ELABORAZIONE DI SEGNALI ED IMMAGINI

Obiettivi formativi:

Questo insegnamento ha lo scopo di introdurre i concetti base dei segnali e delle immagini, di presentare i principi fondamentali ed i metodi per l'analisi e l'elaborazione dei segnali mediante sistemi a tempo discreto e di illustrare le principali tecniche per la compressione di segnali audio, di immagini e di segnali video.

Settore scientifico-disciplinare:

ING-INF/01.

Crediti:

12.

Modulo:

Unico.

Durata:

Annuale, 120 ore (72 di lezione teorica + 48 di esercitazione guidata).

Frequenza:

Consigliata, ma non obbligatoria.

Docente:

Prof. Alberto Carini.

Programma:

01. Segnali ed elaborazione dei segnali:
     01.01 Caratterizzazione e classificazione dei segnali.
     01.02 Pro e contro dell'elaborazione numerica dei segnali.

02. Segnali a tempo discreto nel dominio del tempo:
     02.01 Rappresentazione dei segnali nel dominio del tempo.
     02.02 Operazioni sulle sequenze.
     02.03 Classificazione delle sequenze.
     02.04 Sequenze elementari.

03. Segnali a tempo discreto nel dominio della frequenza:
     03.01 Serie di Fourier.
     03.02 Trasformata di Fourier a tempo continuo (CTFT).
     03.03 Trasformata di Fourier a tempo discreto (DTFT).
     03.04 Proprietà della DTFT.
     03.05 Teorema del campionamento.

04. Sistemi a tempo discreto:
     04.01 Esempi di semplici sistemi.
     04.02 Classificazione dei sistemi a tempo discreto.
     04.03 Risposta impulsiva e somma di convoluzione.
     04.04 Risposta in frequenza.

05. Trasformata Z:
     05.01 Definizione della trasformata Z.
     05.02 Trasformata Z inversa.
     05.03 Proprietà della trasformata Z.
     05.04 Funzione di trasferimento.

06. Trasformata di Fourier discreta:
     06.01 Definizione della trasformata di Fourier discreta (DFT).
     06.02 Relazione tra le trasformate DFT, DTFT e Z.
     06.03 Proprietà della trasformata DFT.
     06.04 Fast Fourier Transform (FFT).
     06.05 Convoluzione lineare e convoluzione circolare.
     06.06 Analisi in frequenza con la DTFT e DFT.
     06.07 Trasformata coseno DCT.
     06.08 Trasformata di Haar.

07. Sistemi LTI a tempo discreto nel dominio della frequenza:
     07.01 Filtri ideali.
     07.02 Ritardo di fase e ritardo di gruppo.
     07.03 Filtri a fase zero.
     07.04 Filtri FIR a fase lineare.
     07.05 Interpretazione geometrica del calcolo della risposta in frequenza.
     07.06 Filtri digitali elementari.
     07.07 Filtri a pettine.
     07.08 Filtri passa-tutto.
     07.09 Funzioni di trasferimento a fase minima e fase massima.
     07.10 Sistema inverso.
     07.11 Deconvoluzione.
     07.12 Equalizzazione d'ampiezza ed equalizzazione di fase.
     07.13 Test di stabilità per filtri IIR (triangolo di stabilità, test di stabilità di Schur-Cohn).

08. Strutture per filtri digitali:
     08.01 Blocchi base.
     08.02 Strutture per filtri FIR (realizzazione diretta, realizzazione in cascata, struttura a campionamento della frequenza, struttura a traliccio).
     08.03 Strutture per filtri IIR (realizzazione diretta, principio di trasposizione, realizzazione in cascata, realizzazione parallela, realizzazione traliccio-scala).

09. Effetti di una aritmetica a precisione finita:
     09.01 Aritmetica a precisione finita.
     09.02 Quantizzazione dei coefficienti del filtro.
     09.03 Rumore di conversione A/D.
     09.04 Rumore incorrelato dovuto ad arrotondamenti e troncamenti nelle moltiplicazioni.
     09.05 Overflow nelle addizioni.
     09.06 Cicli limite.

10. Progetto di filtri digitali:
     10.01 Specifiche per il progetto di filtri digitali.
     10.02 Progetto di filtri IIR.
     10.03 Progetto di filtri FIR.

11. Fondamenti delle immagini digitali:
     11.01 Introduzione.
     11.02 L'occhio umano.
     11.03 Luce e spettro elettromagnetico.
     11.04 Acquisizione di immagini.
     11.05 Modello di creazione di un'immagine.
     11.06 Rappresentazione delle immagini digitali.
     11.07 Risoluzione spaziale e di intensità.
     11.08 Interpolazione di immagini.
     11.09 Trasformazioni spaziali geometriche.

12. Trasformazioni di intensità e filtraggio spaziale:
     12.01 Concetti base.
     12.02 Trasformazioni di intensità (negativi di immagine, trasformazioni logaritmiche, trasformazioni di potenza, trasformazioni lineari a tratti, separazione delle intensità).
     12.03 Elaborazione di istogrammi (equalizzazione di istogrammi, matching tra istogrammi).
     12.04 Filtraggio spaziale.
     12.05 Filtri spaziali di smoothing (filtri lineari di smoothing, filtri non lineari basati su statistiche d'ordine).
     12.06 Filtri spaziali di sharpening (sharpening mediante derivate seconde: il metodo laplaciano; unsharp masking e filtraggio highboost; sharpening mediante derivate prime: il metodo del gradiente).

13. Filtraggio di immagini nel dominio della frequenza:
     13.01 Trasformata a tempo continuo di Fourier 2D.
     13.02 Teorema del campionamento 2D.
     13.03 Aliasing nelle immagini.
     13.04 Trasformata discreta di Fourier 2D.
     13.05 Teorema della convoluzione 2D.
     13.06 Smoothing mediante filtri nel dominio della frequenza.
     13.07 Sharpening mediante filtri nel dominio della frequenza.

14. Elaborazione di immagini a colori:
     14.01 Fondamenti del colore.
     14.02 Modelli di colore (modello RGB, modello CMY(K), modello HSI).
     14.03 Elaborazione di immagini a falsi colori.
     14.04 Elaborazione di immagini full-color.

15. Compressione di immagini:
     15.01 Fondamenti
     15.02 Alcuni metodi base di compressione (codifica di Huffman, codifica run-length, codifica a blocchi mediante trasformata, codifica predittiva).

16. Attività di laboratorio:
     16.01 Introduzione a Matlab e Octave

Testi di riferimento:

  • Mitra, "Digital Signal Processing: A Computer Based Approach", McGraw-Hill, 2011.
  • Gonzalez, Woods, "Elaborazione delle Immagini Digitali", Pearson, 2008.
  • Hoppenheim, Schafer, "Discrete-Time Signal Processing", Prentice Hall, 2010.
  • Laddomada, Mondin, "Elaborazione Numerica dei Segnali", Prentice Hall, 2007.
  • Shi, Sun, "Image and Video Compression for Multimedia Engineering: Fundamentals, Algorithms, and Standards", CRC Press, 2008.
  • Propedeuticità:

    Matematica Discreta, Analisi Matematica, Probabilità e Statistica Matematica,

    Modalità didattiche:

    Lezioni teoriche ed esercitazioni guidate in laboratorio.

    Modalità di accertamento:

    Prova scritta e prova orale.

    Commissione d'esame:

    Prof. Alberto Carini e Dott. Emanuele Lattanzi (supplente: Prof. Alessandro Bogliolo).

    Note:

    La prova scritta viene valutata in trentesimi ed è ritenuta sufficiente se il relativo voto, che rimane valido per il solo appello in cui la prova viene sostenuta, è di almeno 18/30.
    La prova orale, che può essere sostenuta solo previo superamento della prova scritta, comporta un aggiustamento per eccesso o per difetto di al più 5/30 del voto della prova scritta, determinando così il voto finale.

    Ultima modifica: 09/10/2012 Approvato da: Presidente CCdL