Capitoli 1 e 2 audiovisivo

Il digitale nella rappresentazione grafica

Vitale Alina, Perrone Nicole, Bisignano Oriana, De Costanzo Camilla, Kotiliarova Irina

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L'immagine grafica digitale

Nell'ambito dell'immagine grafica digitale si possono distinguere due tipologie di immagini:

• raster;
• vettoriali.

L'immagine raster

L'immagine raster è una griglia, o matrice, composta da tanti punti detti pixel che sono gli elementi costruttivi dell’immagine e possiedono le informazioni di colore o intensità espressi in bit. Un’immagine raster non può subire trasformazioni geometriche, come zoom e ridimensionamento, senza la perdita di informazioni (se ad esempio volessimo fare uno zoom in un punto preciso dell’immagine, essa risulterà sgranata, dunque presenterà delle scalettature, detto aliasing).

I bit

La parola bit in informatica indica la componente elementare dei dati, cioè la minima unità di informazione. Un bit può assumere soltanto due stati, convenzionalmente identificati dai valori 0 e 1. La sequenza di bit più comune è rappresentata dal byte, formato da otto bit.

L'immagine vettoriale

L’immagine vettoriale è composta da un insieme di tracciati che si snodano in punti di ancoraggio, tutti i tracciati iniziano e finiscono con un nodo. Le immagini vettoriali, a differenza di quelle raster, non subiscono nessuna perdita di informazioni grazie a delle equazioni matematiche e formule geometriche perché non si tratta di ingrandire o rimpicciolire la griglia di pixel, ma di ingrandire o rimpicciolire linee e curve secondo formule matematiche.

I formati dell'immagine digitale

Per ridurre il peso di un file immagine è opportuno comprimere l’immagine però mantenendo delle sue caratteristiche specifiche. I formati si suddividono in tre grandi categorie, perché ogni formato indica una tipologia distinta di compressione:

• senza compressione;
• compressione lossless;
• cpmpressione lossy.

I formati raster

Grazie a dei software specifici è possibile generare, importare o esportare immagini raster in vari formati.

JPEG (Joint Photographic Experts Group) Si tratta di un formato standard per la compressione di file immagine con perdita di dati. Il JPEG non è il formato migliore per la stampa di immagini ad alta risoluzione, è spesso utilizzato per archiviazione e trasmissioni di immagini sul web. È un formato lossy.

RAW E' un formato compresso delle fotocamere di fascia medio-alta. La compressione è lossless, dunque non c’è alcuna perdita di informazioni dell’immagine.

DNG (Digital Negative) Il negativo digitale è un formato universale NON compresso che contiene sia i dati da fotocamera di RAW, sia i relativi metadati Exif. È ideale per l’archiviazione a lungo termine.

I formati raster

JPEG 2000 Formato sviluppato per migliorare la scarsa resa di JPEG per quanto riguarda la compressione di immagini con testo. Esso è in grado di supportare diversi tipi di immagini in ambito medico, nell’archiviazione di immagini e nelle applicazioni mobile. Supporta sia la compressione lossy che quella lossless.

GIF (Graphics Interchange Format) E' un formato raster concepito inizialmente per la facciale trasmissione e visualizzazione dell’immagine. Il formato di GIF è caratterizzato da una perdita di informazioni rispetto ad altri formati raster.

TIFF (Tagged Image File Format) Formato con compressione lossless, ideato per l’archiviazione e lo scambio di immagini raster. Perfetto se si vuole stampare un’immagine da 16 bit.

I formati raster

PSD (PhotoShop Document) Formato compresso lossless ed ha la capacità di archiviare tutte le caratteristiche di Adobe Photoshop (livelli, effetti, maschere, ecc.).

PNG (Portable Network Graphics) Formato raster lossless, dunque senza perdita di dati, ed è utilizzato come alternativa migliore a GIF.

I formati vettoriali

I formati vettoriali hanno una maggiore compressione di dati rispetto a quelli raster ed occupano meno memoria.

PDF (Portable Document Format) E' un formato flessibile, particolarmente adatto alla descrizione di pagine e immagini, consente dunque di visualizzare e condividere documenti con testi, font, elementi grafici vettoriali, bitmap e impaginazioni. Esso, però, non è compatibile con altri formati concepiti esclusivamente per le immagini; infatti, un formato PDF prevede diversi gradi di compressione a seconda del suo utilizzo.

PS (PostScript) Non si tratta propriamente di un formato immagine, ma di un linguaggio di programmazione che descrive molto accuratamente l’aspetto di una pagina e dei suoi elementi di grafica vettoriale (come i font di testo, le immagini bitmap per la stampa o per la visualizzazione a schermo).

EPS (Encapsulated PostScript) Formato PS a bassa risoluzione e permette al file di essere visualizzato senza essere interpretato dal PS.

I formati vettoriali

SVG (Scalable Vector Graphics) Si tratta di un formato vettoriale utilizzato per grafica web bastato sul linguaggio di marcatura XML (esso è un file di testo standard che utilizza tag personalizzati). È un formato che viene maggiormente utilizzato da coloro che lavorano con il web.

AI (Adobe Illustrator) Formato proprietario di Adobe per le immagini vettoriali, esso può essere visualizzati solo da programmi di terze parti e solo in parte modificarli.

Il sensore nel processo di digitalizzazione

Dall'immagine analogica all'immagine digitale

La produzione di un'immagine digitale è fondata sulla trasformazione di informazioni la quale risulta impercettibile, in una serie di cifre binarie. Questo processo, chiamato digitalizzazione, avviene all'interno della fotocamera digitale, per mezzo del sensore. La luce proveniente della realtà inquadrata, viene proiettata nei singoli fotositi. Ogni singola unità viene analizzata e trasformata in pixel . Così le immagini vengono processate e salvate in un file con un formato stabilito.

I sensori

Nella fotocamera digitale la formazione dell'immagine dipende dal sensore ; la luce, passando attraverso l'obiettivo, finisce sul sensore e viene immagazzinata in ogni fotosito come carica elettrica. Da ogni fotone si sviluppano elettroni che generano tensione elettrica, che viene trasformata in segnali digitali da un convertitore analogico. Per ottenere il colore davanti al sensore viene posto un filtro colore. Si può affermare che esistono due tipi di sensori: il CCD e il CMOS. Sono composti entrambi da:

• un filtro di colore;
• un amplificatore del segnale;
• un convertitore analogico/digitale;
• una matrice di fotositi.

I fotositi e i pixel

Il fotosito è la parte unitaria del senatore e appartiene alla categoria hardware. Mentre il pixel rappresenta un gruppo di dati che descrive le caratteristiche cromatiche dell'immagine e appartiene alla categoria software.

Dalla luce alle informazioni digitali

La luce viene trasformata in informazioni digitali seguendo 5 fasi :

1. Fase di integrazione. I fotoni forniscono l'energia finché gli atomi di silicio liberino elettroni, in modo tale che il segnale luminoso si converte in carica elettrica.
2. La carica si sposta da una riga di fotositi a quella sottostante, favorendo la lettura e l'elaborazione di una riga alla volta. Il movimento della carica avviene secondo un andamento prima parallelo e, infine, seriale. Nel primo la carica si muove lungo le colonne della matrice di fotositi ; nel secondo si muove lungo l'ultima riga, cioè lo shift register. Qui avviene la conversione della carica elettrica in segnale analogico di tensione.
3. Le cariche, sono convertite da un segnale analogico ad uno digitale attraverso un convertitore analogico/digitale generalmente esterno al sensore che traduce le informazioni elettriche in informazioni numeriche.
4. Queste informazioni passano in un processore che le modifica e adatta attraverso processi di interpretazione.
5. Il file immagine viene archiviato in una memoria di massa.

Il filtro di Bayer

Il filtro di Bayer, è una matrice di colori situate al di sopra del sensore e ha la funzione di fornire le informazioni relative alla scena inquadrata. I fotositi conteggiano i fotoni ma non riconoscono la lunghezza d'onda che li colpiscono, ed è grazie al filtro di Bayer se il colore viene determinato.

Il funzionamento del filtro di Bayer

La matrice di Bayer è costituita da un mosaico di piccoli filtri di colore rosso, verde e blu. Possiamo notare una predominanza del colore verde e questo è dovuto al semplice fatto che il colore verde risulta essere il più sensibile per l'occhio umano. A ciascun filtro colorato corrisponde un singolo fotosito che riceve i fotoni di lunghezza d'onda corrispondente al colore del filtro. In parole povere, questi tre colori permettono solamente il passaggio delle loro componenti, bloccando tutti gli altri colori. Ogni fotosito codifica una sola componente cromatica a seconda del filtro che lo ricopre.

L'amplificatore del segnale

La luce attraversa l'obiettivo e raggiunge il sensore elettronico che la trasforma in segnale elettrico poi viene amplificata dall'amplificatore e aumentando il valore cresce la potenza del segnale.

Il convertitore analogico/digitale

È un circuito elettronico in grado di convertire un segnale analogico con uno sviluppo continuo. Esso dipende dal numero di bit che ha a disposizione per archiviare un segnale, il numero di livelli tonali con cui viene rappresentato un'immagine è pari a 2ª dove a è il numero totale di bit, il significato e l'importanza di ogni bit varia con la sua posizione e la misura (o quantità) del segnale che rappresenta.

Il funzionamento del convertitore

Per digitalizzare un segnale variabile nel tempo è necessario individuare istante dopo istante, questa operazione è definita campionamento e viene effettuata ad intervalli di tempo costanti. Più sono vicini nel tempo i punti, migliore sarà l’approssimazione. Il convertitore analogico/digitale converte i valori campionati in un numero intero binario, il processo di campionamento e quantizzazione, può essere rappresentato da un grafico a scala.

Il rumore

Qualsiasi segnale generato da un dispositivo elettronico porta con sé del rumore (disturbo nell'immagine), e questi avvenimenti sono dovuti da diversi fattori.

Efficienza quantica e capacità elettronica

Non tutti i fotoni su un fotosito vengono sfruttati per la liberazione di elettroni. I fotoni che riescono in questo intento sono chiamati fotoelettroni. I fotositi hanno una soglia oltre la quale non riescono ad accumulare gli elettroni. Il numero massimo di fotoelettroni che ogni fotosito è in grado di accumulare, viene definito capacità elettronica, quando i fotositi si saturano, gli elettroni in eccesso si spostano sui fotositi vicini generando rumore. Questo artefatto viene chiamato blooming (bagliore), ed è causato da un eccesso di carica che finisce per traboccare sui fotositi.

Errore di approssimazione e generazione di rumore

Quando un segnale viene digitalizzato si verifica sempre un errore a causa della risoluzione del convertitore analogico/digitale; durante il processo di digitalizzazione dell’immagine, questi errori di “arrotondamento”, generano una perdita di informazioni e la produzione di rumore, per questo motivo le immagini devono venire digitalizzate nel valore di profondità in bit più elevato possibile per evitare di scontrare questi errori.

La corrente nera

I fotositi producono una "corrente nera" che è un segnale di fondo che fa funzionare la fotocamera diglitale.

Caratteristiche del sensore CCD

Il CCD (dispositivo ad accoppiamento di carica) è un circuito integrato dove si trovano i fotositi. Ogni fotosito corrisponde ad un pixel di un immagine digitale. Il CCD ha il filtro di bayer, la matrice di fotositi e l' amplificatore.

Caratteristiche del sensore CMOS

Il sensore CMOS ha una matrice, un amplificatore digitale e un convertitore analogico/digitale.

Il sensore foveon si comporta come la pellicola e ha 3 strati e ognuno cattura un solo colore primario. Si tratta di un sensore a immagine diretta a strati verticali. Il sensore foveon usa la penetrazione della lunghezza d’onda di luce nel silicio la quale impiega tre fotodiodi messi in modo verticale su ogni fotosito. Il sensore foveon ha dei problemi, come nella separazione dei tre colori primari per ciascun fotosito. Ció comporta a un elaborazione maggiore per estrarre i tre colori da ogni fotosito per poi finire l’immagine. Inoltre i sensori foveon essendo stratificati soffrono di più i rumori ad alto ISO rispetto agli altri sensori, in quanto, la luce deve attraversare più strati.

Il sensore Foveon