
I segnali
La codifca di audio, immagini e video puo' quindi essere generalizzata come una codifica di particolari segnali.
Anche se ogni media presenta delle tecniche specifiche di codifica, tutti
condividono alcune caratteristiche comuni.
I segnali
In particolare, il processo di
digitalizzazione si basa su due concetti:
Il campionamento La quantizzazione
Il campionamento
Il campionamento consiste nel "misurare" il segnale in istanti (o posizioni) differenti...
Il campionamento
In modo da poter ricostruire il segnale originale a partire dalle misure effettuate.
Il campionamento
Un esempio di campionamento "analogico" si ha nel cinema, dove il movimento viene catturato attraverso numerose "istantanee" (dette fotogrammi) del
soggetto, catturate ad una frequenza prefissata.
Il campionamento
La televisione (analogica), campiona anche essa l'immagine suddividendola prima in fotogrammi, poi in righe (chiamate scanline). Il video viene quindi
trasmesso con un segnale (questa volta solo piu' dipendente dal tempo) che corrisponde alla sequenza delle linee campionate.
f
Il campionamento
Si chiama frequenza di campionamento (f) il numero di misure effettuate al secondo.
T
Il campionamento
Si definisce intervallo di campionamento (T) il tempo che intercorre tra due campioni.
Il campionamento
Viene invece chiamato campione (sample) ogni singola misurazione effettuata.
Il campionamento
La frequenza di campionamento viene misurata in Hertz.
Se l'intervallo di campionamento e'
misurato in secondi, allora vale la regola:
f = 1/T
Il campionamento
Si puo' anche parlare di campionamento spaziale: in questo caso le unita' di misura sono meno standard.
Un esempio di campionamento spaziale e' la scansione, la cui risoluzione viene
misurata in DPI (punti per pollice).
Il campionamento
Vi e' una forte dipendenza tra il numero di campioni effettuati e la capacita' di ricostruire il segnale acquisito.
Il campionamento
Un campionamento ad una frequenza troppo bassa, non permette di ricostruire la forma d'onda in
ingresso. In questo caso si parla di sotto- campionamento (undersampling).
Il campionamento
Un campionamento troppo fitto crea invece una quantita' enorme di dati non necessari.
Il campionamento
Immaginiamo di campionare un'onda ad una frequenza troppo bassa.
Il campionamento
La ricostruzione darebbe originie ad un'onda diversa, generalmente caratterizzata da una frequenza molto minore.
Il campionamento
Questo fenomeno prende il nome di Aliasing.
Il campionamento
Esiste un risultato teorico che permette di calcolare la frequenza minima di
campionamento in funzione della frequenza massima del segnale che si intende campionare.
Questo risultato prende il nome di teorema di Nyquist-Shannon.
Il campionamento
Esso afferma che per poter ricostruire correttamente un segnale costuito da una frequenza massima f, e' necessario effettuare un campionamento ad una frequenza superiore a 2f.
Il campionamento
Il risultato e' esatto: in teoria a partire dal segnale campionato sarebbe possibile ricostruire esattamente la forma d'onda originale.
Il campionamento
In realta' la maggior parte di segnali e' costituito da un numero infinito di frequenze, per cui non e' possibile stabilire un limite massimo alle frequenze di cui esso e' composto.
Per questo il campionamento comporta quasi sempre una perdita di qualita'.
Il campionamento
Ad esempio, una semplice "onda quadra" (un segnale che alterna due valori diversi ad intervalli regolari), e' costituito da un numero infinito di frequenze.
Utilizzandone solo alcune, il segnale puo' venire solamente approssimato.
Il campionamento
In grafica, un sotto-campionamento puo' produrre alcune "griglie" artificiali che prendono il nome di Moire Patterns.
Il campionamento
Il campionamento di cui abbiamo parlato fino ad ora, misura esattamente il segnale ad istanti di tempo equidistanti.
Ogni misura consiste in un valore reale:
un numero appartenente a R.
Vi sono alcune tecniche "analogiche" con cui i segnali vengono campionati e
ritrasmessi con valori continui.
Il campionamento
Nella Pulse Amplitude Modulation (PAM), l'onda viene codificata mediante un treno di impulsi, la cui
ampiezza corrisponde al valore dei campioni.
Il campionamento
La Pulse Width Modulation (PWM), utilizza la durata degli impulsi per codificare il valore dei campioni.
Il campionamento
La Pulse Position Modulation (PPM) anticipa o ritarda il tempo a cui viene inviato in impulso (di durata ed ampiezza costante) per codificare il valore del campione.
Il campionamento
I calcolatori e le reti di comunicazione sono invece apparecchi puramente digitali.
I valori dei campioni devono quindi essere trasformati in quantita' binarie per poter essere memorizzati o trasmessi.
Questo ulteriore processo di codifica prende il nome di Quantizzazione.
