Rappresentazione e Compressione delle Immagini

Come si rappresenta un’immagine

• Un’immagine è di norma rappresentata come un raster, cioè una matrice di elementi discreti, detti pixel, ciascuno di un colore.

• Memorizzare un raster significa, in prima approssimazione, memorizzare la il colore di ciascun pixel

• Esistono diversi modi di memorizzare un’immagine raster, corrispondenti a diversi formati di file immagine – BMP, TIFF, JPEG, GIF, PNG, …

• I formati differiscono per il modo in cui si memorizzano i colori dei pixel

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Come si memorizza un’informazione di colore

• La luce è un’onda elettromagnetica, che colpisce il fondo della retina attraverso la pupilla

• Il fondo della retina è popolato di coni, che sono particolarmente sensibili a certe frequenze di luce

– Ci sono tre tipi di coni, sensibili in intervalli di frequenze differenti (ma non disgiunti)

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Come si memorizza un’informazione di colore

• L’apparato visivo (occhi+cervello) non è in grado di distinguere la composizione di luce (metameria)

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I Colori sul Monitor del PC

• I colori rappresentabili su un monitor sono riprodotti mescolando luce rossa, verde, blu (RGB)

• Per descrivere un dato colore, basta quindi stabilire l'intensità di luce dei tre colori che lo compongono

• Sperimentalmente, si nota che 256 (=28) sfumature di ciascuno dei 3 colori bastano per comporre un numero sufficiente di colori

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Memorizzazione del colore I

 Diretta (true color)

• Memorizzo il colore (RGB) di ciascuno dei pixel

• 24 bit (=3 byte) per pixel

Indicizzata (palette)

• Memorizzo una palette di n. colori RGB (3 byte/colore)

• Per ogni pixel, memorizzo l’indice della riga della palette che gli corrisponde

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Memorizzazione del colore II

• Casi particolari

1. B/N (monocromatica): un bit per stabilire il colore di un pixel (1=bianco, 0=nero)

2. Scala di grigi (grayscale): un numero per rappresentare la percentuale di nero di un pixel (spesso 256 livelli di grigio, 0=bianco, 127=grigio medio, 255=nero). 1 byte per pixel

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Quanti colori possono avere le’immagini?

1. Pochi colori

• Tipico: <=16, 256 colori

• Palette piccola

• Indice su pochi bit (4, 8)

2. Molti colori

• Tipico: >=1000 colori

•  Rappresentazione indicizzata poco (o per niente) conveniente 

• Meglio true color

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Esempi

1. Immagine 640x480 pixel, 256 colori

• Colore di ogni pixel rappresentabile su 8 bit (=1 byte)

• Dimensione dell’immagine: 648x480= 307200 pixel

• Per la matrice sono necessari 307200 byte

• Dimensione della palette: (almeno) 3*256=768 byte (trascurabile)

• Dimensione probabile del file in memoria: intorno a 308000 byte

2. Immagine 512x384 pixel, 65536 colori

• Colore di ogni pixel rappresentabile su 16 bit (=2 byte)

• Dimensione dell’immagine: 512x384 = 196608 pixel

• Per la matrice sono necessari 393216 byte

• Dimensione della palette: (almeno) 3*65536= 196608 byte (confrontabile con la dimensione della matrice)

• Dimensione probabile del file in memoria: intorno a 589824 byte

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Formati delle immagini

1. Non compresso

• Bitmap (BMP) –>Bitmap chiamate anche "immagini raster" sono costituiti da pixel/punti in fila una accanto all'altro in una griglia e rappresentano ciò che si può vedere sullo schermo.

2. Compresso

• Graphic Interchange Format (GIF)

• Portable Network Graphics (PNG)

• Joint Photographic Experts Group (JPEG)

3. Tagged Image File Format (TIFF).

• Formato “generico”: supporta sia immagini compresse che non compresse

4. Ciascun formato può consentire di memorizzare immagini con un numero di colori diverso

• Bitmap a 16M colori (true color), a 256 colori, …11

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Formato Bitmap

1. Consente di salvare immagini

• True color

• Con palette fino a 16, 256 colori

• B/N

2. Esempio: immagine 100x100 pixel

  

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Compressione delle immagini

Bisogna porsi due domande:

1. Ho davvero bisogno di tot. byte per rappresentare l’informazione associata a questa immagine ?

2.Mi costerebbe meno rappresentare l’informazione come compressa?

Formato compresso = Meno spazio occupato sul disco

Esistono due tipi di compressione

1. Lossless (senza perdita)

• dall’immagine (dall’informazione) compressa si ricava in modo esatto l’informazione originale

• Obbligatorio per tutto cio’ che viene manipolato da un computer, ad esempio programmi o dati (un file di Word)

2. Lossy (con perdita)

• dall’immagine (dall’informazione) compressa si ricava un’informazione simile a quella originale
• In ciò che è oggetto di percezione umana (musica, immagini) si può tollerare una limitata perdita di  informazione

Nota-Immagini compresse: La quantità di informazione associata all’immagine (la sua dimensione sul disco) dipende da cosa c'è nell’immagine stessa (solo in una BMP non è così) 

COMPRESSIONE PER Formato

Tagged Image File Format

1. Più flessibile che BMP

• Consente compressione delle immagini (sia RLE che LZW)

• Consente di definire un contorno dell’immagine (non necessariamente rettangolare), che può essere salvato insieme all’immagine

2. Maggiore portabilità

• Supportato da tutte le piattaforme grafiche

Formato GIF

1. Numero limitato di colori N (tipicamente 3, 16 o 256)

2. Memorizzazione di:

• Palette

• Immagine compressa (lossless)

✔File tanto più piccolo quanto più l’immagine è regolare

3. Non si ha perdita di informazione purché’ l’immagine originale abbia meno di N colori.

• Altrimenti alcuni colori dell’immagine originaria andranno persi

Formato GIF 2

1. Particolarmente adatto per comprimere immagini con colori pieni

• Banner pubblicitari

• Disegni, fumetti

• Immagini create artificialmente

2. Pochi colori

• Pattern di colore che si ripetono in modo regolare BMP, 116 Kb GIF, 5.89 Kb

Formato GIF 3

1. Trasparenza

2. Si può specificare un colore della palette come “sfondo”: i pixel così marcati prendono il colore di ciò che sta sotto

3. Animazione: in uno stesso file GIF possono essere salvate più immagini che vengono visualizzate in modo temporizzato generando l’effetto animazione

Formato PNG

1. Compressione lossless, simile a GIF

• Risolve alcuni problemi di brevetti (adesso scaduti)sull’algoritmo di compressione LZW

• Trasparenza

• Possibili palette con più di 256 colori

• Non sono possibili le animazioni

• Meno supportato che GIF

Formato JPEG

1. Compressione lossy                                      

• Compressione come trade-off tra dimensione e resa

☑Minor compressione, file più grande, miglior resa

☑ Maggior compressione, file più piccolo, peggior resa

2. Più adatto per fotografie

3. Basa la compressione sulle peculiarità della visione umana

• L’occhio è più sensibile alle variazioni di luminosità che di cromaticità.

• variazioni elevate tra pixel vicini tendono ad essere difficilmente percepibili