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.

I simboli hanno una forma ben precisa che ci consente di distinguerli l’uno dall’altro. Ciascun 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 binario): [0, 1]. Mediante l’uso di solo due simboli, si ottiene la rappresentazione di ogni tipo di 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 numerica. Si ha una codifica digitale ogni volta che un’informazione viene rappresentata in forma digitale.

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:

• Kbyte 1024 byte (2¹⁰) (chilo)
• Mbyte 1024 Kbyte (mega)
• Gbyte 1024 Mbyte (giga)
• Tbyte 1024 Gbyte (tera)

La cardinalità dell’informazione rappresenta il numero di informazioni distinte che si vogliono 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 xx bit (parallelismo) = 2 combinazioni = 2 oggetti (cardinalità)

Rappresentazione digitale dell’informazione

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

• Informazione testuale
• Informazione multimediale (immagini, suono, filmati).

Rappresentazione digitale dell’informazione testuale

Con ‘informazione testuale’, si intende quell’informazione di tipo alfanumerico che solitamente si 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 analizzabile entro un insieme discreto di elementi.

L’informazione per gli umani ha un carattere 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 ogni caso, il segnale digitalizzato perde sempre qualcosa rispetto all’originale analogico: non sarà 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 la griglia dei pixel è ordinata dal basso verso l’alto e da sinistra verso destra. Dato che il contorno 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 (=2⁸) sfumature di ciascuno dei 3 colori bastano per comporre un numero sufficiente di colori.

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

1. Cattura: formazione delle immagini.
2. Campionamento: nel caso di un’immagine, il campionamento è di tipo spaziale. Il numero di 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.
3. Quantizzazione: ad ogni pixel si associa un’informazione riguardante il colore con la 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.
4. Codifica: mediante la codifica, l’immagine viene trasformata in un’informazione digitale 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 particelle del mezzo circostante. Di solito, il mezzo è l’aria, ma potrebbe essere un qualsiasi materiale come l’acqua, l’acciaio, ecc.

L’altezza del suono: non tutti i corpi elastici vibrano nello stesso modo; essi possono produrre, nello stesso intervallo di tempo, più o meno vibrazioni. L’altezza di un suono 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:

1. Acquisizione: la pressione dell’onda sonora viene convertita in segnale elettrico mediante un dispositivo trasduttore.
2. Campionamento: consiste nel misurare il segnale elettrico prodotto dal trasduttore ad intervalli regolari di tempo. Quanto più frequentemente il valore di intensità dell’onda viene 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_c) indica il numero di campioni al secondo del segnale originale che vengono rappresentati nel segnale digitale e la sua unità di misura è in Hertz (Hz).
3. Quantizzazione: consiste nell’andare ad associare ad ogni campione del suono (segnale elettrico continuo) un numero. Quindi, in analogia con la rappresentazione dei numeri e dei caratteri, possiamo immaginare un segnale audio come una sequenza temporale di valori discreti appartenenti all’intervallo (a₁ a₂ a₃ a₄ a₅).
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 semplicemente, binarizzazione. Esistono formati differenti a seconda dell’impiego, essi si 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 digitali con perdita di informazioni MP3 (.mp3). Quest’ultimo garantisce una fedeltà molto alta, efficienza e grande diffusione, in quanto la dimensione del file ottenuto è molto inferiore di quella originale (anche un decimo, o meno). In alternativa all’MP3, vi sono i 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