Fondamenti di informatica

Modulo 2 - Video Hello Word

La parola computer deriva dal latino computare (calcolare), ed è un dispositivo fisico che implementa il funzionamento di una macchina di Turing. Un calcolatore elettronico può eseguire operazioni logiche come calcoli numerici. Alan Turing è considerato uno dei padri dell’informatica; introdusse la macchina universale ideale detta macchina di Turing senza cui non avremmo potuto definire i limiti dei computer attuali. La macchina di Turing è un meccanismo formale, ma potenzialmente realizzabile concretamente, che costituisce un modello di calcolo costituito da regole elementari molto semplici che ha un potere computazionale massimo, cioè che è equivalente ad ogni altro modello di calcolo molto più complesso. Di conseguenza, si è accettata la convinzione (congettura di Church-Turing) che per ogni problema calcolabile esista una macchina di Turing in grado di risolverlo; questo definisce un upper bound che è un limite superiore alle commutabilità dal punto di vista informatico.

John von Neumann realizzò e definì l’architettura reale di un computer, per cui è un padre dell’informatica anche lui. La sua macchina fu realizzata fisicamente e portò alla realizzazione dei primi grandi computer. Bush ha introdotto il desktop virtuale e Nelson ha coniato la parola ipertesto (hypertext) e volendo arrivare a un’interfaccia utente semplice. Gordon Moore scrisse le sue leggi empiriche che dicevano che la complessità di un microcircuito misurata, per esempio tramite il numero di transistor per chip, raddoppia ogni 18 mesi, dimostrata negli anni con computer sempre più piccoli e sempre più potenti con sempre più transistor. La sua seconda legge fa pensare agli sviluppi intellettuali, prendendo le app attuali, cioè piccole applicazioni distribuite economicamente su larga scala avrebbero portato a un’economia del software più vantaggiosa che singole applicazioni grosse. Englebart sviluppò il mouse e teorizzò lo sviluppo dei sistemi operativi che si sarebbe basato sul graphical user interface.

Video la rappresentazione dell'informazione

La piramide DIKW è il modello usato e sta a significare la piramide con cui si rappresentano le relazioni tra i dati, le informazioni, la conoscenza e le esperienze. Un dato è una rappresentazione codificata da un segno/simbolo/segnale di un’entità/fenomeno/evento della realtà. I computer memorizzano ed elaborano dati rappresentando simboli con un significato che rappresenta una porzione della realtà dei fatti. Un’informazione è un insieme di dati che si possiede per acquisire conoscenza, è sempre legata a un codice (linguaggio) che la rappresenta e la comunica, legata a un elemento che la contiene (messaggio) che è il supporto dell’informazione ed è sempre legata a un mezzo attraverso cui viene trasmesso che è un media.

• Analogica: messaggi e segnali in forma continua nel tempo e nello spazio
• Digitale: messaggi e segnali in forma discreta o numerica nel tempo e nello spazio

Conversione analogico/digitale o A/D avviene anche l’opposto. I dati possono essere:

• Semplici o primitivi: sono un numero, un carattere, una parola, un segno
• Complessi: sono una enumerazione/composizione di dati organizzati secondo struttura

Video Bit, Byte, MB, GB...

L’unità di misura dell’informazione è il bit. Esso, a seconda del contesto, può essere: binary unit, quantità minima di informazione che serve a discernere tra due possibilità alternative equiprobabili; nell’informatica è una cifra binaria, binary digit ovvero uno dei due simboli del sistema numerico binario detti zero e uno. Come codifica binaria, il bit rappresenta l’unità elementare dell’informazione trattata da un elaboratore, nelle stringhe i rapporti sono in base alle potenze di due —> se ho 2 bits ho 4 stati, con 3 bits ho 8 stati. Un modo comune di raggruppare i bit è il byte; 1 byte è uguale a 8 bits, pertanto ci sono 256 possibili stati. Nel bit, i suoi multipli sono kilobit, megabit, gigabit; 1 kilobit corrisponde a 1000 bit siccome gli stati possibili sono in potenza di 2 è circa uguale a come dire 2¹⁰. Nel byte, i suoi multipli sono kilobyte, megabyte, gigabyte. I bit sono importanti nella misura delle trasmissioni dati digitali. I byte sono usati nel dimensionamento dei dispositivi di archiviazione dati.

Video codici e codifica binaria

Un codice è un sistema di simboli che permette la rappresentazione dell’informazione, definito sulla base di:

• Simbolo: che rappresenta l’elemento atomico
• Alfabeto: che rappresenta l’insieme dei simboli possibili
• Stringa: che rappresenta una sequenza possibile di simboli
• Linguaggio: che rappresenta una sequenza possibile di stringhe

Si indica con cardinalità del codice il numero di elementi che compone l’alfabeto. Per passare da un codice all’altro servono delle regole di corrispondenza dette codici che sono insiemi di regole che costruiscono una corrispondenza biunivoca. I codici numerici sono notazioni di tipo posizionale, ogni simbolo assume un valore anche in base alla posizione in cui è nella stringa. L’unità meno significativa è quella a destra, più sono verso sinistra e maggiore è il valore delle cifre.

Codice binario ossia in base 2. I numeri sono rappresentati in modo posizionale mediante una sequenza di 0 e 1, questa sequenza binaria rappresenta una potenza della base 2. Esiste anche la codifica ottale con base 8. Poi esiste quella esadecimale con base 16 in cui si aggiungono le lettere da A a F come se fossero i numeri da 10 a 15.

Video rappresentazione dei numeri su calcolatore

Nel passaggio da decimale a binario ci sono delle regole: dividere il numero decimale per due progressivamente e prendere il resto ottenuto come valore di bit (finché non diventa uguale a zero). Ricostruire il numero binario dal basso verso l’alto. Ad esempio, 35 = 100011. Per rappresentare un numero intero I in forma binaria occorrono N bit dove N è tale che 2^N è maggiore o uguale a I. Ad esempio, con 3 bit posso rappresentare al massimo gli interi da 0 a 7. Un calcolatore assegna un numero fisso per ogni tipo di informazione come 32, 64, 128 bit. Se supero il valore massimo rappresentabile, commetto overflow; se supero il valore minimo, si dice underflow.

Un numero binario di n cifre può rappresentare i numeri interi decimali relativi compresi fra negativi e positivi. Esiste una sola rappresentazione del numero 0, quando tutti i bit sono 0. —> avremo con 8 bit 256 possibili configurazioni, comprensiva anche del numero zero. Esempio di somma tra 5 e 12 uguale a 17. 1+1=0 con riporto di 1 perché gli unici simboli ammessi sono 0 e 1 in questa notazione (zero quadruple con riporto di una ottupla).

Per rappresentare i numeri negativi è necessario rappresentare il segno. Esistono due tipi di codici che: codifica naturale quella in modulo e segno in cui il primo bit a sinistra indica il segno e convenzionalmente si usa 0 positivo e 1 negativo; codifica in complemento a due in cui il numero negativo si ottiene dal numero positivo complimentando tutti i bit, cambio lo zero con uno e viceversa sommando alla fine un’unità. Se considero il numero 35 e voglio rappresentare il numero -35.

La codifica del testo: la codifica dei caratteri

Un testo è struttura linguistica in generale complessa contenente informazioni su più livelli. La codifica avviene su stringhe di bit in 2 livelli:

• Codifica dei caratteri: in cui si associa ad ogni carattere un codice numerico binario
• Codifica di alto livello: usa tag o linguaggi di marcatura

Standardizzazione —> ogni testo può essere trattato come successione di caratteri, stabilire una corrispondenza numerica univoca tra simbolo e codice numerico binario. Codice ASCII primo grande standard di codifica dei caratteri; usa i codici binari a 7 bit quindi 128 caratteri modificabili: i primi 32 caratteri sono caratteri di controllo “non stampabili”, il carattere “spazio” è il 32, il primo dei stampabili. Ora si usa UTF-8. Codice ISO Latin-1 a 8 bit =1 byte (256 caratteri), è diviso in 15 set di caratteri: il primo in latino, gli altri sono quelli comunemente usati nei computer. I primi 128 caratteri corrispondono all’ASCII e gli altri 128 sono caratteri di controllo grafico, da 160 a 255 sono associati ai caratteri specifici dei principali alfabeti europei.

Codice UNICODE assegna un numero univoco ad ogni carattere usato, indipendentemente da lingua o programma utilizzato, nato come a 16 bit ora ne ha 21 quindi circa 1 milione di caratteri. I primi 256 corrispondono all’ISO Latin-1, gli altri sono associati a tutti gli alfabeti conosciuti. Codice UTF-8 è il più usato via web, ha sequenze variabili di byte, codifica ottimizzata.

La codifica del testo: la visualizzazione dei caratteri

La codifica delle informazioni visive riguarda come si visualizzano i caratteri codificati, ovvero i font.

• Font fissi: basati su matrice di punti, informazioni in formato raster immagine bitmap; il problema era la visualizzazione sgranata nell’ingrandire l’immagine
• Font scalabili: dove le informazioni sono in formato vettoriale per cui ci si riferisce a successioni geometriche; il vantaggio era nello zoom che si manteneva gradevole

Lo standard delle dimensioni è espresso in punti, ovvero 1/72 di pollice.

La codifica del testo: struttura e formati

HTML e XML sono formati usati per descrivere la struttura di un testo complesso attraverso marcamenti che caratterizzano le funzioni con dei “tag”. Il testo non formattato è più semplice perché sono sequenze di codici del charset scelto. Formattare un testo è attività di videoscrittura avanzata, text formatting, si cambia l’aspetto tipografico dei caratteri o l’impaginazione. Formati di codifica che contengono le informazioni:

• Formati proprietari: con codici stabiliti specifici e scarsa possibilità di interscambio con altri software
• Formati standardizzati: tramite linguaggi di descrizione a marcatori come XML, parole di controllo definite tramite ISO Latin-1, maggiori dimensioni dei file, ampia possibilità di interscambio

I formati di videoscrittura più usati sono: RTF, PostScript e PDF, Doc/docx di Word, LaTeX, HTML. I standard pubblici sono XML e HTML, quelli proprietari sono doc e pdf.

Modulo 3 - Immagine Digitale Parte 1

L’immagine vettoriale è generata a computer con formule matematiche e descritta con un insieme di primitive geometriche. Non perde qualità con ingrandimento, occupano poco spazio e sono di facile compressione, dettagli limitati, scarsa compatibilità file. L’imagine raster (bitmap) è formata da una griglia di pixel, che è il più piccolo elemento dell’immagine il quale porta posizione, colore, intensità. Se si ingrandisce spuntano i pixel, occupano più spazio, maggiori dettagli, alta compatibilità dei file.

Per definire la risoluzione ci sono due parametri usati:

• DPI: all’interno del riquadro posso avere un certo numero di pixel, si parla di punti da cui "dots per inch”
• PPI: rapporto tra pixel dell’immagine e i pollici della diagonale del monitor “pixel per inch”

Immagine Digitale Parte 2

La profondità di colore indica il numero di bit usato per rappresentare il colore e viene misurato in bpp (bit per pixel). Il modello colore è matematico e permette di rappresentare i colori nel mondo digitale, tra i più importanti il RGB e CYMK. Il RGB detto anche additivo o tricromia (parte da 3 colori e ricava gli altri per somma luminosità dei canali), usato sui monitor. Il CYMK detto anche sottrattivo o quadricromia, colori ricavati da sottrazione dei 4 colori di base, usato per stampa tipografica.

Spazio colore (gamma o gamut) ogni dispositivo ha una gamma di colori limitata rappresentabile. Nel 1931 si è creato un diagramma di cromaticità basato sull’occhio standard. Spazio colore sRGB è uno standard che rappresenta la sua gamma di colori; l’AdobeRGB è migliore perché ha una gamma sul 50%. Profilo colore ICC definisce l’immagine in modo corretto indipendentemente da dove si apre, traduce le caratteristiche nei diversi spazi colore in base al dispositivo.

Immagine Digitale Parte 3

Compressione per ridurre le dimensioni dei file, ce ne sono tre tipi: Lossless riduce dimensioni senza perdere informazioni, Lossy si comprime ma si perdono informazioni, Non compresso i file rimangono di grandi dimensioni. Tipi di formati e compressioni:

• BMP (non compresso)
• RAW (non compresso)
• PNG (possibilità di salvarlo sia compresso, sia non compressi)
• TGA (senza perdita)
• TI (permette anche diversi tipi di compressione)
• GIF (senza perdita per immagini fino a 256 colori. Con perdita sopra i 256 colori)
• JPG (con perdita)

Video Digitale Pixel e Risoluzione

• SD (Standard Definition): 720 x 576 (es: TV e DVD)
• HD (High Definition): 1280 x 720 (es: Canali TV HD)
• FULL HD (High Definition): 1920 x 1080 (es: BluRay)
• UHD (Ultra High Definition): 3840 x 2160
• 4K: 4096 x 2160
• 8k: 8192 × 4320

La risoluzione cromatica definisce quanti e quali colori sono usati per rappresentare l’immagine. L’occhio umano è molto più sensibile alle differenze di luce rispetto alle differenze di colore. Tramite il file immagini vengono codificate riservando maggiore risoluzione alla luminanza (Luma) rispetto alla crominanza (chroma).

Video Digitale Aspect Ratio

L’Aspect ratio detto anche “formato schermo” o “quadro”, definisce il rapporto tra l’altezza e la larghezza dei fotogrammi di un filmato. Di fatto definisce la forma del riquadro del nostro filmato, oppure del nostro schermo.

• 4:3 = 1.33 (TV tradizionale)
• 16:9 = 1.77 (Widescreen)
• 16:10 = 1.6 (Widescreen Computer)
• 21:9 = 2.33 (Cinemascope)
• 1.85 (Cinema Film US e UK)

Letterbox e Pillarbox: In caso di formati diversi da dover unire, oppure dell’utilizzo di schermi con proporzioni diverse rispetto al video da visualizzare, per evitare distorsioni dell’immagine si aggiungono bande nere (orizzontali o verticali). In alternativa, si ritaglia il video fino a che essi non coincidono (Pan&Scan).

Video Digitale Frame Rate

Un video è un insieme di immagini (fotogrammi) visualizzati in sequenza. La frequenza con cui i fotogrammi vengono visualizzati ogni secondo (Frame Per Second o Frame Rate) non è sempre uguale da video a video.

P=Progressivo: La “p” posizionata dopo il numero di fotogrammi (es: 25p) o la risoluzione (es: 1080p) indica il tipo di scansione progressiva. Questo significa che, fermando un video progressivo a un determinato fotogramma, avremo un’immagine completa, esattamente come se fosse una fotografia.

I=Interlacciato: La “i” posizionata dopo il numero di fotogrammi (es: 25i) o la risoluzione (es: 1080i) indica il tipo di scansione interlacciata. In questo caso, l’immagine è formata da tante linee orizzontali. Il 50% di queste linee sono “linee pari” (upper field), mentre il restante 50% sono “linee dispari” (lower field). Le linee pari e le linee dispari si alternano per tutta l’altezza dell’immagine. Questo significa che, fermando un video interlacciato a un determinato fotogramma, NON avremo un’immagine completa, ma due “mezze immagini”, dette appunto “Semiquadri”. La scansione interlacciata è tipica del vecchio analogico, ma ancora molto diffusa in ambito di trasmissione televisiva.

I video interlacciati (es: programmi televisivi, VHS, ecc.), visualizzati su PC, creano un effetto di «sfarfallio» (Flickering). Per ridurre il flickering, è necessario cercare l’opzione “De-Interlaccia” (De-Interlace) all’interno dei programmi stessi.

FPS Standard

• 24p = 24 fotogrammi al secondo progressivi (standard cinematografico)
• 25p = 25 fotogrammi al secondo progressivi (telecamere e TV con standard europeo PAL)
• 30p = 30 fotogrammi al secondo progressivi (telecamere e TV con standard USA NTSC)
• 50i = 50 semiquadri al secondo (25fps) interlacciati (standard europeo PAL)
• 60i = 60 semiquadri al secondo (30fps) interlacciati (standard USA NTSC)
• 50p e 60p (HDTV), 120p (UHD)

Video Digitale Formati e Compressioni

I video possono avere diversi formati (es: .avi, .mov, .mp4, .wmv, .flv, .mkv, ...) I formati detti Container non sono altro che contenitori di tipo diverso (per questo Wrapper). All’interno di un Container troviamo il video, l’audio ed eventuali informazioni aggiuntive (es: sottotitoli, tracce audio in diverse lingue, capitoli, metatag, ecc.). Non è la scelta del formato a determinare la qualità del video! I video sono formati da numerose sequenze di immagini e da almeno una traccia audio; per questo sono file di grandi dimensioni.

Risoluzione + FPS + Durata = Dimensione

Per ridurre le dimensioni si comprime in 3 modi:

• Lossless: riduce senza perdere informazioni
• Lossy: riduce maggiormente le dimensioni ma si perdono informazioni
• Non compresso (RAW): senza compressione

I Codec servono sia per comprimere il file, sia per poterlo leggere. Spesso quando un video non viene riprodotto sul nostro PC, la causa è la mancanza del codec nel nostro sistema ed è necessario pertanto installarlo.

Tra le compressioni video più diffuse attualmente troviamo H264, MPEG 2, MPEG 4 (DivX, Xvid), WMV.