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Dati digitali - Capitolo 2


Il multimedia odierno è pressoché totalmente digitale.
Basti pensare ai moderni film di animazione che sono creati al computer con tecniche digitali.
Vediamo di esaminare in questo capitolo, in dettaglio cosa significa.

Simboli, Dati ed Informazione

L'informazione è fatta di dati e i dati sono codificati con opportuni simboli.

I simboli sono un modo per rappresentare qualcos'altro. L'alfabeto delle lettere sono dei simboli convenzionali, attraverso il quale si è in grado di rappresentare le parole.
Esiste sempre una convenzione o una regola, attraverso il quale è universalmente o comunemente noto con quali simboli si puo' rappresentare un dato.

I dati sono dati da misure, osservazioni ed eventi, ma una lista di dati non sono ancora informazione.

Quando i dati sono resi utili, sono interpretabili secondo un opportuno significato ed una data logica e una volta fatto producono maggiore "comprensione" allora tali dati rappresentano una informazione.

Il numero di informazioni che sono necessarie per rendere un fenomeno noto dipende dalla conoscenza iniziale di coloro che devono ricevere tale informazioni.

Quando si pensano e si producono prodotti multimediali bisogna sempre porsi nel punto di vista di coloro che dovranno poi utilizzare tale prodotto e considerare quelle che sono le conoscenze e le competenze degli utenti.

Si può anche dire che un dato è una descrizione elementare, spesso codificata in simboli, di una cosa, di una transazione, di un avvenimento e altro. L'elaborazione dei dati può portare alla conoscenza di un'informazione.

I dati possono essere Digitali o Analogici:
Il mondo che ci circonda, i suoni, le immagini sono analogiche, ma per essere facilmente memorizzate, trasmesse e soprattutto elaborate al computer devono essere prima convertite in digitale.

Dati digitali

L'informazione digitale è costituita da dati digitali, ossia costituite da simboli rappresentabili con sequenze di numeri digitali. Si usa, per comodità, la rappresentazione binaria.
Questo perché in elettronica si riesce comodamente a realizzare componenti che possono variare rapidamente tra due possibili "stati", che corrispondono all'interruttore aperto, ossia lo stato OFF, lo '0' logico, oppure l'interruttore chiuso, lo stato ON, l' '1' logico.
Pertanto in elettronica si riesce facilmente ad ottenere la cifra binaria, in inglese binary digit, ossia il bit.

Attraverso opportune sequenze di bit tutta l'informazione viene codificata utilizzando dati digitali. La cosiddetta codifica digitale (digital encoding) è il processo attraverso il quale ogni oggetto, ogni dato viene rappresentato in digitale.

Per effettuare questa codifica è necessario fare delle scelte e seguire determinate regole. Per esempio, se si vogliono codificare in binario le lettere, si deve stabilire quanti bit si vogliono usare per ciascuna lettera. Così facendo si stabilisce quanti singoli caratteri differenti possono essere rappresentati (si pensi anche ai caratteri speciali) ma anche quanto "peserà" l'intero documento in termini di spazio sull'hard disk.
8 bit indicano un Byte (B), 4 bit indicano un nibble.
Con un solo bit si possono rappresentare solo due stati differenti.
Con due bit se ne possono rappresentare quattro, con tre bit otto e così via.

Con n bit differenti è possibile rappresentare 2n simboli differenti.

E' importante considerare che con 8 bit si possono quindi rappresentare 256 simboli, che sono più che sufficienti per rappresentare i caratteri principali usati nei linguaggi occidentali come l'inglese, il francese o l'italiano ma non contemporaneamente tutti (si pensi ai caratteri accentati).


Un codice si chiama Effettivo se permette di rappresentare ciascun dato desiderato attraverso una unica combinazione di simboli.
In aggiunta a questo un codice si dice Efficiente se il suo utilizzo non è a discapito dell'elaborazione, della memorizzazione e della trasmissione a distanza dell'elaborazione.
E' un inutile spreco infatti utilizzare un codice più lungo di quello strettamente necessario.
Con il codice ASCII si riesce a rappresentare fino a 128 simboli differenti, perché ha sette bit; con quello esteso se ne rappresentano 256.
Con il codice Unicode si rappresentano circa 65000 caratteri, nella versione a 16 bit.

File digitali

Cosa è un file? E' un contenitore di informazioni, siano essi testi, immagini, video o programmi e dati di controllo. Tutto può essere codificato in codice binario.
Ogni file è in uno specifico formato che è il modo convenzionale con cui il sistema di elaborazione (computer) e in particolare il sistema operativo, convenzionalmente memorizza i dati, anche a seconda dell'applicazione che si sta usando.

Una qualsiasi stringa di codici binari, più o meno lunga, senza una convenzione sul formato non ha significato.

La grandezza di un file è, solitamente, misurata in byte o suoi multipli. KyloByte (kB) indica 210=1024 byte, MegaByte (MB) indica 220 ossia 1024 kB, GigaByte indica 230=1024 MB, TeraByte indica 240=1024 GB.

Solitamente il formato di un file è individuato convenzionalmente da una estensione.
Le principali estensioni:

Soprattutto i file multimediali (testi, immagini, video) possono avere problemi di compatibilità visto che devono funzionare su tutte le diverse piattaforme.
Devono essere dei formati compatibili e ben funzionanti non solo nel sistema operativo e nella piattaforma di creazione e di sviluppo ma anche e soprattutto in quella di utilizzazione finale da parte degli utenti.
Nel fare questa analisi ci si deve chiedere se si utilizzano specifici software, applicazioni, plug-in e se essi sono gratuiti o a pagamento e universalmente accettati.

Molto spesso quando ci sono problemi di compatibilità fra i formati si ricorre alla conversione del file.
Inoltre è buona norma, anche in caso di modifiche del file e di conversioni di formato, conservare anche il formato originale

Conversione da Analogico a Digitale (A/D) o Digitalizzazione

L'informazione presente in natura sia essa di immagini fisse o in movimento, o di suoni, è analogica, ossia varia con continuità nel tempo, ed assume un numero infinito di valori differenti, compresi tra il valore minimo e quello massimo.
Attraverso un computer digitale conviene operare attraverso un processo di conversione da analogico a digitale.
E' il processo che consente di trasformare un suono o un'altra informazione analogica in un dato digitale, ossia in ultima analisi, in un file in uno specifico ed opportuno formato, che consiste in una sequenza (stringa) di numeri binari.

Il primo passo per effettuare questa conversione è il campionamento.
Occorre prelevare opportuni campioni del segnale sonoro. La frequenza minima di questi campioni è stabilita dal Teorema del Campionamento.

Con il teorema del Campionamento di Nyquist-Shannon, si dimostra che la frequenza minima di campioni da prelevare deve essere almeno pari al doppio della massima frequenza del segnale analogico da digitalizzare.

Per esempio, un segnale telefonico con una frequenza massima di 4kHz può essere correttamente campionato prelevando 8mila campioni al secondo.

Anche nel caso delle immagini, e della fotografia, campionare vuol dire prelevare un numero sufficientemente opportuno di campioni (pixel).

Essere troppo accurati nel campionamento produce dei file troppo grandi, ed è dunque giusto cercare un compromesso tra la giusta qualità e lo spazio sprecato delle memorie secondarie.

E' importante anche considerare la risoluzione ossia il numero di bit che si intendono utilizzare per ciascun campione. Stabilito questo si deve sfruttare la Quantizzazione che è il processo di arrotondamento del valore del campione al valore più vicino tra quelli disponibili (necessariamente in numero finito) del codice digitale che si sta usando.

La digitalizzazione, con la quantizzazione, è un processo che introduce una certa approssimazione. Non si memorizza né si trasporta a distanza ad esempio, in una immagine il colore vero di un pixel, ma quello più "vicino" tra quelli disponibili.

Se la risoluzione non è troppo scarsa, la quantizzazione non è un problema visibile all'utente nel caso delle immagini, oppure udibile nel caso del suono.

Nel caso delle immagini fotografiche, se per ogni pixel si utilizzano 24 bit, si hanno a disposizioni 16,7 milioni di colori, ossia ogni tonalità che l'occhio umano riesce a percepire.

Se abbasso la risoluzione a soli 2 bit per pixel, ho a disposizione solo quattro colori e il difetto è evidente.

Un altro fattore importante nei dati che digitalizzano i suoni e le immagini e' la frequenza di campionamento (sample rate), misurata in Hertz (campioni al secondo), che nel caso delle immagini viene anche chiamata risoluzione grafica. Essa indica la densità dei pixel, ossia quanti pixel vengono considerati ogni pollice (e si misura in ppi - point per inch).



I file digitali che codificano i media, siano essi immagini o suoni, possono essere di due tipi:
Nel caso delle immagini bitmap, o dei suoni campionati, è una accurata descrizione dei singoli elementi (siano essi pixel o campioni) che deve essere codificata in binario.
I singoli campioni che descrivono un suono o una musica sono rappresentati. E' una descrizione precisa ma che occupa indubbiamente spazio su disco.

Nell'altro caso, quella basata sui comandi, per rappresentare dei disegni si deve scrivere al programma che poi dovrà visualizzarli cosa è presente nel disegno e quali sono le sue caratteristiche. Per fare un esempio nel caso di un cerchio è sufficiente una descrizione del centro del cerchio (coordinate), del raggio del cerchio, e del colore e dello spessore del cerchio stesso.

Nel secondo caso per rappresentare lo stesso cerchio occorrerebbe rappresentare tutti i suoi punti, con la risoluzione scelta, in termini di densità di pixel.

Per le immagini, con Microsoft Paint si creano immagini bitmap, mentre con Corel Draw oppure Adobe Illustrator si creano immagini vettoriali o di disegno.

Nel caso dei suoni esiste il formato MIDI - Musical Instrument Digital Interface, che è un linguaggio informatico che descrive i comandi per poter sintetizzare i suoni degli strumenti musicali.

Compressione

Cosa è la compressione dei file?
E' il metodo per cercare di risolvere il problema della eccessiva dimensione dei file.
Nel caso delle immagini bitmap, una piccola immagine di 1024 per 768 pixel è costituita da 786432 pixel. Se ogni pixel viene rappresentato in true color con 24 bit occorrerebbero oltre 18Megabit, ossia 2.3MByte.
Se poi si considerano le immagini in movimento questo flusso diventerebbe eccessivo per essere trasmesso via Internet oppure processato.

Comprimere un file vuol dire effettuare una ricodifica digitale in modo da ridurre le dimensioni del file mantenendo la qualità del suono, dell'immagine e del video.
Esiste un programma chiamato codec che si occupa di codificare e/o decodificare digitalmente un segnale (tipicamente audio o video) perché possa essere salvato su un supporto di memorizzazione o richiamato per la sua lettura.
Se questo viene fatto con lo scopo di ridurre la dimensione fisica del file si ottiene il vantaggio di aumentare l'efficienza e l'utilizzo nel web di un applicazione multimediale.
Anzi si puo' dire che senza compressione non di potrebbe usufruire di determinati media con le caratteristiche della rete, la larghezza di banda media a disposizione degli utenti (per esempio con l'ADSL) e le caratteristiche hardware dei computer utilizzatori.
Esistono due tipi di compressione:

Metodi per la correzione degli errori

Se si verifica un deterioramento dei supporti magnetici o ottici dove si trovano memorizzati i file binari e digitali, oppure durante la trasmissione a distanza si ha una perdita di dati trasmessi o una erronea ricezione, il cambiamento anche di pochi bit memorizzati o trasmessi può comportare seri problemi. Distorsione, perdita dell'informazione memorizzata e/o trasmessa possono rappresentare seri problemi.
Occorrono dunque dei metodi automatici nei sistemi digitali per rendersi conto se un file è danneggiato, o se è stato erroneamente ricevuto e deve essere di nuovo inviato.
Occorrono anche dei metodi per correggere questi errori. O quantomeno, per ridurne l'influenza.
Il metodo più semplice è quello del bit di parità.
Attraverso questo metodo si contano il numero di bit uguali a '1' nell'informazione codificata, trasmessa o memorizzata. E si aggiunge un bit di parità, aggiuntivo, il cui valore dipende dalla conta del numero dei bit uguali a '1' nell'informazione codificata
Ci possono essere due tipi di bit di parità: Se ad esempio si vuole aggiungere un bit di parità ogni 7 bit, se la stringa è '1001001' essendo uguale a tre (dispari) il numero di '1' il bit di parità deve essere '1' nella parità pari.
Quando il file memorizzato viene riletto, anche a distanza di tempo, oppure in ricezione, se la parità ci si accorge che è sbagliata, il sistema può rendersi conto dell'errore e segnalarlo. In caso di ricezione può chiedere al trasmettitore di inviarlo di nuovo.
E' chiaro che è un principio, ma è debole, perché se l'errore si verifica in due bit il sistema può non accorgersi di nulla.
Esistono metodi più complessi e più affidabili.

Vantaggi e sfide da superare del Digitale

I vantaggi principali dell'informazione codificata in digitale sono:
I problemi aperti e le sfide da superare sono ancora legate a:




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