EL5-7_2ST CAMPIONAMENTO (prima parte)Autore: __________________________________________ Data: _________Classe: ____

Il simbolo della manina in colore blu indica una domanda alla quale bisogna OBBLIGATORIAMENTE rispondere scrivendo in colore blu.

Il simbolo della manina in colore blu con la scritta Cou New indica un codice che va incollato usando Courier New in colore blu.

Il simbolo della manina in nero indica una o più schermate da incollare (protette col tuo watermark, le tue iniziali di Nome e Cognome)

Il simbolo della manina con colori attenuati indica un'operazione che bisogna svolgere, senza rispondere a nessuna domanda (non vuol dire che non devi fare nulla – significa solo che non devi scrivere niente!).

Il simbolo della manina col ciak video indica un video da registrare con ScreenToGif e da salvare in formato gif nella cartella dell'esercitazione.

A) OPERAZIONI PRELIMINARI

A1) Crea una sottocartella di ES5 con nome uguale a quello di questa esercitazione (EL5-7_2ST Campionamento 1)

A2) All'interno della sottocartella EL5-7_2ST Campionamento 1salva questo file Word

B) DIGITALIZZARE UN SUONO

Quando registriamo un suono col microfono del nostro computer, ciò che registriamo (il suono) è una grandezza fisica. Cioè qualcosa di concreto, anche se non si vede.

Il microfono trasforma il suono in una corrente elettrica. Anche la corrente è una grandezza fisica concreta. Con la corrente, se non si sta attenti, si può prendere la scossa.

Il suono registrato viene infine salvato su un file nel nostro computer.

Ma, un momento, ferma tutto… qui c’è qualcosa che non quadra. Come si fa a registrare su un file una corrente elettrica? Un file contiene solo bit, valori binari 1 e 0, giusto? Cosa vuol dire “far suonare” i bit? I bit non si toccano, non danno la scossa.

Trasformare un suono in bit è uguale a come un suono in un libro. Oppure come voler salvare il verso di un bisonte dentro un file…

Bisogna trovare il modo di trasformare una corrente (che prima era un suono) in numeri binari. Tanti bit, milioni di piccolissimi bit…. Ma come si fa?

La trasformazione di un segnale in una serie di bit viene detta digitalizzazione o conversione analogico-digitale (ADC – Analog to Digital Conversion)

In realtà non è la prima volta che incontriamo questa trasformazione da analogico a digitale ….

B1) Per esempio in una fotocamera digitale la luce (grandezza fisica concreta) viene trasformata in …

C) CAMPIONAMENTO (SAMPLING)

La prima operazione che bisogna fare su un suono (o su un qualsiasi segnale fisico analogico) per trasformarlo in bit è campionarlo.

Le parole campione (in inglese sample), campionare (to sample) e campionamento (sampling) non hanno niente a che fare con il campionato di calcio e i campioni sportivi alle olimpiadi.

C’entrano con un secondo significato del termine, da cui deriva la parola campionario. Avete presente il campionario dei prodotti di un rappresentante di commercio?

C1) Qual è il secondo significato della parola campione (quello che ci serve nel nostro caso)? Cerca la definizione da qualche parte (solo il significato giusto) e incollala qui:

Campionare un segnale vuol dire “fotografarlo”, “assaggiarlo”, “prenderne tanti pezzetti” ad intervalli di tempo prestabiliti.

Facciamo un esempio che non c’entra nulla con i suoni. Supponiamo che siete un assaggiatore di vino e dovete controllare la qualità del vino prodotto dalla Cantine Il Gotto di Rocca Merlata di Sopra. L’azienda vinicola produce grandi quantità di vino per l’esportazione. Il vino viene automaticamente imbottigliato e inscatolato in una fabbrica robotizzata super moderna.

Voi avete il compito di accertarvi che la qualità del vino rispetti certi standard. Per essere proprio sicuri che ogni singola bottiglia contenuta in ogni singola scatola contenga vino buono dovreste assaggiare tutte le bottiglie di vino prodotte dalle Cantine Il Gotto. Soluzione non praticabile…

Molto meglio campionare, cioè assaggiare un goccio di vino ogni tot bottiglie. Per esempio potremmo campionare una bottiglia ogni mille, assaggiarne un sorso e verificare in questo modo la qualità del prodotto.

C2) Campionare in realtà non fornisce la certezza assoluta che la qualità del vino sia uniformemente buona. Spiega perché….

Un’altra metafora che aiuta a capire il campionamento è quella delle luci stroboscopiche.

ATTENZIONE: EPILESSIA FOTOSENSIBILE

Se soffri di epilessia fotosensibile (un problema neurologico che può dar luogo a crisi in caso di esposizione a particolare tipi di luci – come per esempio quelle delle discoteche), non guardare l’immagine con le luci stroboscopiche del prossimo esempio. Per maggiori informazioni, leggi qui https://www.personeche.it/epilessia/salute/diagnosi/epilessia-fotosensibile-3763

C3) Qui puoi vedere un esempio di luci stroboscopiche (non guardarlo se soffri di epilessia, vedi il box qui sopra): https://media.giphy.com/media/1bSBtYMZIT8is/giphy.gif

Le luci stroboscopiche producono un effetto di movimento a scatti perché effettuano un campionamento.

C4) Spiegami in cosa consiste il campionamento e che cosa viene campionato con le luci stroboscopiche:

CAMPIONAMENTO

1) campionare un segnale significa “fotografarlo” in certi istanti di tempo;2) il campionamento riduce la quantità di segnale, prelevandone solo alcune parti (campioni);3) il campionamento riduce anche la qualità del segnale. Tale riduzione è tanto più grave, quanto più i campioni sono distanziati nel tempo l’uno dall’altro (cioè quanti meno campioni si prendono)

Il tempo che intercorre fra due campioni successivi si chiama periodo di campionamento.

C5) Nel caso delle luci stroboscopiche, a cosa corrisponde il periodo di campionamento?

C6) Per avere un campionamento fedele, cioè che riproduca bene il segnale campionato, come deve essere scelto il periodo di campionamento? Grande? Piccolo? Medio? Pensa alle luci stroboscopiche e spiegami:

C7) Se scelgo il periodo di campionamento troppo grande, che cosa succede?

C8) Nel caso dell’assaggiatore di vini dell’azienda vinicola Il Gotto di Rocca Merlata di Sopra, cosa è il periodo di campionamento?

D) ADCConversion

D1) Scarica il programma AdcConversion da qui http://www.vias.org/simulations/bin/adconversion_eng.zip Unzippa il contenuto della cartella in una sottocartella AdcConversion nella tua cartella Programmi.

D2) Avvia il programma. Ti troverai di fronte a questa finestra:

D3) Scegli come Signal Wave Form il 3-Term Sine come mostrato in figura. Sulla destra assicurati che la Resolution sia massima (16 bit) spostando il cursore (vedi ovale in azzurro nella figura qui sopra – non puoi scrivere il valore direttamente nella finestra Resolution!) e che ci sia la spunta su Show Sampling Points e Show Samples Signal (ma non mettere nessuna spunta su Show Quantization Error, come in figura).

SPIEGAZIONI

Nella finestra di sinistra puoi vedere un segnale non campionato. Nella finestra di destra vedi invece lo stesso segnale dopo il campionamento. Le linee rosse molto fitte sul grafico di sinistra rappresentano gli istanti di campionamento.

Nella casella f(sample) trovi la frequenza di campionamento, mentre in (sample) leggi il periodo di campionamento.

D4) Cosa sono gli istanti di campionamento? Inventati una definizione:

D5) Usando il cursore sotto la finestra di sinistra imposta un periodo di campionamento di 60 ns (cioè 60 nanosecondi). Qual è la frequenza di campionamento corrispondente?

D6) Imposta adesso una frequenza di campionamento di 20 MHz (20 mega hertz) e leggi qual è il periodo di campionamento corrispondente:

PERIODO E FREQUENZA DI CAMPIONAMENTO

Il periodo di campionamento è il tempo che intercorre fra due campioni successivi. La frequenza di campionamento è il numero di campioni che ci sono in un secondo.

Fra la frequenza f e il periodo T la relazione è molto semplice, sono uno l’inverso dell’altra:

f = 1/T T = 1/f

Usando la tabella dei multipli riportata qui sotto rispondi alle domande seguenti, scrivendo calcoli e risultati.

10n Prefisso Simbolo Valore numerico In italiano

109 giga G 1 000 000 000 Miliardo

106 mega M 1 000 000 Milione

103 chilo k 1 000 Migliaia

100 (nessuno) (nessuno) 1 Unità

10−3 milli m 0,001 Millesimo

10−6 micro µ 0,000 001 Milionesimo

10−9 nano n 0,000 000 001 Miliardesimo

D7) Campionando con una frequenza di 10 kHz, qual è il valore di periodo di campionamento corrispondente? Scrivi calcoli e risultati:ATTENZIONE: metti anche l'unità di misura e l'eventuale multiplo/sottomultiplo accanto al valore del risultato!

D8) Se il periodo di campionamento è di 2 μs (micro secondi), qual è la frequenza corrispondente?ATTENZIONE: metti anche l'unità di misura e l'eventuale multiplo/sottomultiplo accanto al valore del risultato!

D9) Adesso prova a ridurre il periodo di campionamento (spostando il cursore verso sinistra) e ad aumentarlo (spostandolo verso destra). Secondo te affinché il segnale campionato sia il più possibile simile al segnale originale, come deve essere il periodo di campionamento?

D10) Prova a spostare il cursore tutto verso destra (periodo di campionamento massimo, frequenza di campionamento minimo). Incolla qui sotto la forma del segnale campionato:

D11) Cambia la forma del segnale e scegliete Sine (sinusoide). Campiona con il massimo periodo di campionamento e osserva la forma del segnale campionato. Incolla qui sotto una schermata:

D12) Adesso, sempre con un segnale sinusoidale, riduci al minimo il periodo di campionamento (spostando il cursore tutto a sinistra). Incolla una schermata:

SPIEGAZIONI

Per capire come funziona il campionamento del segnale guarda la figura seguente che mostra il segnale originale e il segnale campionato:

Adesso osserva questa figura in cui ho sovrapposto i due segnali:

Le linee verticali rosse rappresentano gli istanti di campionamento.

D13) Commenta i risultati precedenti, spiegando con parole tue cosa succede quando un segnale viene campionato e in che modo cambia la forma del grafico:

D14) Completa questa frase usando le parole riportate sotto: In corrispondenza di ogni istante di campionamento, il segnale campionato ……………………………………, dopodiché …. fino al …. (SUCCESSIVO, AL SEGNALE ORIGINARIO, COSTANTE, RIMANE, UGUALE, ISTANTE DI CAMPIONAMENTO, UN VALORE, ASSUME).

E) IL CAMPIONAMENTO IN AZIONE: UNA GIF ANIMATA

Se il periodo di campionamento è abbastanza breve (e dunque la frequenza di campionamento è abbastanza alta) nessuno si accorge dell’effetto del campionamento. Il trucco è: campionare spesso, campionare molto, campionare in modo ravvicinato.

Eadweard Muybridge

Eadweard Muybridge è stato uno dei pionieri della fotografia di movimento nell’800. Le sue serie di immagini di animali e persone hanno permesso di studiare il movimento ben prima dell’avvento del cinema.

Fra le altre cose Muybridge cercò di verificare se, durante una corsa al galoppo, ci fosse un momento in cui tutte e quattro le zampe del cavallo fossero contemporaneamente alzate rispetto al suolo, come le aveva dipinte, per esempio, l’artista francese Théodore Géricault nel dipinto Il Derby a Epson (1821).

E1) Cerca su Internet e incolla qui sotto un’immagine di questo celebre dipinto, in cui i cavalli sembrano “volare”:

Ovviamente il mezzo perfetto per risolvere il dilemma è la macchina fotografica. Così, utilizzando 24 fotocamere collegate ad altrettanti fili lungo il percorso, Muybridge riuscì a ottenne una sequenza di immagini che documentavano con assoluta precisione il movimento dei cavalli.

E2) Spiegami come funziona l’esperimento mostrato nella figura qui sopra:

L’esperimentò confermò che per alcuni istanti effettivamente il corpo dell’animale rimaneva, sollevato dal suolo, come sospeso, ma, allo stesso tempo, mostrò anche che il movimento delle zampe era del tutto diversa o da quello che, fino ad allora, avevano immaginato gli artisti nei loro quadri.

Cosa c’entra col campionamento? Adesso te lo spiego…

E3) Cerca su Google Image una serie di movimenti di Muybridge che ti piacciono e incollala qui sotto (al posto del mio esempio):

E4) Apri l’immagine in Paint e ritaglia i singoli fotogrammi. Salva ogni fotogramma separatamente in una immagine png a parte con nome foto1.png, foto2.png eccetera

COME SI FA

Seleziona in Paint con un rettangolo il fotogramma, scegli Ritaglia, salva l’immagine dandole un nome con un numero progressivo (es. img1.png) e poi premi CTRL+Z per ripristinare l’immagine originale.

Ripeti il procedimento in modo da avere nella cartella dell’esercitazione una piccola immagine separata per ogni fotogramma (foto1.png, foto2.png etc.)

E5) Adesso collegati con: http://gifmaker.me/ Col tasto Upload Images carica tutte le immagini precedenti e crea la tua animazione. Puoi variare la velocità con Animation Speed. Quando sei soddisfatto salva la gif animata con nome Animazione.gif

E6) E adesso prova a spiegarmi cosa c’entra questo esperimento col discorso sul campionamento. Coraggio!

F) OPERAZIONI FINALI

F1) Controlla di aver risposto a tutte le domande contenute in questa esercitazione. Se hai tralasciato alcune domande perché non sai rispondere, elencale qui (es. B2):

F2) Comprimi le immagini contenute in questo file Word (seleziona un'immagine, scheda Formato e poi Comprimi immagini e infine Applica a tutte le immagini del documento) in modo da ridurne le dimensioni.

F3) Svuota la tua cartella Download (prima salva gli eventuali file che ti servono!) e poi incolla qui sotto una schermata in cui si veda la cartella Download vuota insieme con l'orologio e la data del PC (in fondo allo schermo).

F4) Controlla che la cartella di questa esercitazione contenga i seguenti file con i nomi qui indicati:Nome del file Tipo del file DescrizioneEL5-7_2ST Campionamento1 Word Il file di questa esercitazioneFoto1.png, Foto2.png etc PNGAnimazione.gif GIF

F5) Chiudi tutti i file, zippa la cartella di questa esercitazione e inviala all'insegnante su Classiperlo.