TEMA 7. PRINCIPIS I HISTÒRIA DE LA COMPUTACIÓ. (2014)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Pompeu Fabra (UPF)
Grado Comunicación Audiovisual - 1º curso
Asignatura Tecnologia de l'Audiovisual
Año del apunte 2014
Páginas 22
Fecha de subida 26/07/2014
Descargas 2
Subido por

Descripción

Prof: Ignasi Ribes. Aquests apunts són una barreja dels mateixos apunts que penja el professor a l'aula amb apunts que es prenen a classe. Per tant, és com estar a la mateixa classe.

Vista previa del texto

TEMA 6. PRINCIPIS I HISTÒRIA DE LA COMPUTACIÓ.
CODIFICACIÓ DIGITAL D’IMATGE I SO.
LA HISTÒRIA D'UNA MÀQUINA DIFERENT: L'ORDINADOR La invenció dels ordinadors és diferent de la de la resta de màquines en general i de les que s'apliquen a la comunicació audiovisual en particular. Altres ginys van acabar realitzant en la pràctica idees que d'algunes maneres ja hi eren a l'imaginari col·lectiu.
En la base de totes les invencions hi ha alguna qualitat més o menys directament perceptible pels nostres sentits: el so, la imatge, la distància, la llum, el treball o l'energia, etc. Imaginar un ordinador ‐ un aparell capaç de manipular informació ‐ és impossible sense el concepte d'informació, una abstracció contemporània.
És per això que la millor manera d'entendre com s'arriba a inventar l'ordinador és a partir d'un seguit de branques independents que d'alguna manera acaben confluint per generar aquesta màquina ubiqua.
Avui dia entenem l'ordinador com un polifacètic mitjà de comunicació: hi ha ordinadors al darrere de la televisió, del cinema digital, d'internet, dels telèfons mòbils i en general de tots aquells dispositius que serveixen a les persones per comunicar‐se entre elles directament o a través d'un discurs elaborat en qualsevol mena de mitjà: escrit, auditiu, visual, etc.
CODIFICACIÓ DE LA INFORMACIÓ I CODIFICACIÓ DIGITAL La idea d’emmagatzemar i transmetre informació en forma digital no és, com podria semblar, una novetat lligada a la informàtica i al nostre segle. De fet s'està fent servir de forma pràcticament inconscient des de fa uns 2.000 anys: ja en els molins romans, l’arbre de lleves (un cilindre amb sortints que gira per la força de l’aigua) transmet l’energia a les lleves d’acord amb un ordre establert per la manera en què estan col·locats els sortints.
El mateix principi ja més perfeccionat es va aplicar a l’edat mitjana en els carillons de les catedrals o edificis públics.
La melodia que toquen les campanes és “programada” mitjançant els sortints d’un cilindre que gira. Quan hi ha un sortint s’aixeca una palanca i sona la campana i quan no hi és no sona.
En la mateixa línia, les sofisticades joguines automàtiques que es van posar de moda a l’època barroca organitzen els seus complexos moviments a base de combinacions d’aquests mateixos dispositius. El constructor d'autòmats més important d'aquesta època és, segurament, Jacques de Vaucanson (1709‐1782). La seva obra més famosa és un ànec capaç de moure's, menjar i "desmenjar" entre altres coses.
Un primer pas el va donar en 1725 Basile Bouchon, un teixidor de Lió fill d’un constructor d'orgues amb molta experiència en aquests processos. El seu invent va ser el primer teler "programable". Es basava en una tira de cartró amb perforacions (el “negatiu” del cilindre amb sortints) que inicialment es donava al fuster per explicar‐li on havien d'anar els sortints. S'adonà que podia fer servir aquestes tires de cartró directament per controlar el dibuix que feia el teler: on havia un forat podia passar una agulla amb un fil d’un color determinat i on no hi havia forat no passava.
Joseph Jacquard va recollir els treballs de Bouchon i de Vaucanson, per donar un pas decisiu en inventar, cap el 1802, un teler automàtic controlat per un dispositiu “programat” a base de diverses targetes perforades (un avenç degut a Falcon). Amb això es podien fer dibuixos més complexos.
Hermann Hollerith va donar un significatiu pas endavant en portar la idea de la targeta perforada a l’àmbit del processament de grans quantitats d’informació. El seu sistema de calculadors mecànics i targetes perforades es va fer servir per emmagatzemar i processar la informació del cens dels Estats Units de 1890 . La informació estadística de cada persona es codificava com a perforacions en una targeta. En el lector de targetes els passadors que travessaven els forats tancaven un circuit elèctric que feia sumar una unitat en l’apartat corresponent. A més de l’avenç conceptual que representa aquesta aplicació, que podia no ser evident de forma immediata, l’economia de temps va ser enorme: el cens de 1880, sobre una població de 50 milions de persones va trigar set anys a completar‐se; el de 1890, ja amb 63 milions d’habitants, només dos i mig.
Després d’aquesta experiència, Hollerith fundà i dirigí fins el 1911 en què la va vendre, la Hollerith Tabulating Machine Company que en 1924 donaria lloc amb una triple fusió a la International Business Machines Corporation (IBM), empresa dedicada a la fabricació de màquines de calcular automàtiques que més endavant seria bàsica en la popularització dels ordinadors.
Aquestes primeres grans empreses es dedicaven a la fabricació de màquines per a l’automatització de processos comercials rutinaris.
Els dispositius de càlcul La primera màquina de calcular, després dels dits, va ser l’àbac, sorgit de forma independent a diverses parts del mon en diverses èpoques però perfeccionat pels xinesos en la seva forma actual en el segle XII abans de Crist. Aquest antiquíssim dispositiu fa servir ja la idea de que la posició d’una peça determina el seu valor relatiu.
També en aquest àmbit va ser l’augment espectacular en les activitats comercials i científiques que es produí a les èpoques renaixentista i barroca el què va potenciar l’aparició de nous dispositius de càlcul automàtic.
A principis del segle XVII es produí el primer avenç important. El va fer John Neper, que havia inventat ja els logaritmes amb la finalitat principal de facilitar el procés de la multiplicació reduint‐lo a sumes. Es tractava d’un dispositiu basat en unes taules d’os amb inscripcions numèriques en llocs determinats que servien per sumar i multiplicar números senzills. Són l'antecedent dels regles de càlcul, sofisticats conjunts de reglets graduats de moltes maneres que podien lliscar uns respecte els altres per produir, mitjançant enrevessades combinacions de moviments, aproximacions prou bones d'operacions de gran complexitat com ara les funcions trigonomètriques, les hiperbòliques, les logarítmiques i altres. En feines com ara l'enginyeria o l'arquitectura eren indispensables fins la popularització de les calculadores electròniques portàtils cap a la dècada de 1970.
Cap a 1623, Wilhelm Schickard, un ciutadà de Tubingen (Alemanya) va dissenyar una màquina d’engranatges que s'anomena "rellotge calculador" que sumava i restava automàticament i multiplicava i dividia de forma semiautomàtica.
Es conserva encara la màquina que construí en 1642, quan tenia 18 anys, el després famós científic i filòsof Blaise Pascal (imatge). Estava basada també en rodes dentades i només sumava i restava, que era el que pretenia aconseguir per ajudar el seu pare, recaptador d’impostos.
Uns anys més tard, en 1671, un altre científic i filòsof cabdal, Gottfried von Leibnitz, desenvolupà una nova màquina més sofisticada però basada en principis semblants. La seva finalitat era alleugerir els càlculs científics i astronòmics i podia ja multiplicar i dividir de forma automàtica. És considerada la primera calculadora mecànica i l’antecedent directe de les que es feien servir fins fa unes dècades per a les transaccions comercials.
Durant més d’un segle no va haver‐hi avenços espectaculars en aquest camp. Ara bé, com hem vist, mentrestant es va anar avançant en el tema de la codificació binària.
Qui va unir per primera vegada aquests dos àmbits, les màquines calculadores basades en rodes dentades i l’emmagatzemament de la informació en targetes va ser el matemàtic britànic Charles Babbage, responsable també d’idees fonamentals com les de programa, entrada i sortida. En particular la idea de programa representa un canvi conceptual bàsic en el desenvolupament de la informàtica: es va començar a pensar que una màquina pot realitzar una sèrie llarga d’operacions aritmètiques i de decisions sense intervenció humana i no una operació cada vegada com es plantejava fins aquell moment.
Babbage va dissenyar dos ginys, la màquina de la diferència, en 1822 i la màquina analítica, en 1834. Aquesta última incorporava ja moltes de les idees dels ordinadors actuals: dispositius d’entrada i sortida, un processador (de rodes dentades i anomenat molí) i una rudimentària capacitat de programació. Era tan sofisticada que no es va poder construir amb la tecnologia mecànica disponible a la seva època. No va ser fins 100 anys més tard que la electrònica va fer possible portar a la pràctica amb propietat aquestes idees.
Altres persones van influir també al llarg del segle XIX en la consolidació de la base teòrica de la informàtica. Entre elles hi ha una dona excepcional, Ada Byron, filla de lord Byron i amiga i col∙laboradora de Babbage, que va arribar a escriure programes per a la màquina analítica. També va desenvolupar el sistema de numeració binari que més tard faran servir els ordinadors.
Lògica i principis dels ordinadors: George Boole i Claude Shannon Un altre avenç fonamental, per be que aparentment desconnectat el va fer cap a 1847 George Boole, qui va inventar una àlgebra (un conjunt de regles de funcionament) per a les expressions de la lògica binària amb què treballaran els ordinadors.
George Boole. Àlgebra ‐ conjunt de regles de funcionament ‐ per a les expressions de la lògica binària: o, i, no. Els futurs ordinadors treballaran amb aquesta lògica.
Les regles de l’àlgebra de Boole permeten tota mena de simplificacions, canvis, etc. en expressions que inclouen proposicions (p, q, r) i operacions (i, o, no). També val per conjunts amb les operacions intersecció, unió i complementari.
Un altre pas vital el va donar un any més tard, el 1938 l’enginyer elèctric Claude Shannon, quan va mostrar que els circuits de commutadors elèctrics podien realitzar operacions lògiques i que el seu funcionament es podia descriure amb les regles de l’àlgebra binària que havia introduït Boole un segle abans.
De forma paral∙lela es continuava construint i refinant el suport de la futura ciència de la computació. En 1937 Alan Turing, en uns treballs sobre lògica d’una extraordinària profunditat intel∙lectual, va demostrar que qualsevol problema algorítmic, per complex que fos, es podia resoldre a base de la utilització reiterada d’unes poques instruccions senzilles. Per primer cop quedava clar que una màquina simple però ràpida podia resoldre en un temps raonable qüestions molt sofisticades.
ELECTRÒNICA I “GENERACIONS” D’ORDINADORS En 1906 Lee de Forest va inventar la vàlvula termoiònica i al voltant del 1900 Valdemar Poulsen, havia desenvolupat el primer dispositiu magnètic d’emmagatzemament, un fil de coure on s'enregistrava una conversa telefònica.
Primera generació En aquest estat de coses, la Segona Guerra Mundial va carregar amb un immens valor estratègic la capacitat de fer càlculs rapidíssims. Els dos bàndols van dedicar grans esforços a millorar els seus ordinadors incipients. És molt coneguda la màquina Colossus, desenvolupada al British Intelligence Establishment per un equip en què es trobava el mateix Turing i que va ser operativa a partir del 1943. Va desxifrar amb èxit els missatges secrets que feien els alemanys amb la seva màquina encriptadora Enigma. Alguns historiadors consideren decisiva aquesta capacitat de llegir les transmissions enemigues en el resultat final de la guerra.
També durant la guerra, a Alemanya, Konrad Zuse, que feia calculadores ja en 1935, va construir ordinadors electrònics capaços d’emmagatzemar programes. El primer, el Z3 va funcionar el 1941, mentre que el segon, el Z4 es va emprar per càlculs de disseny de les bombes volants. Això el va convertir en un objectiu estratègic i va ser destruït pels bombardeigs aliats.
Amb això, el què es pot considerar primer veritable ordinador electrònic digital va ser l’ABC (Atanasoff Berry Computer) desenvolupat entre 1935 i 1942 a la universitat de l’Estat de Iowa per John Vincent Atanasoff i el seu deixeble Clifford Berry.
Però la fama de ser el primer ordinador modern se la va endur l’ENIAC (Electrical Numerical Integrator And Calculator), potser per tractar‐se d'un aparell de propòsit més general. Va ser un projecte secret desenvolupat durant la Segona Guerra Mundial amb finalitats bèl∙liques ‐ realitzar càlculs balístics ‐ per J. Prosper Eckert i John W.
Mauchly basant‐se en idees de Atanasoff. Podia emmagatzemar 20 números en base 10 i trigava dues deumil∙lèsimes de segon en sumar‐ne dos.
Lògica i principis dels ordinadors: John von Neumann Per donar instruccions a l’ENIAC calia fer un complex seguit de connexions elèctriques.
La idea de tractar les instruccions de la mateixa forma que les dades i de fer servir exclusivament codi binari es va desprendre dels treballs teòrics de John von Neumann qui en 1946 va establir dos principis fonamentals dels futurs ordinadors: Les dades i les instruccions s’emmagatzemaran de la mateixa manera, sense distincions. Es farà servir codi binari.
Es podrà processar i modificar tant les dades com les instruccions.
Tots els ordinadors que van aplicar aquests principis són ja ordinadors digitals amb el mateix funcionament bàsic que els actuals. Ben aviat van passar a ser els únics. I és que de forma immediata es van començar a aplicar aquests principis a la construcció d’ordinadors.
El 1948 va funcionar el MARK 1 de la Universitat de Manchester constituït per Max Newman, F.C. Williams, T. Kilburn i G.C. Toothill amb la col∙laboració del propi Turing.
Idea del funcionament d’un ordinador UN TRANSISTOR NPN: ESCRIURE, LLEGIR, ESBORRAR Tots aquests primitius ordinadors sovint s’anomenen de primera generació. Com a conseqüència les seves dimensions eren enormes, de l’ordre d’una habitació, i l’escalfament que produïen ocasionava freqüents i complexes avaries. Es necessitaven per tant dispositius més petits, més ràpids i més freds.
El transistor, inventat el 1948 per William Shockley, es va aplicar al disseny d’ordinadors i va originar l’anomenada segona generació d’ordinadors, de la mida de mobles. Entre els primers models comercialitzats es troben l’IBM sèrie 7000 i el LEO Mark 3.
Un transistor està format per tres parts diferenciades, la base, l’emissor i el col∙lector. El corrent flueix entre emissor i col∙lector; la quantitat de corrent que flueix entre aquests es pot controlar a partir del corrent que s'envia a la base.
Avui dia els transistors són microscòpics i s'integren per milers en plaques de silici anomenades xips. Enviant a cada microscòpic transistor els impulsos binaris adients es pot controlar el seu estat i recollir la seva sortida, és a dir "escriure", "llegir" i "esborrar" a la memòria.
Sistemes de numeració Amb tot això és clar que per codificar una informació qualsevol en forma digital cal convertir‐la d’alguna manera en una successió ordenada que expressi els estats dels elements binaris.
És més senzill i profitós expressar aquestes configuracions a base de les dues xifres 0 i 1. Amb això les dues combinacions anteriors s'expressen com 0010 i 0111. Això ens permet considerar els estats dels grups d’interruptors com representacions de números i aplicar en conseqüència als circuits binaris tota la potència de l’àlgebra i de la matemàtica de la computació.
Un sistema de numeració estableix regles per escriure i operar de forma senzilla amb tots els números posibles. Amb només dues xifres, 0 i 1 per exemple, ja es poden escriure també tots els números. Amb això tindrem sèries més llargues de xifres per representar els mateixos números d’abans però això, que per nosaltres pot ser molest, no ho és en absolut per a un ordinador electrònic digital.
En general, el nombre de números diferents que es poden fer amb n xifres és 2n.
Les operacions algebraiques més habituals, com ara la suma, es poden realitzar en binari amb la mateixa facilitat que en el sistema decimal. Es fan servir els mateixos algoritmes.
Per tant, el tractament de la informació numèrica i les seves operacions és immediat.
El tractament de la informació alfanumèrica, el text, és també molt senzill: es codifiquen els caràcters assignant‐los de forma arbitrària un número a cada un. Per exemple, en un dels codis més estesos, l'ASCII (American Standard Code for Information Interchange) es fa A=65, B=66 etc. A partir d’això ja és fàcil fer qualsevol manipulació del text com ara les pròpies de qualsevol processador de textos: identificar les paraules, canviar l’estil, el tipus de lletra, etc.
Per tractar informacions d’altres tipus caldrà trobar maneres de representar‐les com a memòries binàries.
Operacions lògiques. Exemple: circuit NAND (No‐I) Els circuits d'un ordinador digital es construeixen imitant aquestes i altres operacions matemàtiques i també lògiques, com ara AND, OR, NOT, regides per les regles lògiques de l’àlgebra de Boole. Això significa que un circuit sumador funciona de manera que si li entren els impulsos elèctrics binaris corresponents al 2 i al 5 surten els del 7, si li entren els de 3 i 5, surten els de 8. I un circuit lògic, una porta NOT, per exemple, funciona com aquesta funció lògica: si entra corrent no en surt i a l’inrevés.
En rigor, l'ordinador no fa res més que senzilles operacions lògiques i matemàtiques amb números expressats en forma binària. Però qualsevol operació matemàtica o de tractament de la informació en general, per complexa que sigui, es pot reduir a un gran nombre d'aquestes operacions senzilles. És l'aplicació pràctica de les genials idees de Turing.
A partir de les regles de l’àlgebra de Boole (lleis de Morgan) es pot escriure: no(A∙B) = noA + noB I construir circuits amb aquesta connectivitat: Els ordinadors: parts i funcionament.
Un ordinador qualsevol efectua quatre funcions principals: Entrada (Input) d'informació.
Emmagatzemament de la informació, tant de forma interna com externa.
Processament, és a dir manipulació i transformació de la informació.
Sortida (Output) de la informació.
Des del punt de vista d’aquestes funcions bàsiques es poden distingir les diverses parts que constitueixen un ordinador: unitat central de procés (CPU) o microprocessador, memòria principal, dispositius d'emmagatzemament, dispositius d'entrada i dispositius de sortida. A la figura es poden veure juntament amb les seves relacions Unitat central de procés o microprocesador La unitat central de procés (CPU) consta de dues unitats integrades des de la quarta generació en el microprocessador, la unitat aritmètico‐lògica i la unitat de control.
La unitat aritmètico‐lògica és la part en què es realitzen els càlculs i es prenen decisions. També conté unes petites memòries anomenades registres que emmagatzemen provisionalment dades a mesura que va funcionant el programa.
La unitat de control coordina el funcionament pas a pas de l'ordinador: controla mitjançant interruptors estratègics el flux de dades des de la unitat aritmético‐lògica cap a la memòria i a l'inrevés a través dels bussos i dins del propi processador. Per tant, actua com un rellotge que sincronitza els impulsos elèctrics que recorren tot l'ordinador, en un procés anomenat temporització i fixa la seqüència, és a dir l'ordre de les instruccions a realitzar i les dades a utilitzar.
Memòria Hi ha dos tipus principals o extrems de memòria. Una és la memòria ROM (Read Only Memory), que no s'esborra en absència de corrent elèctric. Són només de lectura i per tant no pot ser modificada des de l’ordinador. En conseqüència es fa servir per col∙locar programes i utilitats que són sempre necessaris i que no cal modificar, com ara rutines d'arrencada, programes de control de la pantalla etc.
L’altra és la memòria RAM (Random Access Memory), memòria d’accés aleatori, de lectura i escriptura i per tant esborrable. S'hi carreguen els programes que fan que l'ordinador tingui unes funcions i capacitats determinades o unes altres: diversos sistemes operatius (Windows, Linux, MacOS...), llenguatges de programació (C++, Java, Javascript...) o programes d'aplicació (Word, Photoshop...). També s'hi carreguen les dades que fan servir els programes que estan funcionant, per exemple el text d'una carta o una imatge digitalitzada.
En els darrers anys s'han desenvolupat i comercialitzat abastament un seguit de tipus de memòries amb els avantatges de les dues i cap dels seus inconvenients. Són derivades de la ROM doncs tampoc no s’esborren en absència d’alimentació, però, com a la RAM, sí es pot escriure. les memòries PROM (Programmable Read‐Only Memory) escribibles una sola vegada, les EPROM (Erasable Programmable Read‐Only Memory) esborrables mitjançant raigs ultraviolats i les EEPROM (Electrically‐Erasable Programmable Read‐Only Memory) que poden ser programades, esborrades i reprogramades elèctricament entre 100.000 i 1.000.000 de cops.
Cada element de la memòria és un bit. Un byte es va definir com un grup de bits en la quantitat necessària per manipular tot el conjunt de caràcters, mitjançant un codi com l'ASCII. Com 2 elevat a 8 són 256, que era un nombre suficient quan només es considerava el llenguatge anglès, un byte és una agrupació de 8 bits.
Un Kilobyte (Kb) són 1.024 (= 210) bytes; un Megabyte (Mb) són 1.024 Kilobytes i per tant 1.048.576 (= 220) bytes; un Gigabyte (Gb) són 1.024 Megabytes i per tant 1.073.741.824 bytes (= 230) bytes; un Terabyte (Tb) són 1.024 Gigabytes i per tant 1.099.511.627.776 bytes (= 240) Cada un dels bytes de la memòria té una direcció, la seva direcció de memòria, un número que permet al microprocessador identificar‐lo de forma unívoca respecte tots els altres.
Sistemes d’emmagatzemament Els dispositius o sistemes d’emmagatzemament serveixen per guardar de forma permanent les informacions que no es vol perdre un cop desconnectat l’ordinador.
Els dispositius més emprats fins fa poc feien servir tecnologies magnètiques com ara discos durs i els obsolets disquets, doncs permeten enregistrar i esborrar de forma il∙limitada. Les tecnologies òptiques editorials com ara el CD‐ROM, el DVD o el "Blue‐ Ray" permeten emmagatzemar una quantitat més gran d’informació, però no es poden esborrar, per tant es fan servir per distribuir productes de tipus “editorial” com ara programes i aplicacions interactives o de cinema comercial. Els sistemes intermedis magneto‐òptics o òptics enregistrables i/o esborrables inclouen un ventall ample de tecnologies incompatibles entre elles. Tenen característiques de les dues formes: una gran capacitat d’emmagatzemament i a l’hora es poden enregistrar i fins i tot esborrar per tornar a escriure un gran nombre de vegades. Moltes d'aquestes tecnologies s'han adaptat als formats editorials CD i DVD. Com hem vist abans, les memòries flash, formades per un tipus especial de transistors (transistors de porta flotant), es caracteritzen per la seva capacitat de mantenir una càrrega elèctrica durant períodes il∙limitats de temps en absència d'una font d'alimentació.
Llenguatges de comunicació persona‐ordinador En els anys següents es van anar creant llenguatges cada cop més propers a la lògica del raonament humà. Es diu que són llenguatges d’alt nivell. Naturalment, quant més proper estigui un llenguatge a nosaltres i la nostra lògica, més complex haurà de ser el procés d’interpretació (o compilació) des de les seves instruccions a les ordres elementals que pot seguir la màquina i que són les que en darrer terme acaben funcionant.
Un sistema operatiu és un conjunt de programes que realitzen tasques elementals que es fan servir tot sovint per permetre la relació entre "hardware" i "software" i que seria molest i absurd haver de programar cada vegada.
Un mateix ordinador pot funcionar amb diversos sistemes operatius que exploten les seves possibilitats de manera diversa.
Els llenguatges d'alt nivell com ara els vells Cobol, Fortran, Basic o Pascal/Delphi o el molt emprat C/C++ i els seus derivats com ara Java i Javascript, són programes que permeten ordenar tasques a l'ordinador a base d'un conjunt d'instruccions pròximes, tant en la sintaxi com en la lògica dels seus processos, a la manera de pensar d'una persona, però amb una formalització molt estricta.
Naturalment és molt més fàcil programar en un d'aquests entorns que en màquina o assemblador. L'únic inconvenient és que de vegades els programes són més lents, sobre tot els interpretats, que tradueixen mentre s’executen, o que potser no optimitzen al màxim els recursos de procés de l’ordinador.
Una història de la computació (2ª part) PRIMERA GENERACIÓ (ORDINADORS A LA UNIVERSITAT) Un any més tard, el 1944 comença a funcionar el MARK 1, la primera màquina calculadora electromecànica, és a dir amb parts mòbils accionades elèctricament. Tot i què es va presentar com el somni de Babbage fet realitat, li mancava la capacitat, ja prevista per aquest, de prendre decisions.
Tot seguit comencen a aparèixer ja molts ordinadors amb la capacitat d’emmagatzemar programes. Entre aquests està l’EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Computer), desenvolupat en 1949, a la Universitat de Cambridge.
ALTRES GENERACIONS L’invent, en 1958 per Jack Kilby, del primer circuit integrat va permetre combinar en petites plaques de silici circuits sencers amb tots els seus elements (transistors, resistències, condensadors, etc.). Això originà, a partir de 1964 la tercera generació d’ordinadors, anomenats per primer cop miniordinadors, de la qual la sèrie més venuda va ser la 360 de IBM.
Aquesta època veié una gran millora en els llenguatges de programació i l'aparició dels primers programes comercials o "aplicacions". A principis dels 70 la tècnica d’integració a gran escala (LSI) va permetre integrar milers de components en un petit circuit o xip. En 1971 l’empresa INTEL va inventar el primer microprocessador: en un sol xip s’hi encabien totes les funcions de la CPU (unitat central de procés) d’un ordinador. Era el pas necessari per construir ordinadors de sobretaula i per tant amb aplicacions per petites indústries o comerços o fins i tot domèstiques. Es considera aquest el principi de la quarta generació d’ordinadors.
Des d’aquell moment la integració ha avançat espectacularment: avui dia es poden encabir milions de components electrònics en un sol xip. Per això, tot i que estem encara a l’època del microprocessador, s'acostuma a distingir una cinquena generació d'ordinadors a partir del moment, a principis dels anys 1980, en què les tècniques d'integració a gran escala, VLSI (Very Large Scale Integration), van permetre col∙locar desenes de milers d'elements en un sol xip. L'arribada de l'ordinador personal, que es va produir al voltant dels mateixos anys i els grans canvis que va portar a nivell social i de comunicació entre la persona i la màquina, reforça aquesta divisió.
L'ordinador personal i algunes fites vers l'ordinador com a mitjà Els primers ordinadors personals operatius van ser l’ Scelbi i el Mark‐8, introduïts el 1974 i el Altair 8800 del 1975, però el primer amb gran èxit va ser el Apple II de 1976.
Més tard vingueren el primer IBM PC (Personal Computer) el 1981 i el primer Apple Macintosh el 1984.
Altres conceptes o ginys han sorgit o s’han popularitzat durant aquesta època d’imparable expansió del digital. Esmentarem la data d’aparició d’alguns: el ratolí fou inventat el 1964, Ethernet, la primera xarxa local en 1973, Visicalc, el primer full de càlcul el 1978, el MS‐DOS, sistema operatiu dels ordinadors PC en 1981, la primera versió de l’entorn Windows en 1985, etc.
En aquest sentit és molt important i potser no reconegut massivament, l'invent per part d'Ivan Sutherland el 1962 del seu Sketchpad, el primer llapis òptic, que permetia dibuixar i assenyalar directament sobre la pantalla, cosa que introduïa una manera nova i revolucionària de relacionar‐se la persona amb la màquina. Tots aquests avenços van permetre el desenvolupament de les interfícies de manipulació directa: apuntant a representacions visuals d'objectes i accions l'usuari pot fer tasques de forma ràpida i observar els resultats de forma immediata. Apuntant a representacions visuals d'objectes i accions l'usuari pot fer tasques de forma ràpida i observar els resultats de forma immediata.
Representació visual del mon de l'acció.
Es mostren objectes i accions.
Es facilita el raonament per analogia.
Accions ràpides, incrementals i reversibles.
El teclejar es substitueix (o complementa) per apuntar i seleccionar.
Els resultats de les accions són visibles de forma immediata.
Naturalment, per a l'entrada requereix l'ús de dispositius apuntadors com ara el ratolí i per a la sortida de pantalles gràfiques (més en general, dispositius multimèdia de sortida), usualment formades per elements (píxels) que poden ser direccionats individualment.
Alex Kay, Xerox Alto (1973).
El prototipus de Dynabook (“personal dynamic medium”) que Kay i el seu equip del Xerox PARC a Palo Alto van desenvolupar va ser el Xerox Alto.
Mai va ser comercialitzat. Tenia un ratolí, una Interfície Gràfica d’usuari (GUI), programació orientada a objectes i connexió a xarxa amb targetes ethernet.
Dispositius d’entrada Els dispositius d’entrada són els què serveixen per introduir dades i instruccions a l’ordinador. Els canvis en aquest àmbit des dels inicis han estat espectaculars. Es va passar de connectar circuits directament a codificar les dades en targetes o cintes perforades i a introduir‐les per teclat. Paral∙lelament, la millora en les presentacions gràfiques va comportar el disseny de dispositius apuntadors com el llapis òptic, que permet assenyalar a un punt concret de la pantalla, l’universalment estès ratolí i les seves variants, els “trackball”, els “joystick” emprats molt en jocs, etc.
Darrerament s'ha generalitzat l'ús de les pantalles tàctils, un ventall de tecnologies amb més de 20 anys d'història que s'han anat simplificant extraordinàriament.
Dispositius apuntadors Ratolí Joystick, “Trackball”, Llapis òptic Tarjeta digitalitzadora Dispositius específics per consoles de jocs: Wii (Nintendo), Kinect (Microsoft) etc.
Pantalles tàctils (iPad, smartphones, etc.) Digitalitzadors específics Circuits digitalitzadors de video Circuits digitalitzadors d’àudio Scanner Càmeres digitals basades en CCD Fotografia i video Dispositius de sortida Els dispositius de sortida presenten els resultats dels processos efectuats per l’ordinador. Els dispositius de sortida en suport físic (paper, transparències, diapositives, cinema, etc.) han anat evolucionant i avui dia hi ha impressores i “plotters” en colors de qualitat excepcional i de diverses tecnologies.
Impressores Plotters Pantalles tipus “raster” Tubs de raigscatòdics(CRT) LCD / TFT Plasma Altaveus Altres dispositius sensorials La imatge a l'ordinador Com tota la informació que pot manipular un ordinador, haurà de ser convertida a forma digital i guardada per a la seva visualització en una zona de la memòria volàtil, la RAM, o en un dispositiu permanent.
Per a poder controlar la imatge de l'ordinador, imaginarem la pantalla dividida en files i columnes. Cada intersecció d'aquestes s'anomena píxel (contracció de la locució anglesa picture element).
Per exemple, pel cas d’una imatge en blanc i negre estricte n’hi ha prou amb reservar un bit per cada píxel. si en el bit hi ha un 0 s’activarà el feix d’electrons i es veurà un punt blanc a la pantalla; si el bit conté un 1 el feix d’electrons s’apagarà i es veurà un punt negre.
A nosaltres ens interessa considerar‐la així, en correspondència amb la disposició de la pantalla, formant el què s'anomena plans de bits. En aquest primer cas d’imatge en blanc i negre estricte n’hi haurà prou amb un sol pla de bits.
La quantitat de memòria necessària per emmagatzemar una imatge és força gran.
Naturalment, per aconseguir imatges més realistes necessitarem la capacitat de produir colors, o com a mínim diversos nivells de gris entre el blanc i el negre estrictes.
Això s'aconseguirà enviant diversos nivells de potencial del senyal que modula el feix d'electrons del tub per canviar la velocitat dels electrons i per tant la intensitat de la llum del fòsfor.
Per aconseguir això haurem d’augmentar el nombre de bits dedicats a cada píxel de la pantalla. Cada bit que s'afegeix duplica el nombre de nivells disponibles. Amb tres plans de bits podem representar a la pantalla imatges fins a 8 nivells de gris. Com abans, és convenient pensar que la memòria està distribuïda en plans de bits, de manera que a cada píxel li pertoca un bit de cada un dels tres plans.
A la figura es representa esquemàticament el procés de lectura ordenada de la memòria de vídeo (sincronitzada amb l’exploració de trama) i la conversió, en el circuit CDA (Conversor Digital Analògic) dels 8 valors discrets possibles en 8 nivells diferenciats de voltatge. Aquests produiran 8 nivells de gris diferents des del negre, assignat a la figura a la combinació 111, fins al blanc, assignat a la 000, passant pels 6 intermedis com ara el 100 que s’ha escollit com a exemple.
En general doncs, el nombre de nivells representables depèn únicament del nombre de bits que assignem a cada píxel de la pantalla. Amb n bits per píxel el nombre de nivells de gris serà 2n.
Per controlar un dispositiu de visualització en colors, com ara un tub convencional, caldrà controlar la quantitat de cada color fonamental a cada punt de la pantalla. Per tant l’ordinador, mitjançant un procediment idèntic al fet pels nivells de gris, enviarà un voltatge independent per a cada un dels tres canons d’electrons. Canviant les intensitats dels tres tubs es poden aconseguir molts colors diferents.
Generació i tractament d'imatges Quant a les maneres d’introduir aquesta informació visual a l’ordinador, hi ha dos procediments conceptualment molt diferents, però que poden donar resultats equiparables, la creació o generació de gràfics i la digitalització d'imatges.
En les tècniques de creació de gràfics la imatge s’introdueix directament en l’ordinador. El més habitual és fer‐lo dibuixant amb una tauleta digitalitzadora, Un cas particular d'aquesta mena de programes són els de modelatge en 3D (com ara el 3D Studio) que permeten construir un objecte tridimensional a partir de les seves tres projeccions sobre els tres plans de coordenades.
Les imatges creades d'aquesta manera són imatges sintètiques digitals. En determinats contextos s'anomenen senzillament gràfics d'ordinador.
Les tècniques de digitalització d’imatges converteixen una imatge analògica (videogràfica, fotogràfica o de paper) en un arxiu informàtic, és a dir en un fragment d'informació binària treballable per un ordinador i que per tant es podrà col∙locar com una part de la seva memòria RAM o guardar‐se en qualsevol perifèric (disc dur, cinta de vídeo, DVD, etc.). Naturalment, totes les imatges de la realitat enregistrades directament amb càmeres o dispositius digitals entren en aquesta categoria. A aquestes se les anomena habitualment imatges d'ordinador.
I és que, un cop convertida en un arxiu no hi ha cap diferència entre un gràfic i una imatge: es tracta d'una memòria de vídeo (un frame buffer) i amb l'ordinador es podrà tractar i retocar exactament igual independentment de l'aspecte que pugui tenir per nosaltres. El tractament de la imatge és doncs independent del seu origen i sovint es barregen en un sol resultat parts provinents de la realitat amb parts construïdes directament. Un exemple obvi són els efectes especials cinematogràfics generats per ordinador: l'objecte es construeix amb un programa en 3D però després es retoca, se li afegeixen textures i s'integra amb la resta de la imatge cinematogràfica amb tot un seguit de programes de retoc i similar Imatges vectorials i imatges de mapes de bits o “bitmaps”.
Els programes de retoc d'imatges construeixen les imatges directament com mapes de bits o “bitmaps”. Les imatges codificades d'aquesta manera s'anomenen imatges de mapes de bits o bitmaps.
Ara bé, la majoria de programes generadors d'imatges, com ara Illustrator, construeixen les imatges a base d’un conjunt molt gran d’instruccions gràfiques relativament senzilles.
Les imatges fetes d’aquesta manera s’anomenen imatges vectorials.
El principal avantatge de les imatges vectorials és que l'arxiu que les representa té una mida molt petita: en tractar‐se fonamentalment d’un conjunt d’instruccions això gairebé no ocupa memòria. Ara bé, l’ordinador haurà de executar totes aquestes instruccions cada cop que es vulgui visualitzar la imatge, cosa que pot ser un problema en ordinadors lents.
Una altra avantatge de les imatges vectorials: encara que les fem molt grans, com els contorns es redibuixen cada vegada, la seva resolució només vindrà limitada pel dispositiu de visualització unit a l’ordinador. Els mapes de bits, en canvi, inclouen la resolució com a part de la informació i si els engrandim apareixerà el típic efecte de dents de serra o pixelació.
Les imatges vectorials tenen dificultats per representar escenes de caire fotogràfic o realista.
La infinita varietat, píxel a píxel, d’aquestes, només la pot restituir un mapa de bits. Les vectorials són la tria adient quan es volen fer diagrames geomètrics o mínimament regulars o quan es vol fer un dibuix amb “tintes planes” és a dir amb zones extenses del mateix color. Només adient per imatges gràfiques. Per imatges fotogràfiques són indispensables els bitmaps.
La digitalització de la imatge i del so Digitalització: passos Fa molts anys que existeixen conversors analògic/digital, aparells que transformen un senyal analògic en un de digital, però no fa gaire que això es pot fer a les freqüències tan altes que demana la informació audiovisual. Aquest procés es fa en tres fases separades, mostreig, quantificació i codificació.
A la fase de mostreig el senyal és sostret a intervals regulars i prou pròxims per a que la successió de mostres descrigui correctament la forma del senyal original. És a dir, de tots els valors continus del senyal ens quedem només amb els valors puntuals en aquests moments concrets i regulars.
Compressió de la informació digital: el cas de la imatge Per reduir la quantitat d’informació a processar es fan servir tècniques amb dues finalitats principals. Primer, convertir‐la en altres formes equivalents però que ocupin menys memòria i segon no transmetre de nou una informació que es pot reconstruir a partir d’una altra que ja ha estat transmesa amb anterioritat. Per tant una de les operacions bàsiques dels algorismes de compressió és la cerca de redundàncies.
Es produeix redundància quan una mateixa informació es transmesa més d’un cop. Per exemple, hi ha redundància entre píxels quan diversos píxels adjacents són iguals i es produeix redundància entre línies quan diverses línies adjacents són iguals: són exemples de redundància espacial. Hi ha redundància temporal entre fotogrames quan dues imatges consecutives contenen zones iguals. També es parla de redundància estadística, un concepte purament matemàtic basat en la possibilitat d’organitzar les dades de forma que les més freqüents i per tant més nombroses facin servir el mínim de quantitat d’informació per codificar‐les.
Hi ha redundància entre píxels quan diversos píxels adjacents són iguals.
Hi ha redundància entre línies quan diverses línies adjacents són iguals.
Hi ha redundància entre frames quan dos frames consecutius contenen zones iguals.
Compressió amb pèrdua i sense pèrdua Hi ha dos tipus de compressió conceptualment diferents. Per una banda la compressió sense pèrdua, que no és més que una manera diferent i més econòmica de codificar la mateixa informació. Es codifica la mateixa informació de forma diferent i més econòmica.
Hi ha un límit insuperable per a cada imatge. És l'única que es pot fer servir en aplicacions de tipus científic, médic, etc. en les quals és imprescindible el màxim rigor en la transmissió d’informació. Per altres aplicacions és sempre una opció.
Per altra, la compressió amb pèrdua basada en el principi que no cal mostrar més informació que la que l’usuari pot apreciar. Naturalment, escollir entre una u altra tècnica de compressió amb pèrdua és, en qualsevol cas, una decisió subjectiva i en aquest sentit es parla de redundància subjectiva.
Compressió: tècniques i algoritmes Una tècnica és un mètode, una aproximació concreta al problema de la compressió. En un determinat algorisme es poden incorporar diverses tècniques, de tipus diferents.
Les técniques poden fer‐se adaptatives, que canviin en funció del contingut.
Com veurem de seguida, hi ha tècniques pròpies de la compressió d’imatges fixes, mentre que per a la compressió d’imatges en moviment s’empren en primer lloc tècniques d’imatges fixes seguides de tècniques específiques per a la detecció de redundàncies entre fotogrames.
Compressió d'imatges fixes (formats GIF, PNG, JPEG) La compressió d’imatges fixes, també anomenada compressió intraframe per afectar el contingut d’un sol fotograma, pot fer servir tècniques de diversos tipus.
Técniques simples: Retall d’informació Indexat de colors (paleta de colors) [GIF Run‐Length (RL) LZW [GIF, PNG Técniques predictives: DPCM / ADPCM [JPG, JPE...
Técniques interpolatives: Submostreig de color [JPG, JPE...
Técniques de transformada: Transformada discreta del cosinus (DCT) [JPG, JPE...
Técniques de codificació estadística: Codificació de Huffman. [JPG, JPE...
GIF: Recomenable per imatges de colors plans i poc nombrosos.
PNG: Recomenable per imatges de colors plans. Alternativa al GIF, sense propietari.
JPG, JPE...: Recomenable per imatges de qualitat fotogràfica. És un estàndard.
Les tècniques interpolatives consisteixen en la transmissió d’un subconjunt del total de píxels de la imatge i la posterior restitució dels píxels suprimits mitjançant determinats algorismes d’interpolació. Una molt emprada és el submostreig de color (color subsampling) consistent en aplicar tècniques interpolatives a les components de crominància de la imatge mantenint íntegra la luminància.
Compressió d'imatges en moviment Es tracta d'aprofitar la informació que no canvia gairebé entre dos fotogrames consecutius.
Técniques de “comparació de blocs”.
...