Informatica basi

Rappresentare l’informazione

Le rappresentazioni equivalenti si riferiscono al contenuto e non alla forma rappresentativa.

La scelta della rappresentazione è in genere vincolata al tipo di utilizzo ed al tipo di operazioni

(elaborazione) che devono essere fatte sulle informazioni stesse.

Il concetto di equivalenza affida il contenuto di uno stesso messaggio a diverse forme

rappresentative. Tali forme rappresentative sono costituite da oggetti ai quali chi invia e chi riceve

attribuisce lo stesso significato. Tali oggetti sono detti simboli.

consente di distinguerli l’uno dall’altro. Ciascun

I simboli hanno una forma ben precisa che ci

simbolo deve essere univocamente identificabile. Nel corso dei secoli, i simboli sono stati riportati

su un supporto fisico che ne garantisse la conservabilità: pareti rupestri, carta, legno, ecc.

L’associazione tra simboli e significati consente di ottenere la rappresentazione dell’informazione

passando attraverso tre livelli:

1. Sintattico (legato ai simboli e al loro uso)

2. Semantico (legato al significato attribuito)

3. Pragmatico (legato alla contestualizzazione)

Codifica e codice

L’associazione tra un insieme di simboli e un insieme di significati si chiama codifica. La codifica

realizza una corrispondenza tra i simboli e il significato. In base a questa associazione, il simbolo

porta l’informazione (anche se non è l’informazione in sé). È possibile passare da una codifica ad

un’altra, operazione che viene chiamata – – –

transcodifica (es. 3 III Tre Three).

La regola di associazione tra un insieme di simboli e un insieme di significati si chiama codice.

L’insieme di simboli utilizzati per rappresentare l’informazione viene detto alfabeto.

Sistema binario

L’insieme di simboli utilizzati per rappresentare le informazioni in un computer sono due (sistema

[0, 1]. Mediante l’uso di solo due simboli, si ottiene la rappresentazione di ogni tipo di

binario):

informazione all’interno di un computer. Siccome la rappresentazione dell’informazione all’interno

di un computer avviene mediante simboli numerici (0 e 1) si parla di rappresentazione digitale.

L’associazione tra un insieme di simboli numerici e un insieme di significati si chiama codifica

Si ha una codifica digitale ogni volta che un’informazione viene rappresentata in forma

digitale.

numerica.

L’associazione tra un insieme dei due simboli numerici e un insieme di significati si chiama

codifica digitale binaria o, più brevemente, codifica binaria. La codifica binaria costituisce la

rappresentazione di una qualsiasi informazione all’interno di un computer. Nella totalità dei casi ci

si trova a dover codificare (cioè rappresentare) più di due informazioni. La tecnica è quella di

ricondurre una scelta tra molte possibilità ad una sequenza di scelte binarie (dicotomica o

bipartizione).

L’informazione immagazzinata ed elaborata dal computer si basa quindi su una rappresentazione

(codifica) che si serve soltanto di due simboli numerici: 0 e 1. L’informazione elementare utilizzata

per la rappresentazione binaria di un’informazione viene detta BIT (contrazione di binary digit,

cifra binaria).

Il singolo bit è in grado di rappresentare due sole diverse possibilità. Per rappresentare un numero

maggiore di informazioni, è necessario utilizzare dei raggruppamenti di bit. Nei sistemi vengono

solitamente utilizzati raggruppamenti di 8 bit, che vengono chiamati byte; in tal caso, si parla anche

di stringa di otto bit.

Per indicare quantità maggiori di informazione, si ricorre ai multipli del byte che sono:

10

• Kbyte 1024byte (2 ) (chilo)

• Mbyte 1024Kbyte (mega)

• Gbyte 1024Mbyte (giga)

• Tbyte 1024Gbyte (tera)

dell’informazione rappresenta il numero di informazioni distinte che si vogliono

La cardinalità

rappresentare (codificare). Es. la codifica dei mesi dell’anno ha cardinalità = 12.

La lunghezza (o parallelismo) del codice binario rappresenta il numero di bit necessari a

rappresentare (codificare) le informazioni.

Ovviamente la lunghezza (o parallelismo) del codice binario è legata direttamente alla cardinalità

dell’informazione.

Il calcolo combinatorio cerca di rispondere alla domanda: quanti oggetti posso quantificare con x

bit?

1 bit = 2 combinazioni (0, 1) = 2 oggetti

2 bit = 4 combinazioni (00, 01, 10, 11) = 4 oggetti

3 bit = 8 combinazioni (000, 001, …, 111) = 8 oggetti

x x

x bit (parallelismo) = 2 combinazioni = 2 oggetti (cardinalità)

digitale dell’informazione

Rappresentazione

Le tecniche di rappresentazione digitale sono legate alla tipologia degli oggetti da codificare:

• Informazione testuale o

• Informazione multimediale (immagini, suono, filmati).

Rappresentazione digitale dell’informazione testuale

Con ‘informazione si intende quell’informazione di tipo alfanumerico che solitamente si

testuale’,

immette in un sistema di elaborazione mediante tastiera. È costituita da lettere alfabetiche

minuscole e maiuscole (52), dieci cifre, segni di punteggiatura, segni matematici, caratteri

nazionali, altri segni grafici, per un totale di 220 caratteri circa. La codifica binaria

dell’informazione testuale ha quindi la necessità di codificare stringhe binarie di almeno 220

caratteri, per i quali servono 8 bit (1 byte).

La rappresentazione digitale dei caratteri si ottiene attribuendo a ciascuna lettera, cifra o simbolo da

codificare una sequenza di bit corrispondente al numero intero che rappresenta la posizione ordinale

(code position).

La rappresentazione digitale dei caratteri si basa su alcuni standard internazionali:

• American Standard Code for Information Interchange (codice ASCII) a 7 e 8 bit. Nella

versione ‘estesa’ ad 8 bit, consente di rappresentare 256 caratteri. Nella versione ‘ridotta’ a 7

bit, dei 128 caratteri disponibili solo 95 sono stampabili.

• Standard Unicode a 16 bit. Disponendo di 16 bit, è in grado di rappresentare 65536 caratteri.

Rappresentazione digitale dell’informazione multimediale

I caratteri alfanumerici non costituiscono le uniche informazioni utilizzate dagli elaboratori. Ad essi

si sono nel tempo aggiunte:

• Immagine;

• Suoni;

• Filmati.

Immagine

Le tecniche di rappresentazioni digitale dipendono dalla tipologia degli oggetti da codificare che di

solito si presentano in forma analogica. Ciò che è digitale è esprimibile mediante un numero finito,

o numerabile, di elementi. È contrapposto a ciò che invece è analogico, cioè non numerabile, non

L’informazione per gli umani ha un carattere

analizzabile entro un insieme discreto di elementi.

analogico; analogica è una grandezza che varia con continuità, quindi una variabile analogica può

assumere un numero infinito di valori.

È possibile convertire un segnale analogico (continuo) in uno equivalente digitale, questo processo

è chiamato digitalizzazione. A seconda degli scopi a cui è destinata la conversione, questa può

essere effettuata in modo grossolano e approssimativo, oppure in modo molto accurato e preciso. In

perde sempre qualcosa rispetto all’originale analogico: non sarà

ogni caso, il segnale digitalizzato

mai identico. Un oggetto viene digitalizzato, cioè reso digitale, se il suo stato originario (analogico)

viene ‘tradotto’ e rappresentato mediante un insieme numerabile di elementi.

Esempio: una foto, normalmente formata da un infinito numero di punti, ognuno dei quali

appartiene ad un’infinita gamma di colori, tradotta in foto digitale sarà formata da un numero finito

di punti appartenenti ad una gamma finita di colori. Una foto viene digitalizzata allorché la sua

superficie si rappresenta divisa in un numero discreto di ‘punti’, ognuno dei quali appartiene ad un

insieme limitato di colori.

Consideriamo un’immagine in bianco e nero, senza ombreggiature o livelli di chiaroscuro.

L’immagine viene suddivisa mediante una griglia formata da righe orizzontali e verticali a distanza

costante. Ogni quadrato della griglia prende il nome di pixel (picture element) e viene codificato in

binario secondo la seguente convenzione: il simbolo 0 viene utilizzato per la codifica di un pixel

corrispondente ad un quadrato il cui bianco è predominante, il simbolo 1 viene utilizzato per la

codifica di un pixel corrispondente ad un quadratino in cui il nero è predominante. Per convenzione

è ordinata dal basso verso l’alto e da sinistra verso destra. Dato che il contorno

la griglia dei pixel

della figura non sempre coincide con la griglia, si ottiene un’approssimazione della figura

originaria. La rappresentazione sarà più fedele all’aumentare del numero dei pixel (ovvero la

risoluzione).

Per codificare immagini con diversi livelli di grigio, si usa una rappresentazione binaria: ad ogni

livello di grigio corrisponde una sequenza di bit.

Per le immagini a colori, il colore viene generato dalla composizione di tre colori primari: rosso,

verde e blu (video RGB). I colori rappresentabili su un monitor sono riprodotti mescolando luce

rossa, verde e blu (RGB). Per descrivere un dato colore, basta quindi stabilire l’intensità di luce dei

tre colori che lo compongono. Ad ogni colore primario si associa una possibile sfumatura o

gradazione mediante un’opportuna sequenza di bit. Sperimentalmente si nota che 256 (=2 8 )

sfumature di ciascuno dei 3 colori bastano per comporre un numero sufficiente di colori.

di un’immagine si ottiene attraverso una serie di passaggi:

La digitalizzazione

1. Cattura: formazione delle immagini.

Campionamento: nel caso di un’immagine, il campionamento è di tipo spaziale. Il numero di

2. pixel per unità di area indica la ‘risoluzione’ con cui si è campionata l’immagine. Il numero

di pixel presenti sul video (colonne x righe) prende il nome di risoluzione dello schermo.

Risoluzioni tipiche sono: 640x480, 800x600, 1024x768, 2048x1536. La risoluzione si

esprime come prodotto del numero di campioni lungo una dimensione per il numero di

campioni lungo l’altra dimensione.

Quantizzazione: ad ogni pixel si associa un’informazione riguardante il colore con la

3. relativa intensità. La risoluzione cromatica (in termini di sfumature di colori) è legata alla

quantità di valori e si dice profondità di colore: maggiore è il numero di livelli utilizzati e

maggiori sono le sfumature di livelli di luminosità che si possono distinguere.

l’immagine viene trasformata in un’informazione digitale

4. Codifica: mediante la codifica,

binaria mediante un opportuno formato. Vi sono diversi tipi di codifica: la codifica raster o

bitmap (compresso/non compresso), la codifica vettoriale, e le codifiche ibride

(raster/vettoriale).

5. Restituzione (visualizzazione, stampa): a seconda del tipo di periferica, si utilizzano due

diversi parametri, ovvero dpi (dot per inch), punti per unità di misura (carta), o ppi (pixel

per inch), pixel per unità di misura (display).

Suono

I suoni costituiscono un tipo di informazione con cui siamo costantemente a contatto (linguaggio

parlato, musica, rumori). Dal punto di vista fisico, un suono è un’alterazione della pressione

dell’aria (rispetto alla pressione atmosferica che viene usata come riferimento) che, quando rilevata,

ad esempio dall’orecchio umano, viene trasformata in un particolare stimolo elettrico e, tramite

complicati processi cognitivi, interpretata.

Il suono per essere generato ha bisogno di una sorgente che vibrando mette in oscillazione le

l’aria, ma potrebbe essere un qualsiasi

particelle del mezzo circostante. Di solito, il mezzo è

materiale come l’acqua, l’acciaio, ecc.

L’altezza del suono: non tutti i corpi elastici vibrano nello stesso modo; essi possono produrre,

L’altezza di un suono

nello stesso intervallo di tempo, più o meno vibrazioni. è il parametro legato

alla sensazione di gravità/acutezza che si percepisce di un suono. Si misura in hertz.

L’intensità di un suono dipende dalla maggiore o minore energia con cui viene prodotto. Essa è

direttamente proporzionale all’ampiezza delle vibrazioni (e quindi alla forza con cui il suono viene

prodotto); ed inversamente proporzionale alla distanza tra chi ascolta e la fonte sonora: maggiore è

la distanza, minore sarà l’intensità con cui il suono viene percepito. L’intensità di un suono descrive

l’ampiezza delle variazioni dell’onda sonora e fornisce una misura dell’energia trasportata dall’onda

sonora. Si misura in decibel (dB).

Se ascoltiamo una stessa nota musicale ottenuta con strumenti musicali differenti, nonostante

abbiano la stessa frequenza, il nostro orecchio le percepisce come diverse.

Fisicamente un suono è rappresentato come un’onda (onda sonora) che descrive la variazione della

pressione dell’aria nel tempo.

Per l’informatica, è necessario trovare un modo per rappresentare in forma digitale l’onda sonora.

Una rappresentazione digitale assegna dei numeri che rappresentano di volta in volta il valore

dell’ampiezza in istanti successivi di tempo. La digitalizzazione di un suono si ottiene attraverso

una serie di cinque passaggi:

Acquisizione: la pressione dell’onda sonora viene convertita in segnale elettrico mediante un

1. dispositivo trasduttore.

2. Campionamento: consiste nel misurare il segnale elettrico prodotto dal trasduttore ad

il valore di intensità dell’onda viene

intervalli regolari di tempo. Quanto più frequentemente

campionato, tanto più precisa sarà la sua rappresentazione. Il periodo di campionamento è

l’intervallo di tempo che intercorre fra un campione ed il successivo. Esso si esprime in

secondi (o sottomultipli). La fedeltà del suono campionato aumenta se diminuisce il periodo

di campionamento. La frequenza di campionamento (f ) indica il numero di campioni al

c

secondo del segnale originale che vengono rappresentati nel segnale digitale e la sua unità di

misura è in Hertz (Hz).

Quantizzazione: consiste nell’andare ad associare ad ogni campione del suono (segnale

3. elettrico continuo) un numero. Quindi, in analogia con la rappresentazione dei numeri e dei

caratteri, possiamo immaginare un segnale audio come una sequenza temporale

discreti appartenenti all’intervallo (a

di valori a a a a ).

1 2 3 4 5

4. Codifica: mediante la codifica, il valore del campione del suono (ottenuto dalle fasi 2+3)

viene trasformato nella relativa informazione digitale binaria mediante un opportuno

formato. Tale conversione è detta digitalizzazione binaria o, più

Esistono formati differenti a seconda dell’impiego, essi si

semplicemente, binarizzazione.

possono classificare in due categorie, ovvero segnali musicali e segnali vocali. In ambito

musicale, è diventato uno standard il compact disc (CD), le cui caratteristiche vengono

ormai prese come riferimento per il cosiddetto ‘audio ad alta qualità’. I CD utilizzano

codifiche stereo (due canali) con frequenze di campionamento 44.1KHz e valori di

quantizzazione a 16 bit. Dunque il bitrate di un tale segnale è pari a circa: 2 canali x 44100

Hz x 16 bit = 1,35 Mbit/sec. In ambito vocale, come riferimento viene generalmente preso il

sistema telefonico digitale dove i segnali sono campionati con frequenza di campionamento

8 KHz e quantizzati con parole da 8 bit. Dunque il bitrate di un tale segnale è pari a 2 canali

x 8000 Hz x 8 bit = 125 Kbit/s. Inoltre i formati possono essere non

compressi WAVE (.wav) o specializzati per la compressione e la trasmissione di file audio

(.mp3). Quest’ultimo garantisce una fedeltà molto

digitali con perdita di informazioni MP3

alta, efficienza e grande diffusione, in quanto la dimensione del file ottenuto è molto

In alternativa all’MP3, vi sono i

inferiore di quella originale (anche un decimo, o meno).

MPEG-4 AAC, gli AC-3 e i WMA.

5. Restituzione (ascolto, registrazione)

Il segnale audio è un’onda meccanica continua che può essere rappresentata in funzione del tempo.

Filmato

Anche i video possono essere codificati in binario. Un filmato è formato da una sequenza di

immagini (fotogrammi o frame) che, se fatti vedere in sequenza ad una velocità sufficientemente

elevata, ci danno l’impressione che la sequenza sia continua.

Le immagini vengono prima viste dall’occhio attraverso un sistema ottico formato da cornea-

cristallino-retina, e poi dal cervello dove arrivano attraverso il nervo ottico sotto forma di impulsi

elettro-chimici.

L’occhio umano raccoglie la luce che gli proviene dall’ambiente mediante la cornea, ne regola

l’intensità attraverso un diaframma, l’iride, la focalizza attraverso un sistema regolabile di lenti, il

cristallino, per formarne un’immagine sulla retina. Tale meccanismo è stato riprodotto creando la

macchina fotografica. La retina presenta una sola zona di visione ottimale, chiamata fovea. In

questa zona, sono raggruppati la maggioranza dei coni, i fotorecettori destinati alla visione diurna.

La restante parte della retina possiede coni e soprattutto bastoncelli, fotorecettori che non

percepiscono i colori e che vengono saturati velocemente da una luce intensa. I bastoncelli sono 120

milioni, i coni 7 milioni anche se considerassimo solo i coni, sarebbe improponibile equipararli a un

pixel.

Gli esseri umani hanno un sistema visivo governato dai due occhi. Essi si trovano ad una distanza di

circa 5-6 cm e quindi, pur vedendo la stessa scena e gli stessi oggetti, lo fanno da due prospettive

differenti. Il cervello elabora le differenti immagini ricevute dagli occhi ottenendo l’effetto di

un fenomeno chiamato ‘persistenza il cervello uma