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Parte 3
Prototipo di Cattura e Compressione delle Immagini
Nell’attuare il piano di ricerca e sviluppo pre-competitivo programmato e, nel
perseguire gli obiettivi dichiarati, un accento diverso è stato posto nella progettazione e nella messa in opera del previsto Prototipo
di cattura e compressione di immagini fotografiche.
In particolare, in seguito a approfondite valutazioni s‘è ritenuto di dover progettare e costruire un Prototipo HW-SW composto di un’apparecchiatura hardware, che consentisse la gestione e il controllo di tutte le
fasi di cattura, elaborazione e compressione del segnale digitale e una parte
software su cui fossero trascritti i codici di compressione nel formato della
Eco Controllo SpA.
Questa scelta è stata motivata da un più puntuale riconoscimento delle finalità che si intendevano perseguire con la messa in opera del Prototipo. Nello
specifico, si è creduto che la scrittura dei codici del programma proprietario su supporto HW
dovesse essere realizzata a parte, al solo scopo di poter verificare, in
concreto, la fattibilità dello sviluppo del nuovo sistema su hardware a limitata potenza computazionale
(e di questo si dirà più innanzi, nel prosieguo della presente relazione, V. Parte 4).
Avendo invece il suddetto Prototipo, una finalità propriamente sperimentale (nel senso che ha dovuto offrire un valido contributo
alla realizzazione di test specifici) si è ritenuto che i codici al suo interno, dovessero essere implementati su
piattaforma SW, così da poter facilmente provvedere alla loro sostituzione, via via che se ne
presentava la necessità, in conseguenza di nuovi sviluppi e/o ottimizzazioni.
In pratica, si è optato per una scelta flessibile che non ponesse ostacoli alle continue
esigenze di modifica, miglioria e ottimizzazione del programma proprietario,
così come richiesto nella fase di ricerca e sviluppo.
Funzioni e Finalità principali del Prototipo
Come si diceva, si sono meglio precisate le principali funzioni e finalità a cui il Prototipo deve poter rispondere e, in particolare, sono stati fissati i seguenti punti,
ritenuti essenziali per lo sviluppo dell’apparecchiatura (denominata PROSPERI):
• nella parte software al suo interno, sono distintamente implementati, sia il
programma di elaborazione che genera una Tiff non compressa, sia il programma proprietario di compressione lossless della Eco Controllo SpA, che costituisce la parte più radicalmente innovativa del sistema;
• l’apparecchiatura deve consentire l’accesso ai dati grezzi così come catturati dal sensore CCD, che sono resi egualmente disponibili al
programma di elaborazione del Tiff e al programma proprietario di compressione della Eco Controllo. La possibilità di accesso ai dati grezzi è uno dei punti fondamentali del nuovo sistema creato dalla Eco Controllo, in
quanto le prestazioni che gli algoritmi proprietari riescono a conseguire in
tal modo, sono superiori a quelle che potrebbero ottenere sulla superficie dell’immagine finale. In estrema sintesi, tanto è dovuto a almeno due fattori:
– i dati grezzi – se organizzati entro più matrici, dove sono separatamente trascritti i valori dei colori base
(es.:R,G,B) – presentano una maggiore uniformità cromatica rispetto ai valori risultanti dalle successive consuete elaborazioni,
quali le operazioni di bilanciamento del bianco e l’applicazione del gamma (e ciò è vantaggiosamente sfruttato nella compressione proprietaria).
– Come detto, i dati grezzi presentano (soprattutto, alle profondità colore superiori ai 24 bit) inutili ridondanze che il sistema proprietario
riconosce e scarta da subito.
- il percorso che conduce il grezzo al programma di elaborazione del Tiff, e il percorso che conduce il medesimo grezzo al programma proprietario di compressione della Eco Controllo, sono perfettamente distinti, in quanto l’accesso alla memoria interna è in mutua esclusione.
Questo, nel senso che i file rilasciati in output dall’apparecchiatura, pur avendo seguito percorsi indipendenti, e pur andando a impegnare spazi di
memoria quantitativamente assai diversi, riproducono in risalita esattamente la stessa immagine;
• come detto appunto in precedenza, l’apparecchiatura – alla fine dei suddetti separati processi d’elaborazione – rilascia in output dal medesimo scatto fotografico i due distinti file del Tiff e del formato proprietario. Pertanto, una volta che i file sono resi disponibili sugli hard disk esterni, questi possono essere sottoposti a ogni confronto e a ogni stima
prestazionale.
Tabella 2: Esempi di confronto prestazionale realizzati da Eco Controllo, da un bouquet
di 120 picture selezionate
Per la stima della perfetta identità tra le immagini ricevute in output dai due programmi (Tiff, Eco Controllo) si è operato attraverso due diversi controlli strumentali che hanno incrociato i
loro risultati. Ottenuta la decodifica del file compresso della Eco Controllo,
si è potuta verificare sia la perfetta identità bit a bit con il file Tiff, che l’identità colorimetrica su ciascuno dei singoli pixel.
Si riportano qui di seguito alcuni estratti ripresi da comunicazioni e
informative intercorse tra Istituto di Cibernetica del CNR e Eco Controllo SpA, in merito alla apparecchiatura che abbiamo denominato
PROSPERI, per la compressione lossless (senza perdita d’informazione) di immagini fotografiche digitali. In particolare, negli stralci
qui sotto riportati, si approfondiscono le modalità adoperate per tenere distinti i due percorsi di elaborazione della Tiff e del
formato proprietario. Questo per poter garantire che i due sistemi non possano
influenzarsi vicendevolmente o essere, comunque, in qualche comunicazione tra loro.
(…) “L’apparecchiatura – che descriveremo in dettaglio – costituisce, per le sue caratteristiche, uno strumento essenziale per poter
agevolare l’acquisizione del file grezzo (raw) da parte di un sistema capace di garantire la
perfetta indipendenza di due diversi e distinti processi di elaborazione (nel
caso, da grezzo a Tiff e da grezzo a formato proprietario di compressione).
Come detto, il sistema di acquisizione ed elaborazione sarà costituito: 1. dal software dedicato di pilotaggio e di interfaccia grafico e dal software
proprietario di compressione della Eco Controllo; 2. da software, elaboratori, componenti elettroniche, ottiche e meccaniche in
massima parte già in commercio o open source, ma assemblate così da rendere il sistema funzionale in stretto rapporto con le metodologie e gli
innovativi processi elaborati dalla Eco Controllo medesima.
Considerate le componenti hardware disponibili, si procederà alla definizione del progetto esecutivo e del montaggio, così da poter realizzare un ambiente di acquisizione ed elaborazione per immagini
digitali. Tale ambiente, sarà appunto gestito da software dedicati che girano su piattaforma Linux.
L’ambiente viene dunque realizzato allo scopo di poter gestire le seguenti fasi:
Scatto e creazione del file grezzo (raw).
Prima elaborazione del file grezzo (raw), creazione del file tiff.
Seconda elaborazione del file grezzo (raw), creazione del file proprietario.
Disponibilità dei files per eventuali test e verifiche successive.
Saranno utilizzate metodologie per l’accesso in mutua esclusione ai dispositivi di memoria.
E’ particolarmente importante notare che le fasi descritte non sono in alcun modo
collegate o sequenziali. L’operatore tramite una consolle (il meccanismo sarà dettagliato in seguito al paragrafo descrizione) effettua delle operazioni di
pilotaggio decidendo su quale workstation lavorare e quali parametri dare in
input (in rapporto alle opzioni di profondità colore, 24-48 bit, e di spazio colore prescelte). Quindi, il sistema sarà gestito da un operatore in maniera assolutamente trasparente.
La progettazione esecutiva e la messa in opera dell’infrastruttura hardware non terranno conto, in questo caso, di esigenze
estetiche.
(…) In concreto i software in esecuzione sulle 2 workstation resteranno in attesa
(polling) del file grezzo (raw), alternativamente liberato dallo switch verso l‘uno o l’altro datapath (questa procedura consente di eliminare ogni componente di
memoria e di elaborazione, anche ingenua, che possa frapporsi tra la memoria
interna del Dispositivo di acquisizione delle immagini e i due data-path .
Le componenti ed i sistemi di cui sopra si troveranno in un rack standard (dal
cui vano, sporgono tastiera e monitor), sul cui ripiano superiore sarà collocato il dispositivo di acquisizione delle immagini. Su una delle due workstation indipendenti si potrà installare il programma proprietario di compressione che prende in input il
grezzo (raw) e rilascia in output il file proprietario compresso lossless. Sull’altra si potrà installare il programma di conversione (gamma, bilanciamento del bianco,
interpolation, ecc.) che prende in input il grezzo (raw) e rilascia in output
il file in formato Tiff non compresso.
Il montaggio delle suddette componenti sarà così effettuato, come da figura che segue:
Descrizione del processo applicativo
(…) L’obiettivo della realizzazione del sistema informatico è la messa in opera di una apparecchiatura che, da un unico scatto, rilasci in
output due distinti files, l’uno in formato Tiff (non compresso) e l’altro in formato proprietario (compresso lossless da grezzo), a profondità e spazi colore pre-impostati. In concreto, prodotto uno scatto, i sensori CCD
della fotocamera catturano gli impulsi luminosi, traducendoli in dati grezzi o
raw (che sono i dati che ogni fotocamera assume per le successive elaborazioni
rivolte alla creazione della picture finale: bilanciamento del bianco, gamma,
ecc.).
Quindi, l’intero processo applicativo ha inizio dopo la realizzazione della fotografia effettuata dallo operatore.
Intanto, i software in esecuzione sulle due workstation restano in attesa di
poter accedere alla memoria interna per poter usufruire del file grezzo (raw).
Allo stato iniziale solo una delle 2 workstation è fisicamente collegata alla memoria (questa resta una opzione controllata dall’operatore, in ragione del fatto che, tramite switch, decide quale workstation
vuole collegare) a cui non potrà comunque accedere fino a quando l’operatore non intenderà ruotare la manopola del dispositivo-fotocamera in modalità lettura. Nell’istante in cui l’operatore setta il dispositivo in modalità lettura, la workstation collegata riceve il file grezzo (raw) mettendosi in
attesa di ulteriori comandi da parte dell’operatore. Mentre, l’altra workstation resta in attesa.
Le due workstation, gestite dai software di pilotaggio, sono in concreto del
tutto separate, per cui quando l’una lavora l’altra è in attesa e viceversa.
Inoltre, poiché l’accesso alla memoria interna è in mutua esclusione, in quanto solo un sistema alla volta si può mettere in comunicazione con essa, il funzionamento non potrebbe che essere tal
quale.
A questo punto, l’operatore setta i parametri (che si risolvono, poi, nella scelta su due sole opzioni di spazio e
profondità colore) e consente alla macchina in collegamento di memorizzare il file sul
disco.
Pertanto, l’operatore potrà avere successivamente accesso all’altra workstation solo e soltanto se effettua lo switch dei sistemi. Effettuato
lo switch, il software di pilotaggio consente l’accesso al file grezzo (raw) che è in memoria sul dispositivo-fotocamera, per cui quando anche la seconda macchina
lo avrà ottenuto (il file grezzo), si porrà in attesa di ulteriori comandi.
(…) Allora, l’operatore potrà settare nuovamente i parametri per generare il secondo file (Tiff o file
proprietario a seconda della precedenza accordata in origine).
Si deve infatti tener conto del fatto, che l’accesso dell’una o dell’altra workstation alla memoria interna è gestito dall’operatore, per cui non è stabilito a priori quale delle due workstation accederà prima al grezzo. Occorre tuttavia notare che, fatti salvi i sistemi operativi, su una delle due workstation va installato solo e soltanto il programma di
compressione della Eco Controllo e, sull’altra, va installato solo e soltanto il programma di conversione in Tiff non compressa (gamma,
bilanciamento del bianco, interpolation, ecc.). Pertanto ognuna delle
workstation si dedica solo ed esclusivamente ad un compito.
Settaggi
Nel caso, per settaggio si intende la selezione da parte dell’operatore di una o più tra le opzioni possibili, al fine di dare ai software i parametri per la
creazione dei files. Pertanto l’operatore, ogni volta che attiva una workstation, selezionerà:
• lo spazio colore (YUV-RGB)
• la profondità colore (24-48 bit)
Conclusioni
In definitiva esisteranno soltanto due percorsi distinti possibili, uno sarà il percorso che genera il file finale in Tiff non compresso e l’altro il percorso che genera il file finale in formato proprietario. Alla fine del processo ognuna delle workstation avrà generato un suo file che potrà essere immagazzinato sul relativo dispositivo di memoria portatile, al fine di
poter essere trasferito su un PC esterno, dove si potrà procedere:
• alla visione a monitor e/o stampa
• al controllo del peso rispettivo ovvero del diverso ingombro sulla memoria di
massa
• alla verifica percettiva e strumentale delle eventuali differenze che dovessero
sussistere, pixel a pixel, tra formato Tiff non compresso (assunto come
originale) e formato proprietario (compresso lossless)
Nello specifico, il sistema di acquisizione ed elaborazione delle immagini
garantirà funzionalità tali che i datapaths dei due formati di immagini da rilasciare in output (Tiff
e formato proprietario) restino logicamente e fisicamente indipendenti “.