Le immagini digitali

La luce e le immagini

Il Sole emette radiazioni elettromagnetiche.
noi le conosciamo come onde radio, microonde, raggi INFRAROSSI, LUCE VISIBILE, e poi raggi ULTRA VIOLETTI, Raggi X e raggi GAMMA.
L'unica differenza che c'è tra quelle che chiamiamo LUCE e le altre è che i nostri occhi riescono a rilevarla.
Le radiazioni più lunghe che riusciamo a percepire sono quelle associate al colore ROSSO, mentre le più corte sono quelle associate al colore VIOLETTO.
Ci sono animali, come i felini, ad esempio, che riescono a vedere anche radiazioni più lunghe come i raggi infrarossi, mentre insetti ed uccelli riescono a distinguere anche radiazioni ultraviolette.

I I sistemi digitali possono lavorare in due modi:

RGB - Come per l'occhio umano i colori sono generati "sommando" la luce nei tre colori fondamentali.
E' lo stesso principio che vediamo nell'occhio umano.
La somma di tutti i colori alla loro massima intensità da il bianco.
Il monitor, visto da vicinissimo, infatti è formato da tanti puntini (pixel) a loro volta formati ognuno da tre led di colori diversi.
I colori vengono generati aumentando o diminuendo l'intensità luminosa di ciascun piccolissimo led.

CMYK (Ciano, Magenta, Yellow, Key Black) - E' un principio "sottrattivo", nel senso che i colori "tolgono" dall'immagine le frequenze associate.
Per capirci meglio, mentre RGB lavora aggiungendo luce, CMYK lavora togliendola.
E' il sistema utilizzato dai pittori quando vogliono creare dei colori, nel loro caso infatti la somma di tutti i colori è il nero.

Mentre il sistema RGB è adatto alla generazione di immagini da visualizzare su un monitor, CMYK è usato nella stampa con inchiostro, dove la stampante fa esattamente la stessa operazione del pittore, mescolando gli inchiostri in percentuali diverse (da 0 a 100%).

L'occhio umano

L'occhio umano dispone di "fotorecettori", cioè di cellule nervose in grado di riconoscere una certa radiazione.
I "colori" che noi percepiamo sono il risultato della riflessione da parte degli oggetti di queste tre radiazioni (i colori "fondamentali", Rosso, Verde e Blu - in inglese Red, Green, Blue - RGB).
Alcune persone difettano di una corretta distribuzione di questi fotorecettori e quindi non sono in grado di percepire i colori, questo difetto è la DALTONIA e può verificarsi a vari livelli (incapacità di percepire completamente uno o più dei tre colori fondamentali, ovvero in modo parziale, con una minore percentuale di fotorecettori di un tipo rispetto ad un altro).
Come esistono persone che vedono "meno" colori, così ne esistono altre che ne vedono di più.
Invece di una visione TRICROMATICA (cioè fondata su tre colori fondamentali) la loro vista è TETRACROMATICA (hanno cioè un tipo di recettore in più).
Queste persone sono in grado di distinguere centinaia di sfumature di colore che noi non possiamo percepire.
Direi "ovviamente", non è possibile rappresentare una visione tetracromatica.

I fotorecettori sono cellule nervose sensibili alla luce: si trovano sulla retina e sono altamente specializzati. Sono contenuti nello strato retinico più profondo, a contatto con l'epitelio pigmentato. Esistono due tipi di fotorecettori: i coni e i bastoncelli. I primi sono localizzati nella parte centrale della retina (fovea) e servono alla percezione dei colori (funzione fotopica) e alla visione distinta. Esistono tre tipi di coni, rispettivamente per il rosso, il verde e il blu; mediamente sono 6,3-6,4 milioni. I bastoncelli, invece, si concentrano nella zona periferica della retina, sono assai più numerosi (mediamente 120 milioni) e intervengono nella visione notturna (funzione scotopica). Questi ultimi, infatti, sono più sensibili: basta un solo fotone per attivarli, mentre per attivare i coni ce ne vogliono almeno 100.
	I fotorecettori trasformano lo stimolo luminoso in stimolo elettrico e lo trasmettono al cervello attraverso il nervo ottico. Lo stimolo viene trasmesso alle cellule retiniche (bipolari e ganglionari),che costituiscono le fibre del nervo ottico, fino ad arrivare a centri specializzati della corteccia cerebrale (l'area visiva). La visione tricromatica (capacità dell’essere umano di vedere tre colori) è data dalla presenza nella retina dei coni dotati di pigmenti sensibili a tre differenti lunghezze d’onda che corrispondono rispettivamente ai colori blu, verde e rosso. I bastoncelli consentono solamente la percezione in bianco e nero (scala di grigi). La visione notturna è conferita da un pigmento chiamato rodopsina presente nei bastoncelli. Tale proteina è inattivata dalla luce, ma si riforma in condizioni di oscurità. Infatti, quando si passa direttamente da una condizione di luce a una di buio è necessario aspettare un po’ (qualche secondo) prima di riuscire a vedere, proprio in attesa che si riformi la rodopsina precedentemente inattivata dalle condizioni di luminosità. In presenza di intossicazione da alcool o ipossia i muscoli dell'occhio rallentano i lori riflessi e nei casi più gravi perdono la loro coordinazione. Per questo avremo difficoltà ad adattarci ai cambiamenti di luce, a mettere a fuoco gli oggetti a diversa distanza e infine a valutare correttamente le distanze. Di notte, poi, se vorremo vedere qualcosa di scarsamente luminoso, converrà non osservarlo direttamente con il centro dell'occhio, ma tenerlo un po' a lato del nostro campo visivo, in modo da mantenerlo in una zona dove sia maggiore la concentrazione di bastoncelli e quindi maggiore la sensibilità alla bassa luminosità.

Le immagini digitali, sostanzialmente riprendono la stessa architettura dell'occhio umano. Un'immagine è formata da tanti piccoli puntini, detti PIXEL. Ognuno di loro è colorato secondo uno schema detto appunto RGB, che contiene una certa intensità di rosso, di verde e di blu. Queste immagini si dicono "RASTER" e sono descritte pixel per pixel, si differiscono dalle immagini "VETTORIALI" che vedremo dopo e che invece sono rappresentate da equazioni matematiche.

L'immagine che vedete a lato, il clown, è composta da (larghezza per altezza) 700x535 pixel. Quindi questa immagine è composta da 374.500 pixel. Ogni pixel contiene tre valori da 0 a 255 (3 byte o una parola a 24 bit) e quindi il computer vede questa immagine come una tabella con 1.123.500 valori (byte). Nell'immagine qua sotto vedete lo stesso clown come si vedrebbe se invece di utilizzare una scala da 0 a 255 per ogni colore fondamentale ne utilizzassimo una da 0 a 15 (GIF, poi vi spiego di cosa si tratta).

Le possibili codifiche di un immagine sono:

4 Bit - 16 colori - standard VGA
8 bit - 256 colori - standard S-VGA
16 bit - 65.536 colori
24 bit - 16 milioni di colori

Nell'immagine a lato lo stesso clown visualizzato a 16 colori o a 16 milioni di colori.

Lo standard a 16 colori (640x480 pixel) è tuttora utilizzato in alcune schede video come risoluzione "base", che viene presentata quando non si caricano i driver specifici.
Per essere più semplici, è la risoluzione con cui lavora il PC quando non abbiamo ancora caricato il sistema operativo oppure per Windows quando lavora in "modalità provvisoria", che è una modalità che appunto non caricando i driver di sistema permette di utilizzare il computer al minimo del carico.
Si utilizza questa modalità quando qualcosa non funziona e si cerca di trovare una soluzione.

Qui a lato (sx) è riportata la "tavolozza" dei colori indicizzati nella visualizzazione a 4 bit.
Questo vuol dire che la scheda video assegna ad ogni colore un valore in bit ben preciso.
A destra invece una tavolozza a 8 bit - 256 colori per Windows ed un'altra, sempre 256 colori, per Mac.
Spesso queste tavolozze sono "personalizzabili", ovvero è possibile comporre un colore utilizzando la codifica a 24 bit e poi memorizzarlo in una delle 256 posizioni.
La scheda video quindi deve memorizzare per ogni pixel un solo valore (8 bit) e non 24, però è limitato dalla disponibilità dei colori presenti in una "tavolozza" dove sono indicizzati.
Questo tipo di colorazione è molto utilizzata nelle immagini realizzate con programmi come Autocad, dove i file sono molto grandi e tutto sommato la fedeltà di riproduzione dei colori non è fondamentale.
Non è invece pratica se lavoriamo con delle fotografie.

WINDOWS 95

MAC

Quindi per memorizzare un immagine in realtà il computer memorizza una tabella che contiene dei valori numerici. Per ogni "puntino" diciamo che "sprechiamo" tre valori da 0 a 255.
Così possiamo vedere in realtà 16.777.216 (256³) diverse sfumature di colore

Questo modo di rappresentare un'immagine però è molto "costoso" in termini di memoria occupata (devo ricordare una tabella con tantissimi valori).
La prima cosa che ci salta agli occhi, ad esempio, è il fatto che molti "puntini" in realtà hanno lo stesso colore (ad esempio l'enorme sfondo bianco).
Sembrerebbe stupido quindi dover ricordare per ogni puntino un valore .. potremmo identificare un'area e poi dire al pc che tutti i puntini in quell'area sono bianchi, risparmiando molta memoria (o rendendo più veloce la trasmissione delle informazioni, banalmente il "caricare" l'immagine).
Per questo sono stati ideati dei protocolli di compressione che permettono di risparmiare "spazio" nel rappresentare un'immagine.
Un'immagine "compressa" con un protocollo piuttosto che con un altro si riconosce dall'estensione, che sono le tre o quattro lettere dopo il puntino finale nel nome del file.
Ad esempio "CLOWN.BMP" è un immagine di tipo BMP (bitmap) mentre un'immagine "CLOWN.GIF" è un'immagine "GIF".
NOTA:
La visualizzazione dell'estensione dei files può essere disabilitata - per apprezzarla occorre abilitarla nelle opzioni di visualizzazione del file system.

Rapidamente vediamo i principali protocolli di compressione utilizzati.

BMP

I file di immagine bitmap (BMP) sono raster che mappano i singoli pixel, con conseguente compressione minima o nulla su una determinata immagine.
I file BMP sono più grandi e poco pratici da archiviare o elaborare e la loro qualità non è significativamente migliore dei formati di immagini raster come PNG. Questo non rende i file BMP la scelta migliore per l’utilizzo web.
Tutti i principali browser e sistemi operativi supportano BMP e la maggior parte dei visualizzatori ed editor di immagini predefiniti, come MS Paint .
BMP era uno dei formati di file immagine più comuni, ma oggigiorno è considerato obsoleto a causa della sua natura non ottimizzata.

PNG

Portable Network Graphics (PNG) è un raster con compressione senza perdita di dati.
Poiché PNG è senza perdita di dati, conserva i suoi dati originali e la qualità rimane la stessa. Ciò si traduce in PNG con una qualità dell’immagine superiore rispetto a JPEG pur mantenendo i dettagli e il contrasto dei colori.
Il testo in PNG appare più chiaro che in JPEG, il che lo rende una scelta migliore per la grafica che enfatizza il testo come screenshot, infografica o banner.
Il formato file PNG è ottimizzato per l’uso digitale, il che lo rende il formato immagine più comunemente usato. Supporta anche più colori rispetto al formato GIF: PNG può gestire fino a 16 milioni di colori, mentre GIF supporta solo 256 colori.
Ciò ti consente di avere immagini più vivaci, mentre i file PNG possono anche mantenere la trasparenza, rendendoli la scelta ideale per i logo.
Se usi PNG per foto ad alta risoluzione, creerà un file più grande di quanto farebbe JPEG. Tuttavia, è un’ottima scelta di formato per mostrare immagini di alta qualità come lavori di design e foto per siti plugin portfolio. Fai solo attenzione a non abusarne e a rallentare il tuo sito.
Anche se è possibile modificare i file PNG senza perdere qualità, PNG non è la scelta migliore per la stampa a causa della sua risoluzione relativamente bassa rispetto ai formati ottimizzati per la stampa come AI e TIFF.
PNG è supportato da tutti i principali browser e visualizzatori di immagini standard del sistema operativo.

JPEG e JPG

È importante notare che JPEG e JPG sono gli stessi formati di file, con acronimi ed estensioni di file diversi. Il Joint Photographic Experts Group (JPEG) è un’immagine raster con compressione lossy (con perdita di dati).
La sua compressione con perdita significa che JPEG elimina alcuni dati per ridurre le dimensioni del file, il che a sua volta riduce la qualità dell’immagine. Le sue dimensioni di file relativamente piccole consentono di risparmiare più spazio sul disco o sulla scheda di memoria.
È comunemente usato per salvare le immagini nelle fotocamere digitali e per la stampa, purché non siano necessarie ulteriori modifiche. JPEG è un formato immagine flat, il che significa che tutte le modifiche vengono salvate in un unico livello e non è possibile annullare le modifiche. Inoltre, non supporta la trasparenza, a differenza di PNG e GIF.
JPEG è una scelta eccellente per l’utilizzo del web. I visitatori del tuo sito possono caricare le immagini rapidamente, mentre la perdita di qualità è appena visibile. È anche adatto per la condivisione di immagini poiché la sua qualità con perdita indica che i file JPEG hanno una dimensione del file ragionevolmente piccola.
JPEG è uno dei formati delle foto più comuni . Ciò è comprensibile poiché i file JPEG supportano tutti i browser e i sistemi operativi e offrono una compressione relativamente ottimale.
Tutti i principali browser come Google Chrome , Safari e Mozilla Firefox hanno supportato questo tipo di estensioni file immagine sin dalla loro prima versione.
Ad ogni modo, JPEG non è l’opzione migliore per le immagini con righe di testo al loro interno, come gli screenshot dei tutorial e le infografiche. Ciò è dovuto alla compressione lossy, che può rendere difficile la lettura del testo nell’immagine.

GIF

Graphics Interchange Format (GIF) è un raster che utilizza la compressione senza perdita di dati.
Diversamente, i GIF sono fioe a 8 bit, che possono visualizzare solo 256 colori. Ciò significa che GIF ha una qualità meno nitida rispetto ad altri formati raster. Per confronto, JPEG può servire fino a 24 bit per pixel, che fornisce 16.777.216 variazioni di colore.
La sua limitazione a 8 bit mantiene le dimensioni del file ridotte, rendendo GIF un formato ideale per creare brevi contenuti di animazione accattivanti.
Indipendentemente dalla qualità dell’immagine limitata, molte persone usano GIF poiché è un mezzo per fornire contenuti visivi più elaborati rispetto a un’immagine statica.
GIF è supportato da tutti i principali browser e sistemi operativi, nonché dai visualizzatori di immagini standard.

Il limite delle immagini "raster" è che se le ingrandisco comunque prima o poi arrivo a vedere i "puntini".
Per ottenere immagini che mantengano definizione a qualsiasi ingrandimento, conviene invece utilizzare immagini di tipo "vettoriale".
Mentre le immagini raster sono tipicamente le fortografie, le immagini vettoriali sono disegni geometrici o riducibili a tali.
In questo modo il pc memorizza la "forma geometrica" e la mantiene.