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Andrea Tombesi [email protected] Milano, Maggio 2007 WWW.CIGS.UNIMO.IT Dalla camera oscura (fotografia) al computer (immagine digitale) Vantaggi e svantaggi Dalla camera oscura (fotografia) al computer (immagine digitale) Vantaggi e svantaggi

Dalla camera oscura (fotografia) al computer (immagine ... · Il problema della registrazione emerge con le immagini digitali RReeggiissttrraazziioonnee - La scelta del formato della

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Page 1: Dalla camera oscura (fotografia) al computer (immagine ... · Il problema della registrazione emerge con le immagini digitali RReeggiissttrraazziioonnee - La scelta del formato della

Andrea [email protected]

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Milano, Maggio 2007WWW.CIGS.UNIMO.IT

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Dalla camera oscura (fotografia) al computer (immagine digitale)

Vantaggi e svantaggi

Dalla camera oscura (fotografia) al computer (immagine digitale)

Vantaggi e svantaggi

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Le prime immaginiLe prime immagini

1826 - Niepce ottiene la prima “eliografia” stendendo bitume di giudea su vetro (tempo esposizione ~8 ore)

1969 W. Boyle and G. Smith realizzano il primo CCD lineare

1974Farchild realizza il primo array CCD da 100 x 100

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Cosa si intende per immagine ?Cosa si intende per immagine ?

Insieme di punti luminosi di diversa intensità e colore

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Pellicola verso CCDPellicola verso CCD

Tecnologie a confronto

1) Risoluzione spaziale (XY)

2) Dimensione del negativo / ccd

3) Profondità e dinamica (scala grigi e/o colore)

4) Stampa e registrazione ( Formato di immagini)

5) Conservazione e archiviazione

6) Elaborazione ed analisi

7) Manipolazione

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L'ingrandimento al microscopio mostra i sali d'argento anneriti dallo sviluppo, che evidenzia l'immagine latente formatasi al momento dello scatto. I cristalli dei sali d'argento, sviluppati, diventano tanto più neri quanta più luce hanno ricevuto.

Negativo

Reazione chimico-fisica alla luce

CCD

Accumulo di carica elettrica derivante da uno stimolo luminoso

Tanto più viene esposto alla luce, tanta più carica elettrica viene accumulata nei singoli fotodiodi.Successivamente il sensore viene letto riga per riga e la carica di ciascun fotodiodo viene convertita in numero

Processo di formazione immagineProcesso di formazione immagine

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Processo di formazione immagineProcesso di formazione immagine

4 x 4 PIXEL 16 x 16 PIXEL

64 x 64 PIXEL 128 x 128 512 x 512

NO!!

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Il microscopio CLSMIl microscopio CLSM ( Confocal Laser Scanning Microscopy )

Il fascio di luce non illumina tutto il preparato ma solo una piccolissima parte (puntiforme)Di conseguenza il rivelatore non vede un’immagine ma solo l’intensitá della luce proveniente da un punto del preparato

Laser

Una coppia di specchi mobili muovono il fascio laser sul campione consentendo cosi la costruzione digitale di un’immagine

Scanning

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Pellicola verso CCD - Risoluzione spaziale (XY)Pellicola verso CCD - Risoluzione spaziale (XY)

Una buona pellicola ben contrastata può arrivare a risolvere circa 50/60 linee per millimetro

Pellicola – 100 ISO – 35mm

CCD – 3000 x 2000 (6 Mpixel) - 1/3”

un sensore b/n da 1/3” da 1 Mpixel raggiunge facilmente i 120 pixel/mm (teorema campionamento)

(1/3” ~ 8x8mm) (1Mpixel ~ 1000x1000) (1000 / 8mm ~ 125 pixel / mm)

Perchè allora ci sembra insoddisfacente anche un dispositivo di 2 o 3 mpixel ?

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Pellicola verso CCD - Risoluzione spaziale (XY)Pellicola verso CCD - Risoluzione spaziale (XY)

L’importanza delle dimensioni del negativo / sensore

Per raggiungere la stessa risoluzione finale in una stampa 13x18, si deve disporre di un CCD (B/N) di 1/3” di circa 10 Mpixel (10 linee x mm * 180mm x 2 = 3600 pixel)

x 5

x 22

Stampa 13 x 18 cm

24x36 mm

Negativo

8x8mm

CCD 1/3” (1Mpixel)

~12 linee / mm

< 3 linee / mm

(tutte le dimensioni sono in proporzione)

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Pellicola verso CCD - Risoluzione spaziale (XY)Pellicola verso CCD - Risoluzione spaziale (XY)

L’importanza delle dimensioni del negativo / sensore

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Pellicola verso CCD - Risoluzione spaziale (XY)Pellicola verso CCD - Risoluzione spaziale (XY)L’importanza delle dimensioni del negativo / sensore

15x15 cm 6 x 9 cm 2.5 x 2.5 cm

Schermo Pellicola CCD

M = 1 M ~ x 2 M ~ x 6

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4 Bit

DIGITALIZZAZIONE ( CROMATICA )DIGITALIZZAZIONE ( CROMATICA )

8 Bit

1 Bit

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6 Bit colore

6 Bit colore = 2 bit Rosso + 2 bit Verde +2 bit Blue

DIGITALIZZAZIONE ( CROMATICA )DIGITALIZZAZIONE ( CROMATICA )

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256 livelli grigio - 8 bit

256 livelli grigio - 8 bit

256 livelli grigio - 8 bit

Immagine true color (3 x 8 bit)

Immagini a colori a 24 bit (true color)Immagini a colori a 24 bit (true color)

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Pellicola a coloriPellicola a coloriComposta da 3 strati sensibili alla luce

UV Blu Green Red

Filtro luce UV

Filtro luce BLU

Filtro luce verde

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Sensori b/n e coloriSensori b/n e colori

Tipico CCD basato su pattern Bayer

Un sensore di 4 Mpixel colore equivale ad un sensore di circa 1 Mpixel b/n

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Sensori b/n e coloriSensori b/n e colori

Nuovo CCD Foveon

Come per i sensori b/n la risoluzione dell’immagine édeterminata dal numero di pixel del sensore

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Look Up Table ( funzione di trasferimento )Look Up Table ( funzione di trasferimento )

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Lut Gray Lut Over-Down

Lut Red Green Lut Level

Look Up TableLook Up Table

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Il problema della registrazione emerge con le immagini digitali

Registrazione Registrazione

- La scelta del formato della pellicola definisce implicitamente le modalità di registrazione

fotografia tradizionale

- Ciascuno risolve in modo personale la memorizzazione delle condizioni di acquisizione

- Dilemma del formato di salvataggio

fotografia digitale

- Possibilità di memorizzare le condizioni di acquisizione

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Il modo piu’ semplice di registrare un’immagine digitale (array numerico) e’ quello di scrivere il valore di tutti i pixel in un file

Es: una immagine di 512 x 512 pixel x 8bit (B/W) = 262144 byte = 256 Kb

(Simile al formato BMP )

Registrazione di un immagine digitale Registrazione di un immagine digitale

………………

…....…

……

……

……

………………

( X i , Yi , Zi )i

=

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TIF - 342 Kb

dimensione originale: (712 x 484 x 8 b/n) ( 344608 bytes = 337 Kbytes)

BMP – 338 Kb JPG - 32 Kb

GIF - 133 Kb

I FORMATII FORMATI

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BMP – 1280 Kb

JPG -LQ – 36 Kb

GIF-LQ – 242 Kb

I FORMATII FORMATI

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BMP – 1280 Kb

JPG -HQ – 291 Kb

JPG -LQ – 36 Kb

FORMATO JPGFORMATO JPG

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BMP – 1280 Kb

GIF -HQ – 276 Kb

GIF -LQ – 242 Kb

FORMATO GIFFORMATO GIF

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BMP JPG

BMP e JPGBMP e JPG

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GIF = Graphics Interchange Format

Limita a 256 colori (8 bit) per ridurre la dimensione e usa LZW

JPG = Joint Photographic Experts Group

Usa compressione con perdita di informazioni (lossey)

TIFF = Tag image file format

Tiff usa (spesso) compressione LZW e aggiunge Tag proprietari

LZW ( Lempel- Zif – Welch )

Algoritmo di compressione che riduce le dimensioni senza perdita di qualità

Caratteristiche dei differenti formatiCaratteristiche dei differenti formati

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Perchè salviamo un’immagine ?

Perché ci piacciono

Per avere un archivio

Per scrivere un articolo

Per fare misure e analisi

Per osservare e pensare

Per correlarle con altre analisi

Alcune considerazioni sui formatiAlcune considerazioni sui formati

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Cosa rappresenta ?Cosa rappresenta ?

Le immagini scientifiche sono più complesse delle immagini comuni perchè devono essere associate a informazioni tecniche sui metodi e condizioni di ripresa

Alcune considerazioni sui formatiAlcune considerazioni sui formati

Qualità dell’immagine Parametri strumentali+

HT = 2 HT = 2 KvKvMAGN. = 314.9 x (MAGN. = 314.9 x (??)??)SPOT = 3SPOT = 3DETECTOR = DETECTOR = SedSedTILT TILT ……Orchidea: Orchidea: DettaglioDettaglio

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A1001.TIF A1001.TIF -- A1002.TIF A1002.TIF -- A1003.TIF A1003.TIF -- A1004.TIFA1004.TIF

A1005.TIF A1005.TIF -- A1006.TIF A1006.TIF -- A1007.TIF A1007.TIF -- A1008.TIFA1008.TIF

Alcune considerazioni sui formatiAlcune considerazioni sui formati

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OBJ=63xOBJ=63xLaser pwr=3mWLaser pwr=3mWPinhole=100Pinhole=100Z step=10 Z step=10 umum

++

Sequenza di immaginiSequenza di immagini++

Alcune considerazioni sui formatiAlcune considerazioni sui formati

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256 N_pixel XN_pixel YBytes/Pixel

Offset to Pixel n.1............

257258273..........

010100100100001111001110010001111001000100100000010010000111100100101010010011111110001001101011

...............

Magn= 5000HT=10 KvWD=10 mm. ecc. ecc.

TTaggedagged IImagemage FFormatormat

Header

Dati (immagine)

Spazio disponibile per informazioni specifiche

t if

t if

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La scelta del formatoLa scelta del formato

?Se chiedete ad un vostro collega più esperto di voi in che formato salvare

un’ímmagine, la risposta, inevitabilmente irritante, che vi sentite dare è del tipo:

Che cosa ci devi fare con quella fotografia?

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Tenere SEMPRE una copia salvata nel formato proprietario e, se è possibile scegliere, utilizzare il formato TIF

1)

Se si utilizzano apparecchi fotografici (professionali) è consigliabile salvare le immagini anche in formato RAW o DNG

La scelta del formatoLa scelta del formato

Se non esiste un formato proprietario utilizzare il formato TIF2)

Utilizzare sempre la massima qualità di registrazione3)

Formato proprietario TIF Massima qualitá

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Perchè è importante il formatoPerchè è importante il formato

Poiché risulta molto difficile e complessa l’alterazione del negativo in fase di ripresa, possiamo considerare lo stesso come “prova” originale del dato acquisto

fotografia tradizionale (negativi)

Data l’estrema semplicitá ad essere manipolata, l’immagine digitale si presta facilmente ad essere “adattata” alle proprie esigenze.

È pertanto necessario avere un formato “originale” di riferimento.

fotografia digitale

1)

Il formato deve essere tale da alterare il meno possibile le informazioni registrate2)

Aprire una immagine con un qualunque software (paintbrush, photoshop …) e salvarla anche nello stesso identico formato (TIFF,JPG…) ALTERA inevitabilmente l’immagine originale.

NB:

L’immagine salvata deve contenere il maggior numero di informazioni possibili, come ad esempio la calibrazione spaziale, le condizioni di acquisizione …

3)

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Nella fotografia tradizionale si utilizza un marker sovrapposto all’immagine.

CALIBRAZIONE DELL’IMMAGINECALIBRAZIONE DELL’IMMAGINE

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Nella fotografia digitale è possibile definire e memorizzare la dimensione dei pixel (pixel-width e pixel-height)

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ESEMPIO ESEMPIO Acquisisco un’immagine nelle condizioni di lavoro predefinite, con un marker per la calibrazione spaziale.

Lx = 1.5 x 400 = 600 um

Ly = 1.33 x 300 = 400 um

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Pixel- Width = 1.5 um

Pixel-Height = 1.33 umPer un’immagine di 400x300 pixel:

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ESEMPIO – Dipendenza della calibrazione dalla risoluzioneESEMPIO – Dipendenza della calibrazione dalla risoluzione

Tutte le immagini sono state acquisite con lo stesso microscopio Ottico, obiettivo 20 X, stessa telecamera DIGITALE e utilizzato lo stesso file di calibrazione

Fattore 4 di risoluzione

Low resolution High resolution

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Ingrandimento visualizzazione e stampaIngrandimento visualizzazione e stampa

Una immagine acquisita a 1024x1024 occuperà quasi completamente lo schermo

Monitor: Dispositivo digitale di riproduzione con una propria tipica risoluzione (da 70 a 100 dpi)

Problema: L’immagine che abbiamo stampato o fatto stampare ci sembra spesso molto

deludente rispetto a quello che abbiamo visto sul monitor !!

Es: monitor da 17” (14”x 11”) impostato a 1280x1024 implica una risoluzione di circa 92 dpi ( ~ 4 pixel/mm)

Dobbiamo abituarci a considerare SEMPRE la risoluzione dei dispositivi di riproduzione

Dobbiamo abituarci a considerare SEMPRE la risoluzione dei dispositivi di riproduzione

La stampa di una immagine acquisita a 1024x1024 avrà le seguenti dimensioni finali:

Stampante: Dispositivo digitale di riproduzione con risoluzione variabile (da 150 a 600 dpi)

150 dpi � stampa di 17 x 17 cm (1024/150) ~7” ~ 170mm

300 dpi � stampa di 8,5 x 8,5 cm (1024/300)

600 dpi � stampa di 4,2 x 4,2 cm (1024/600)Tipica stampa fotografica

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IngrandimentoIngrandimento

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Definizione di ingrandimento

L’ingrandimento è il rapporto tra due aree

Cambiare la dimensione della stampa o del monitor vuol dire modificare l’ingrandimento

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IngrandimentoIngrandimento

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Perde di significato se non lo si riferisce al dispositivo di visualizzazione

polaroid ( 9x6cm ) 2650 X

monitor di 15” (10000 X)

monitor di 17” (11300 X)

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Il limite maggiore della nuova tecnologia digitale riguarda la dimensione del sensore che non raggiunge ancora quello delle lastre fotografiche e a prezzi accessibili.

Considerazioni finali

Oggi la fotografia digitale ha raggiunto livelli di qualità molto vicini alla fotografia tradizionale ed in alcuni casi li ha anche superati. (esistono macchine commerciali con sensori di 24x36 mm da 16 Mpixel)

Il secondo limite, paradossalmente più difficile da superare, è legato alla necessitàdi dover imparare a conoscere e utilizzare una nuova tecnologia.

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Grazie per lGrazie per l’’attenzioneattenzione

Andrea Tombesi - [email protected]

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www.cigs.unimo.it http://www.cigs.unimo.it/sime

Teoria

1. www.dca.fee.unicamp.br/dipcourse/index.html ( Teoria generale )2. http://www.ph.tn.tudelft.nl/Courses/FIP/noframes/fip-Contents.html (Matematico)3. http://www.awaresystems.be/imaging/tiff/faq.html ( Tutto sul formato TIFF)4. http://www.dcs.ed.ac.uk/home/mxr/gfx/2d-hi.html ( I diversi formati grafici)5. http://www.diodati.org/scritti/2001/algoritmi/index.asp (Algoritmi di compressione)

Software per analisi di immagini freeware

http://rsb.info.nih.gov/ij/

http://ddsdx.uthscsa.edu/dig/itdesc.html

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http://www.hyperreview.com/CCD.htm

http://www.normankoren.com/#Tutorials

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L'algoritmo LZW (Lempel-Ziv-Welch)L'algoritmo LZW (Lempel-Ziv-Welch)L'algoritmo non distruttivo che va sotto il nome di LZW è il risultato delle modifiche apportate nel 1984 da Terry Welch ai due algoritmi sviluppati nel 1977 e nel 1978 da Jacob Ziv e Abraham Lempel, e chiamati rispettivamente LZ77 e LZ78.Il funzionamento di questo metodo è molto semplice: viene creato un dizionario delle stringhe di simboli ricorrenti nel file, costruito in modo tale che ad ogni nuovo termine aggiunto al dizionario sia accoppiata in modo esclusivo un'unica stringa. Esiste un dizionario di partenza costituito dai 256 simboli del codice ASCII, che viene incrementato con l'aggiunta di tutte le stringhe ricorrenti nel file, che siano maggiori di un carattere. Ciò che viene memorizzato nel file compresso è un codice breve che rappresenta in modo inequivocabile la stringa inserita nel dizionario così creato.Esiste, naturalmente, un insieme di regole non ambigue per la codifica del dizionario, che permetterà in seguito al sistema di decompressione di generare un dizionario esattamente uguale a quello di partenza, in modo tale da poter effettuare l'operazione inversa a quella di compressione, consistente nella sostituzione del codice compresso con la stringa originale. La reversibilità completa e precisa dell'operazione èindispensabile al fine di riottenere l'esatto contenuto del file originale.Il risparmio di spazio in un file compresso con LZW dipende dal fatto che il numero di bit necessari a codificare il "termine" che rappresenta una stringa nel dizionario è inferiore al numero di bit necessari a scrivere nel file non compresso tutti i caratteri che compongono la stringa. Quanto più numerose e lunghe sono le stringhe che è possibile inserire nel dizionario, tanto maggiore sarà il coefficiente di compressione del file. I formati grafici più noti che utilizzano l'algoritmo LZW sono il TIFF e il GIF. Esso è utilizzato anche dallo standard V.42bis, implementato su tutti i modem di ultima generazione come uno dei protocolli per la trasmissione di dati compressi.Per avere una dimostrazione pratica di come funziona questo tipo di codifica per mezzo di dizionari di simboli, potete collegarvi su Internet alla pagina http://www.cs.sfu.ca/CC/365/li/squeeze/LZW.html, dalla quale è possibile accedere ad una interessante applet java. La sua interfaccia, molto intuitiva, vi consentiràdi effettuare in prima persona una codifica di stringhe di testo con LZW, verificando direttamente la creazione del dizionario, la sua ricostruzione in un'altra finestra ed il coefficiente finale di compressione ottenuto.

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Principali TAG del formato TIFFPrincipali TAG del formato TIFF

For each strip, the byte offset of that strip.StripOffsets0111273

The orientation of the image with respect to the rows and columns.Orientation0112274

The scanner model name or number.Model0110272

The scanner manufacturer.Make010F271

A string that describes the subject of the image.ImageDescription010E270

The logical order of bits within a byte.FillOrder010A266

CellLength0109265

CellWidth0108264

For black and white TIFF files that represent shades of grayThreshholding0107263

The color space of the image data.Photometric Interpretation0106262

Compression scheme used on the image data.Compression0103259

Number of bits per component.BitsPerSample0102258

The number of rows of pixels in the image.ImageLength0101257

The number of columns in the imageImageWidth0100256

A general indication of the kind of data contained in this subfile.SubfileType00FF255

A general indication of the kind of data contained in this subfile.NewSubfileType00FE254

Short descriptionNameHexDec

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Principali TAG del formato TIFFPrincipali TAG del formato TIFF

Description of extra components.ExtraSamples0152338

A color map for palette color images.ColorMap0140320

The computer or operating system in use at the time of image creation.HostComputer013C316

Person who created the image.Artist013B315

Date and time of image creation.DateTime0132306

Name and version number of the software package(s) used Software0131305

The unit of measurement for XResolution and YResolution.ResolutionUnit0128296

For grayscale data, the optical density of each possible pixel value.GrayResponseCurve0123291

The precision of the information contained in the GrayResponseCurve.GrayResponseUnit0122290

FreeByteCounts0121289

FreeOffsets0120288

How the components of each pixel are stored.PlanarConfiguration011C284

The number of pixels per ResolutionUnit in the ImageLength direction.YResolution011B283

The number of pixels per ResolutionUnit in the ImageWidth direction.XResolution011A282

The maximum component value used.MaxSampleValue0119281

The minimum component value used.MinSampleValue0118280

For each strip, the number of bytes in the strip after compression.StripByteCounts0117279

The number of rows per strip.RowsPerStrip0116278

The number of components per pixel.SamplesPerPixel0115277

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��������� ���� � ��� � � ���� � ������ �� ����

336.53125

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Teorema del campionamentoTeorema del campionamento

Teorema di NyquistUna struttura può essere acquisita senza perdita di informazioni solo se la piùpiccola distanza otticamente risolvibile viene acquisita con almeno tre punti