Dati analogici e digitali

Numerazione Binaria

• La numerazione binaria è un sistema di rappresentazione dei dati che utilizza solo due simboli, 0 e 1.
• I dispositivi analogici misurano valori in modo continuo, mentre i dispositivi digitali usano valori numerici discreti.
• I computer usano la numerazione binaria perché possono rappresentare tutte le informazioni in forma numerica.

Bit e Byte

• Il bit è l'unità di misura più piccola dell'informazione, può assumere valore 0 o 1.
• Il byte è formato da 8 bit e viene utilizzato come riferimento per misurare la capacità di memoria.
• Con un byte si possono rappresentare 2^8 = 256 valori diversi.
• Le dimensioni dei file e la capacità dei supporti di memoria si misurano in kilobyte (kB), megabyte (MB), gigabyte (GB) e terabyte (TB).
• 1 kB = 1024 byte, 1 MB = 1024 kB, 1 GB = 1024 MB, 1 TB = 1024 GB.

Sistemi Numerici: Decimale vs Binario

• Il sistema decimale (base 10) usa le cifre da 0 a 9, mentre il sistema binario (base 2) usa solo 0 e 1.
• Entrambi i sistemi sono posizionali, il valore di una cifra dipende dalla sua posizione.
• Nel sistema decimale le posizioni rappresentano potenze di 10, mentre nel binario potenze di 2.

Conversione tra Binario e Decimale

• Per convertire un numero binario in decimale, si moltiplica ogni cifra binaria per la potenza di 2 corrispondente alla sua posizione (partendo da 2^0 da destra) e si sommano i risultati.
• Per convertire un numero decimale in binario, si divide ripetutamente per 2, registrando i resti (0 o 1), poi si scrivono i resti in ordine inverso.

Operazioni Aritmetiche Binarie

• Le operazioni aritmetiche (addizione, sottrazione, moltiplicazione, divisione) si possono eseguire anche con i numeri binari, seguendo regole simili a quelle del sistema decimale.
• Nell'addizione binaria, 0+0=0, 0+1=1, 1+0=1, 1+1=10 (0 con riporto di 1).
• Nella sottrazione binaria, bisogna tenere presente che 10-1=1 quando si prende in prestito dalla colonna vicina.
• La moltiplicazione binaria è più semplice perché si riduce a moltiplicare per 0 o 1.
• La divisione binaria è analoga alla divisione decimale.

Codifica dei Numeri nel Computer

• Per rappresentare numeri negativi, si dedica il primo bit al segno (0 per positivo, 1 per negativo), ma questa rappresentazione ha il problema di avere due zeri (+0 e -0).
• Il complemento a due è un metodo per rappresentare i numeri negativi in modo univoco.
• Per trovare il complemento a due di un numero binario: si invertono tutti i bit e si aggiunge 1 al risultato.
• Con n bit si possono rappresentare i numeri da -2^(n-1) a (+2^(n-1) - 1).

Numeri Binari con la Virgola

• I numeri con la virgola sono formati da una parte intera e una parte frazionaria (mantissa).
• Nel sistema binario, le cifre dopo la virgola rappresentano potenze negative di 2 (2^-1, 2^-2, ecc.).
• Per convertire un numero binario con la virgola in decimale, si sommano i prodotti tra i bit e le potenze di 2 corrispondenti (positive e negative).
• Per convertire un numero decimale con la virgola in binario, si converte la parte intera come al solito e la parte frazionaria moltiplicandola ripetutamente per 2, prendendo le parti intere dei risultati (0 o 1).

Rappresentazione a Virgola Mobile

• La notazione scientifica sposta la virgola in modo che la parte intera abbia una sola cifra (diversa da zero) e moltiplica per una potenza di 10.
• La rappresentazione a virgola mobile (floating point) è simile, ma usa segno, mantissa ed esponente.
• La codifica floating point a 32 bit riserva 1 bit per il segno, 8 bit per l'esponente e 23 bit per la mantissa.
• La virgola mobile permette di rappresentare un'ampia gamma di numeri positivi e negativi.

Precisione

• Nei calcoli al computer, i numeri reali sono approssimati a causa del numero finito di bit.
• La precisione dipende dal numero di bit riservati per la mantissa.
• La singola precisione (32 bit) è meno precisa della doppia precisione (64 bit).

Numerazione Esadecimale

• Il sistema esadecimale (base 16) usa le cifre da 0 a 9 e le lettere da A a F (A=10, B=11, C=12, D=13, E=14, F=15).
• È utile in informatica perché ogni cifra esadecimale corrisponde a 4 bit.
• Per convertire da esadecimale a decimale, si moltiplica ogni cifra per la potenza di 16 corrispondente e si sommano i risultati.
• Per convertire da decimale a esadecimale, si divide ripetutamente per 16, prendendo i resti.
• Per convertire da esadecimale a binario, si sostituisce ogni cifra esadecimale con il corrispondente gruppo di 4 bit.
• Per convertire da binario a esadecimale, si raggruppano i bit a 4 a 4 e si sostituisce ogni gruppo con la cifra esadecimale corrispondente.

ASCII e Unicode: La Codifica dei Caratteri

• Il codice ASCII usa 7 o 8 bit per rappresentare caratteri alfanumerici e simboli.
• In ASCII, ogni carattere è associato a un numero, per esempio, la lettera A è 65 (01000001 in binario).
• Unicode è un codice più ampio che supporta un numero variabile di bit e permette di codificare caratteri di diverse lingue (greci, cirillici, arabi, cinesi, giapponesi ecc.).
• In Unicode (codifica UTF-16), ogni carattere è codificato da 2 byte (16 bit), permettendo di rappresentare 65536 simboli diversi.

Immagini in Formato Digitale

• Le immagini sono rappresentate come griglie di pixel (picture element).
• In un'immagine in bianco e nero, ogni pixel è codificato con 1 bit (0 per nero, 1 per bianco).
• In un'immagine in scala di grigio, ogni pixel è codificato con 1 byte (8 bit), permettendo 256 sfumature di grigio.
• Le immagini a colori usano il metodo RGB (red, green, blue), dove ogni pixel ha tre componenti (rosso, verde, blu), ognuna con 256 gradazioni di intensità.
• In RGB, ogni pixel è rappresentato con 3 byte (24 bit), permettendo oltre 16 milioni di colori.

Risoluzione e Memoria Occupata dalle Immagini

• La risoluzione di un'immagine è data dal numero di pixel che la compongono.
• La memoria occupata da un'immagine è proporzionale alla sua risoluzione in pixel.
• Maggiore è la risoluzione, maggiore è la quantità di dettagli che l'immagine contiene.
• I display degli smartphone hanno una risoluzione massima pari al numero dei pixel che formano lo schermo.

Punti per Pollice e Algoritmi

• La risoluzione delle immagini si può misurare in dpi (dots per inch) o ppi (pixels per inch), cioè punti o pixel per pollice (1 pollice = 2,54 cm).
• L'algoritmo di interpolazione viene usato per ingrandire un'immagine a bassa risoluzione creando nuovi pixel con colori intermedi, migliorando l'aspetto ma non la qualità originale.

Elaborazione delle immagini

• È possibile applicare filtri alle immagini, trasformando i colori (per esempio, nel negativo).
• La compressione delle immagini riduce lo spazio occupato, ma può comportare perdita di qualità.

Suono Digitale

• Il suono è un segnale analogico (variazioni continue di pressione).
• Per digitalizzare il suono, si fa un campionamento: si misura l'ampiezza dell'onda sonora a intervalli di tempo regolari.

Frequenza di Campionamento

• Il numero di misurazioni al secondo è detto frequenza di campionamento (kHz).
• La qualità del suono digitalizzato cresce con la frequenza di campionamento e con la risoluzione (profondità di bit).
• La musica su CD audio è campionata a 44,1 kHz con risoluzione a 16 bit.

Spazio di Memoria

• Un minuto di musica stereofonica a qualità CD richiede circa 10 MB di spazio.
• I software di editing audio come Audacity permettono di modificare file audio in diversi formati.

Video digitale

Fotogrammi e frame rate

• Un video digitale è formato da una serie di immagini digitali (fotogrammi) mostrate in rapida successione e sincronizzate con tracce audio. Il frame rate (fps) è il numero di fotogrammi mostrati al secondo (tipicamente 25-30 fps).

Formati video

• Storicamente, MOV (Apple) e AVI (Microsoft).
• Attualmente usati per archiviazione e come base per la post-produzione.

Condivisione e streaming-

• Per la condivisione e lo streaming di video, si applicano tecniche di compressione dei dati.

Definizioni

• La risoluzione di un video digitale è data dal numero delle linee orizzontali di pixel. Utilizzati i formati HD (high definition) che hanno risoluzione più alta, come 720p, 1080p, 1440p, 2160p (4K UHD) e 4320p (8K UHD).

Interlacciamento

• Esistono la scansione progressiva (p) ed il sistema alternativo è la scansione interlacciata o interlacciamento (i).
• Nell'interlacciamento ogni fotogramma è formato da due campi: le righe pari appartengono a un'immagine e le righe dispari all'immagine successiva.

Impatto sociale

• Video sui social network: possono essere veritieri o fake e questo influisce sugli utenti.

Compressione

• Compressione dei dati è di importanza cardine per gli utilizzatori, al giorno d'oggi. Un video standard richiederebbe 150MB. La compressione dei dati si basa su algoritmi speciali per ridurre lo spazio di memoria occupato dai dati.
• Ci son compressioni losless e lossy. Lossless non fa perdere dati, lossy si.
• Gli algoritmi di compressione riguardano l'analisi della distribuzione dei colori presenti nei diversi pixel. Un formato lossless è PNG ed un formato lossy è JPEG.

Audio compressoo

• Gli algoritmi di compressione si basano sulla rduzione dela frequenza di campioamento o che memorizza i bits.
• Un formato compressoo è mp3 che usa algortmi che riducono le frequenza basse perchè non si sentono.
• Nel caso si volesse preservaare la fedeltà di suono si usa un bit rate variabile (VBR).

La compressione dati e banda per lo streaming

• Lo streaming è ascoltare direttamente una canzone senza la necessità di averla scaricata. È quindi importante la disponibilità di banda che da la velcoità di connessione. Anche con la fibra ottica si usa un bit rate variabile.

Codec

• Algoritmi di compressioni chiamati codec, che sono importanti per lo streaming