Informatica

Dati, informazioni e codifica

Dato: elemento direttamente presente alla conoscenza. Non ha bisogno di essere spiegato.

Informazione: rappresenta il dato all’interno di un contesto in modo da definirne un significato.

Hardware: struttura fisica.

Software: livello logico, insieme delle istruzioni.

Computer: Elaboratore Elettronico Digitale; rappresenta ed elabora dati in base ad una serie di istruzioni. Utilizza componenti elettronici per elaborare le informazioni; le informazioni sono rappresentate mediante i due simboli (digit) della numerazione binaria.

Il sistema operativo gestisce l’hardware.

I programmi applicativi svolgono le operazioni.

Immagazzinamento e trasferimenti dei dati

Il dato è “portato da” o “trasmesso su” o “memorizzato in” o “contenuto in un supporto fisico”. Il dato richiede un supporto fisico, ma non coincide con esso.

Un supporto che non può avere diverse configurazioni non può immagazzinare o trasferire dati.

Codifica: l’operazione con cui il dato viene scritto su un supporto fisico.

Decodifica: l’operazione con cui il dato viene letto da un supporto fisico.

BIT: elemento atomico (binario) che codifica un dato corrispondente ai valori logici “Falso” o “Vero”: può essere rappresentato da un dispositivo che assume due stati.

BYTE: combinazione di 8 bit. Può rappresentare un carattere (lettera, numero o simbolo tipografico) tra 2*2*...*2 = 2⁸ = 256 diversi.

Codifica binaria

Alfabeto: 2 simboli: {0, 1}, {off, on}.

Quanti oggetti posso codificare con k bit?

• 1 bit: (0, 1) = 2 oggetti.
• 2 bit: (00, 01, 10, 11) = 4 oggetti.
• 3 bit: (000, 001, 010, …, 111) = 8 oggetti.
• K bit (...) 2^k oggetti.

Quanti bit mi servono per codificare N oggetti? – N ≤ 2^K, K ≥ log₂N, K = ⌈log₂ N⌉.

ASCII: (American Standard Code for Information Interchange Extended): Alt + numero decimale (nel tastierino num.).

I caratteri evidenziati nella cornice possono risultare differenti a seconda dell’applicazione software utilizzata.

Diffuse codifiche più estese (es. UNICODE) per rappresentare anche le lingue orientali.

Gli elaboratori elettronici

Gli elaboratori elettronici hanno natura discreta, ovvero ogni grandezza in gioco può essere rappresentata solo da un numero finito di elementi. Per essere elaborati da un calcolatore, dei segnali analogici (intrinsecamente continui) quali suoni, immagini, video ecc., devono essere “discretizzati (digitalizzati)” attraverso operazioni di campionamento e quantizzazione (conversione analogico-digitale).

Campionamento

Frequenza di campionamento: misurata in hertz (Hz).

Il segnale continuo viene misurato (“campionato”) ad intervalli di tempo regolari t (t = intervallo di campionamento).

Il segnale risultante è un insieme finito di punti equidistanti nel tempo. Tuttavia le ampiezze devono essere ancora approssimate ad intervalli discreti, ovvero quantizzate.

Si noti che campionamento e quantizzazione comportano una perdita di informazione. Il segnale analogico originale non può essere recuperato esattamente.

Quantizzazione

Risoluzione = numero di bit utilizzati per la quantizzazione: suddivide l’intervallo dei valori del segnale in n sottointervalli che vengono poi codificati in binario.

Campionamento e quantizzazione nello spazio: codifica bitmap (raster). Le immagini digitali non hanno struttura continua ma sono costituite da un numero finito di componenti monocromatiche (pixel) prodotte dal campionamento dell’immagine reale.

Ogni valore del segnale campionato viene approssimato al più vicino valore discreto.

Più sottointervalli si utilizzano, più l’approssimazione sarà precisa, ma occorre impiegare un maggior numero di bit.

I pixel assumono valori finiti di intensità luminosa che dipendono dal numero di bit: con N bit, ci sono 2^N valori distinti. Per es. nella codifica base RGB si codificano i 3 colori primari con 8 bit per colore per pixel.

• iPhone3GS (2009) 3.2 Mpixel.
• iPhone6s (2015) 12 Mpixel.
• iPhone6s (2015) 12 Mpixel.
• iPhone4 (2010) 5 Mpixel.
• iPhone7 (2016) 12 Mpixel.
• iPhone7 (2016) 12 Mpixel.
• iPhone4s (2011) 8 Mpixel.
• iPhone8 (2017) 12 Mpixel.
• iPhone8 (2017) 12 Mpixel.
• iPhone5 (2012) 8 Mpixel.
• iPhone X (2017) 12 Mpixel.
• iPhone X (2017) 12 Mpixel.
• iPhone6 (2014) 8 Mpixel.

La codifica vettoriale delle immagini

Nella grafica vettoriale l’immagine viene codificata con l’indicazione della forma geometrica dei singoli oggetti che la compongono.

Gli oggetti si possono ingrandire, rimpicciolire, ruotare, ridimensionare, colorare (bordi e contenuto), estrarre o inserire senza nessuna perdita di qualità.

Gli oggetti possono essere messi uno sull’altro, eventualmente quello sopra può nascondere quello sotto, che comunque non viene permanentemente cancellato.

Frame rate e bit rate

Il frame rate: i video vengono codificati come sequenze di immagini.

La frequenza con cui vengono campionate le immagini viene chiamata frame rate, che deve essere abbastanza alta affinché l’occhio umano non percepisca il passaggio da un fotogramma all’altro (almeno 30 frame/s).

Il bit rate: velocità di cifra è misurata in bit/s. Il prodotto della frequenza di campionamento (campioni/s) e della risoluzione (bit/campione) fornisce la velocità di cifra, ovvero il numero di bit emessi nell’unità di tempo.

Es: Audio CD è 2 x 44100 x 16 = 1441200 bit/s ≈ 1.4 Mbit/s – Frequenza di campionamento = 44.1 kHz – Risoluzione = 16 bit/canale – 2 canali (stereo).

Nel segnale digitale è più semplice rilevare errori, la trasmissione digitale consente di trasmettere una maggior quantità di dati all'interno della stessa banda.

Fedeltà e bit rate: la fedeltà aumenta all’aumentare del bit rate. È opportuno ridurre il bit rate cercando di limitare al minimo l’impatto sulla qualità del segnale.

La riduzione del bit rate

La riduzione del bit rate: compressione del segnale.

Compressione = riduzione della quantità di dati per trasmettere la stessa informazione, viene realizzata dal compressore o codificatore (coder).

Decompressione: per ottenere l’informazione originaria. La decompressione è effettuata dal decompressore o decodificatore (decoder).

Codec: spesso coder e decoder sono raggruppati in un unico dispositivo.

Fattore di compressione: il rapporto tra la quantità di bit da inviare senza e con compressione è denominato.

Pro e contro della compressione

Vantaggi: aumento della capacità effettiva dei supporti di memorizzazione (più brani audio in un lettore MP3, più filmati in un hard disk,...); miniaturizzazione dei dispositivi di riproduzione, aumento della qualità del segnale a parità di banda disponibile sul canale trasmissivo.

Svantaggi: peggioramento della qualità all’aumentare del fattore di compressione. Ritardo nella riproduzione.

La fedeltà della riproduzione con compressione

Codifiche lossless: la sequenza di bit ottenuta del decoder è identica bit per bit a quella originale. Il fattore di compressione è tipicamente minore di 2:1.

Codifica immagini

Codifiche lossy: la fedeltà al segnale originale non è perfetta, la qualità del segnale a valle del decoder peggiora all’aumentare del fattore di compressione.

Formato GIF: il formato supporta fino a 8 bit per pixel. Il numero di colori è limitato a 256.

Poco adatto per immagini fotografiche a colori. È adatto ad immagini geometriche, loghi con zone di colore omogeneo.

Grado di compressione tipico = 50%.

Il logo e l’immagine dell’Italia sono GIF.

L’immagine dell’Italia è 125x160 px e pesa 6390 byte, ovvero circa 2.5 bit/pixel.

Formato JPEG: diminuisce la qualità della visualizzazione, ma utilizza tutta la gamma di colori RGB.

È adatto ad immagini di tipo fotografico con variazioni graduali del colore.

Non è adatto per immagini geometriche o con variazioni nette del colore (meglio TIFF o GIF o PNG).

È lossy perché comporta una perdita di risoluzione.

Non è adatto per immagini che devono essere editate più volte, perché ogni operazione di decompressione-ricompressione introduce degradazioni.

Grado di compressione tipico = 90%.

Compressione dati lossless

Compressione statistica: si associano codifiche più brevi a simboli più frequenti, per ridurre la lunghezza media (es. codifica Huffman).

Compressione basata su sostituzione: una sequenza di simboli uguali viene sostituita da un solo simbolo ed il numero di ripetizioni (es. RLE – Run Length Encoding).

Successioni di simboli ripetute vengono sostituite da un solo simbolo (es. LZ-Lempel Ziv).

Compressione audio: si sfrutta la ridondanza percettiva (psicoacustica), cioè l’incapacità dell’orecchio di percepire alcune componenti sonore in certe situazioni, che quindi non vengono codificate (es. MP3).

Compressione video: si sfrutta la sostanziale stabilità di buona parte dei fotogrammi, per cui vengono codificate solo le differenze (es. MPEG).

Il prezzo per bit

Prezzo per kbit (SMS) 0.20/1.28 = 0.156 €/kbit.

• 20 €cent/SMS.
• 20 €cent/min.
• 4 €/GB.

Prezzo per kbit (voce) 0.20/960 = 0.0002 €/kbit.

1 SMS = 160 byte =1280 bit. 1 minuto = 16*60 kbit = 960 kbit.

Prezzo per kbit (dati) 4/80⁶ = 0.0000005 €/kb.

Componenti di un computer

Hardware: insieme dei componenti materiali (CPU, memoria, dispositivi di I/O).

Sistema operativo: software di base che controlla e coordina l’uso dell’hardware tra le varie applicazioni dei vari utenti (e.g., Windows, Mac OS, iOS, Android).

Programmi applicativi: software che utilizza le risorse del sistema per specifiche applicazioni (compilatori, database, video game, programmi di gestione).

Evoluzione dei computer: generazioni

• Prima (anni ‘50): tecnologia a valvole; bassa affidabilità; elevati consumi energetici; linguaggio macchina.
• Seconda (anni ‘60): tecnologia a transistor; affidabilità più elevata; consumi minori.
• Terza (anni ‘70): tecnologia a circuiti integrati; linguaggi di programmazione di alto livello.
• Quarta (anni ‘80): personal computer; compattezza; costi ridotti; calore ridotto; aumento applicazioni.
• Quinta (giorni nostri): dimensioni ridotte; consumi molto bassi; connettività di rete elevata; interfacce user-friendly.

Linee di tendenza

• Aumento della connettività di rete.
• Miniaturizzazione.
• Miglioramento dell’usabilità dell’interfaccia.
• Aumento della potenza di calcolo d’utente.

Macchina di von N