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Immagini digitali
Digitalizzazione = processo di conversione che, applicato alla misurazione di un fenomeno fisico, ne determina il passaggio dal campo dei valori continui a quello dei valori discreti.
Immagine digitale = composta da un nr. definito di pixel disposti su una griglia, tutti delle stesse dimensioni. Pixel ( picture element) – viene assegnato un colore, codificato da un valore binario(0,1) ed è l’elemento più piccolo in cui è possibile scomporre l’immagine digitale.
- sono rettangolari e caratterizzati da due dimensioni dX(orizzontale) e dY(verticale)detti passi di campionamento della digitalizzazione.
- frequenze di campionamento = 1/dX e 1/dY
L’immagine è rappresentata da una matrice di pixel, dove ogni pixel corrisponde a uno o più numeri che ne codificano il colore in modo univoco. La digitalizzazione :
- consente di passare dal continuo (infiniti punti) a una matrice di un nr finito di pixel.
- il processo di trasformazione di un segnale analogico in un formato digitale.
Immagine digitale = tavolozza (nr di righeM x nr di colonne N)
La digitalizzazione si compone di una sequenza di due fasi:
1. Campionamento spaziale ( immagine come matrice di pixel) 2. Quantizzazione cromatica ( assegnare a ciascun pixel uno o più valori numerici che ne definiscono il colore), il risultato sarà una matrice bidimensionale : ad ogni punto di coordinate (M,N) è associata l’informazione cromatica definita dalla quantizzazione cromatica. 1. Campionamento spaziale:
- consiste nella suddivisione dell’immagine analogica in tanti quadratini elementari (pixel), l’immagine è trasformata in una matrice.
- occorre decidere la dimensione del pixel in ogni immagine. Risoluzione spaziale (o geometrica) : -più elevata = più i pixel sono piccoli (più elevata la loro densità), più l’immagine è di alta qualità.
- più piccoli sono i passi del campionamento, maggiore è la risoluzione geometrica del dispositivo. - viene misurata in punti per pollice o DPI (dots per inch) dove inch = 2,54 cm Pixel aspect ratio = il rapporto tra larghezza e altezza del pixel (speso tale rapporto è = 1, in questo caso i pixel sono quadrati).
Dimensione di una immagine (pixel) = Risoluzione DPI(dot per inch) X Dimensione (inch)
-vedi problemi come ricavare la dimensione reale in inch o cm della immagine.
Aliasing = la caratteristica seghettatura (scaletta) che compare nel passaggio tra due aree di colore differente, separate da una linea non parallela ai lati delle rettangolari di campionamento.
- aumentando il nr di pixel si diminuisce l’effetto Aliasing (aumentando il pixel, aumento la memoria).
pixel
2. Quantizzazione cromatica: consiste nell’assegnare a ciascun pixel uno o più valori numerici che ne definiscono il colore. - si assegna un codice differente ad ogni colore: più la quantizzazione cromatica è dettagliata e raffinata, più la qualità dell’immagine digitale sarà elevata.
- colori RGB (rosso, verde , blu) per monitor PC, TV, videogiochi.
- colori CMY (ciano, magenta, giallo) per le stampanti
Sistema Binario, Bit e Byte
- si riferisce a due contesti differenti:
- aritmetica binaria
- sistema di codifica binaria delle informazioni.
- il bit è l’unità elementare delle informazioni (8bit = 1 Byte)
- con N bit è possibile codificare 2N^ diverse informazioni. Data un’immagine digitale, se ogni suo pixel sarà costituito da N bit, allora ogni pixel potrà assumere uno tra i 2N^2 N^ diversi colori possibili della tavolozza della nostra immagine.
Immagine binaria = 1 bit per pixel, a ogni pixel potrò assegnare tra 2^1 = 2 valori diversi ( bianco o nero).
Formati delle immagini aster o bitmap
- immagini binarie : 1 bit per pixel con 2 valori possibili (0,1)
- immagini a livelli di grigio (greyscale)
- 8 bit per pixel, potrò avere al massimo 2^8 = 256 livelli di grigio
- 16 bit per pixel, colori di grigio 2^16
- immagini a colori (truecolor) RGB con 24 bit per pixel (8 bit per banda, cioè 8x3=24) e corrisponde a una tavolozza di 2^24 colori ovvero 16,7 milioni di colori.
- immagini a colori dotate di Color Look-Up Table (LUP)
- 8 o 4 bit per limitare l’occupazione di memoria
- consente di avere pixel con un nr inferiore di bit nel caso di immagini non ben definite e limitate palette di colori.
Grafica vettoriale:
- immagini vettoriale: definite da caratteristiche geometriche (punti, segmenti, rettangoli,poligoni ..) utilizzate nell’editoria, nell’architettura, nell’ingegneria e nella grafica realizzata al PC, inclusi i videogiochi.
- immagini miste: bitmap + vettoriale Vantaggi della grafica vettoriale rispetto alla grafica raster:
- possibilità di esprimere i dati in una forma direttamente comprensibile ad un essere umano
- possibilità di esprimere i dati in un formato che occupa di solito molto meno spazio rispetto all’equivalente raster.
- possibilità di ingrandire l’immagine arbitrariamente, senza che si verifichi una perdita di risoluzione dell’immagine stessa.
Svantaggi della grafica vettoriale rispetto alla grafica raster:
- non è intuitiva, richiede conoscenza specialistica
- l’impiego di un PC molto potente per un’immagine molto complessa.
Spazio colore tricromico CMY(K): ciano, magenta, giallo, (nero)
- quadricromico CMYK ( K= C+M+Y) : ciano, magenta, giallo, nero si usa nelle stampanti perché costa troppo mescolare i 3 colori per avere il nero.
- è possibile passare dal sistema RGB a CMY e viceversa senza perdere informazioni con semplici operazioni matematiche.
Con RGB e CMY risulta difficile prevedere in modo intuitivo quale colore corrisponde a una particolare terna di valori
Spazio colore HS* : tinta o tonalità, saturazione, luminosità o valore
- è strettamente correlato con le proprietà psicofisiche del colore che si vuole rappresentare
- aumentando l’intensità aumenta la luminosità del colore, aumentando la saturazione aumenta l’effetto “ colore pieno” mentre variando la tinta ci si muove con continuità nello spettro cromatico.
Spazi colore assoluti : lo Standard CIE
- definisce il colore in modo indipendente dal dispositivo che lo riproduce.
- viene rappresentato come un diagramma cromatico bidimensionale nel quale Z si deduce per sottrazione da 1: z = 1 – (x+y)
- questo tipo di diagramma rappresenta tutti i colori che l’uomo percepisce, costituita da una cura a forma di U rovesciata, detta luogo dello spettro e dalla linea porpora
Colori e dispositivi di output
Tecnica di Mezzi toni (half toning) :
- stampante in bianco e nero
- si traduce la risoluzione cromatica in risoluzione spaziale sfruttando la media, distribuzione dei pixel neri in modo casuale.
Dithering e diffusione dell’errore:
- possiamo visualizzare immagini in truecolor su schermi in grado di mostrare solo 256 colori alla volta.
- i colori vengono usati per generare una “ approssimazione” dell’immagine originaria, sfruttando la caratteristica dell’occhio umano: la tendenza a miscelare 2 colori se sono posti troppo vicini(acutezza visiva)
- è stata definita una tavolozza standard “web-safe” = a prova di web , che definisce i colori che possono essere visualizzati da qualsiasi monitor con 256 colori. **- Dithering = una forma di rumore aggiunto a un segnale con una opportuna distribuzione casuale.
- Diffusione dell’errore = usa il dithering per aggiungere pixel “sbagliati” che danno come risultato una migliore qualità percepita dell’immagine eliminando linee e aree causate dalla mancanza di colori.**
Elaborazione delle immagini ( immagini digitali = flessibilità e facilità nel poterle elaborale)
- significa manipolare le informazioni in essa contenute, cioè:
- il valore del pixel
- la posizione del pixel nel immagine
Obiettivi :
**1. Eliminare disturbi
- Eliminare particolari
- Estrarre informazioni**
Tipi di elaborazione:
1. Elaborazioni puntuali : il valore del pixel viene modificato utilizzando solo l’informazione presente nel pixel stesso. ex: eco femore feto 2. Elaborazioni locali: si tiene conto anche dei pixel circostanti - filtro di media= sostituisco al valore del pixel la media di tutti i pixel che lo circonda sommando tutti gli elementi dell’intorno e poi divido per nr dei valori considerati 3. Elaborazioni globali: si tiene conto di tutta l’immagine
- il valore di ogni pixel dopo la elaborazione dipende dal valore di tutti i pixel dell’immagine
- ex schiarire o scurire l’immagine
- si basa sugli istogrammi dei livelli di grigio dell’immagine - Istogramma = una rappresentazione grafica della quantità di pixel presenti nell’immagine per ciascun livello di grigio (istogramma dei livelli di grigio)
- fornisce una raffigurazione sintetica delle caratteristiche di luminosità dell’immagine, trascurando ogni informazione relativa alla posizione dei singoli pixel.
- più immagini possono essere caratterizzate dallo stesso istogramma.
Elaborazioni locali : - Frequenze spaziali,
- Convoluzione, **- Filtri (passa-basso; di mediana) Frequenze spaziali (FS):
- FS = Lunghezza in pixel dell’intera riga dell’immagine :** (diviso) Lunghezza in pixel del segmento composto da pixel tutti uguali
- spettro di frequenza
Manipolazioni immagini : dominio spaziale e dominio delle frequenze.
- meglio dominio spaziale perché:
- le operazioni che si realizzano in uno possono essere realizzate anche nell’altro
- le approssimazioni numeriche che si compiono nel trasformare e antitrasformare l’immagine si traducono in “errori di calcolo “ a svantaggio della qualità dell’immagine.
Convoluzione:
- è un procedimento che permette di definire una maschera(una matrice di numeri, detti pesi, di piccola dimensione) e di far scorrere quest’ultima sopra l’immagine, centrandola sopra ciascun pixel in modo sequenziale.
- permette di calcolare i prodotti tra i valori dei pixel e i pesi relativi alle varie posizioni e di fare le somme di tutti i pixel considerati.
- si sommano i valori dei pixel dell’intorno del pixel considerato (interni alla maschera) e si moltiplicano per i pesi definiti della maschera.
Filtri passa-basso: filtri che riducono o eliminano le alte frequenze spaziali lasciando intatte le base.
- si riducono i rumori presenti dell’immagine a scapito della nitidezza.
- capire caso per caso dove tagliare e quanto incisivi fare i tagli.
- riduzione di aliasing (ex foto bici) = è stata sfocata, anche se sono meno pixel, i passaggi di tonalità risulta omogenei e si adattano ai nr di pixel disponibili.
Sequenza di immagine – Compressione e Bitrate
- una sequenza di immagini è costituita da più fotogrammi (frame) dello stesso formato all’interno di una stessa sequenza.
- ogni frame può essere suddiviso in 2 metà (field ):
- in un field sono contenute le righe pari dell’immagine
- nell’altro field sono contenute le righe dispari dell’immagine , in questo modo il formato è interfacciato. - problemi sull’occupazione di memoria di un video 25 frame (fps) = 1 secondo
Compressione video: tecniche
- lossless (senza perdita di dati)
- lossy(con perdita di dati) : permettono di comprimere fino a 10-100 volte
Bitrate = calcolare il flusso di dati necessari alla sua codifica
- esprime la quantità di informazioni digitali necessaria a memorizzare 1 secondo di video e si misura in Kbps
Le immagini tridimensionali
- immagini vettoriali Come vengnono realizzate le immagini tridimensionali? 1. generazione della struttura wireframe “ filo di ferro” creando l’intelaiatura dell’oggetto 2. Rendering: definizione delle superfici - coprire i fili di ferro con delle texture - usando algoritmi z-buffer elimino ciò che non è visibile all’osservatore - algoritmo ray casting = un raggio immaginario che incontra l’oggetto, lo attraversa e uscendo si cancella in quanto è un punto invisibile all’osservatore. 3. definizione dell’illuminazione dell’immagine: - luce ambientale - luce diffusa - luce speculare
Ray tracing = comprende tutti gli aspetti di rendering, si basa sul principio della reversibilità di un raggio di luce, si esplorano solo i raggi utili, quelli che raggiungono effettivamente l’occhio.
