Закрыть ☒

Что за "цифра" живёт в цифровой технике?

Часто можно услышать выражения "цифровая камера", "цифровое телевидение" и т. п. О какой же цифре там идёт речь? Какие преимущества дают цифровые технологии, а также какие вызовы и проблемы они создают?

Оптическое волокно - те же провода, но передающие цифровые сигналы (С) DepositPhotos. Для сайта "Архитектура Вселенной"

Дорогие друзья! Приветствую в разделе "Архитектура Вселенной", на страницах которого будем говорить о современных технологиях, их влиянии на нашу жизнь. В первую очередь речь пойдёт о компьютерных и информационных технологиях, но поскольку они проникли уже много куда, то будем касаться и других, смежных тем.

Цифровые технологии: о каких цифрах идёт речь?

В нашей речи очень часто можно слышать эпитет "цифровой": "цифровое телевидение", "цифровая камера", "цифровая книга", "цифровая валюта", а ещё производные: "цифровизация", "перевести всё в цифру", "оцифровать". Очевидно, что говорится о каких-то цифрах, но каких?

Так вот, когда вы слышите что-либо про "цифру", то речь идёт действительно о цифрах самых что ни на есть... Говорят о двоичных цифрах - о нуле и единице. Да-да, тех самых, с которыми работают компьютеры - двоичная система счисления, про которую в наши дни слышали многие.

Почему двоичная система счисления? Здесь самый простой и короткий ответ будет звучать примерно так: потому что компьютеры (процессоры) работают с сигналами; потому что самый простой способ работы с логикой - в парадигмах "есть сигнал / нет сигнала" (1 или 0, соответственно). Это самый простой, самый дешёвый, самый надёжный способ хранения, переработки, передачи информации. Правда, чтобы работать с информацией, которая по большей части изначально не цифровая, нужно провести над ней операции по преобразованию в цифровой формат. Это называется оцифровкой.

Виды сигналов: аналоговый и цифровой

Сигналы, в той же электронике, могут быть двух видов: аналоговые и цифровые. Например, вспомним проводные телефоны. Раньше, хотя молодое поколение такое уже вряд ли вспомнит, поднимаешь трубку, набираешь кому, вечно слышишь шипения, хрипы и т. д. Если звонок проходил через древнюю АТС (у нас в Москве таких много было в центре города), то как только не искажался голос, каких только посторонних шумов не услышишь! Бывало, что можно было слышать переговоры с других линий. Вот это вот - аналоговая передача голоса. Голос проходит через микрофон. Звук в виде колебаний механических преобразовывался в колебания электрические. Эти колебания, скажем так, и передавались по проводам. Точнее через систему проводов. И через различные устройства... Потом в телефонном аппарате другого абонента он преобразовывался обратно в звук. Отсюда столько искажений...

Бабули пользовались аналоговыми телефонами. Да, там используется электричество и электроника, но аналоговая! (C) DepositPhotos. Для сайта "Архитектура Вселенной"

Когда мобильные телефоны только-только входили в жизнь, многие с непривычки очень сильно удивлялись такому звонку: настолько был ясный и громкий голос абонента, пользующегося мобильным телефоном. А звонки с мобильного на мобильный поражали ясностью и чёткостью. Всё потому, что передача с мобильного на мобильный - это чистая передача цифры, с минимумом преобразований. Даже с мобильного на аналоговый телефон - и то, сигнал передавался лучшего качества.

Возьмём другой понятный всем и наглядный пример: сравним цифровую камеру со старыми, винтажными, аналоговыми "мыльницами". Фотоаппараты старого типа работают непосредственно со светом. Свет проходит через систему линз, зеркал (не буду здесь заостряться на тонкостях), попадает в итоге на светочувствительную плёнку, в которой при помощи химии, химических процессов и реакций, происходит закрепление изображение. Обычно оно имеет инвертированные цвета (чёрный цвет становится белым, белый - чёрным; ну и так далее со всеми остальными цветами), но которое можно преобразовать обратно при проявке. Сама проявка - это тоже химический, а значит, аналоговый процесс.

Цифровая фотокамера даёт много преимуществ, благодаря природе получаемых изображений (они уже сразу являются компьютерными файлами) (C) DepositPhotos

Как же происходит фотографирование в цифровой камере? Свет также проходит через систему линз и зеркал, но в итоге попадает не на химическую плёнку, а на светочувствительную электронную матрицу. Грубо говоря, на ней каждой точечке, каждому пикселю, соответствует какой-то "кусок" (с определённым адресом, кстати говоря) матрицы. В итоге получается не химическая "картинка" на выходе, а компьютерный файл с изображением. Если очень упрощённо, то на выходе будет файл, содержащий в себе матрицу, двухмерный массив, табличку (если угодно), где каждой точке изображения соответствует запись, указывающая цвет, а также её яркость (+ дополнительные свойства).

Несколько слов о том, как происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой

Взгляните на изображение ниже:

Первое изображение - аналоговый сигнал. Второе изображение - преобразованный цифровой сигнал. Чем больше жёлтых прямоугольничков (чем меньше их ширина) - тем лучше качество оцифровки. Третье изображение - обратное преобразование цифры в аналог. Не напоминает интегрирование из высшей математики? (C) Публичное изображение

Аналоговый сигнал является бесконечным. Понятно, что у него всё же "конец" есть (например, когда мы прекращаем создавать звуковые волны), но сама природа его бесконечная. Компьютеры, математика (дискретная математика в частности) работают с конечными рядами, с конкретными показателями, данными. Поэтому, происходит процесс дискретизации (не путайте с дискредитацией!!!) - то есть извлечения конкретных данных из "бесконечного сигнала". Это как раз те самые жёлтые прямоугольники, которые можно наблюдать на втором рисунке. Кстати, наблюдательный читатель, знакомый с высшей математикой, может заметить, что это очень напоминает процессы интегрирования - и не ошибётся. Эти методы отчасти используются при преобразовании аналогового сигнала в цифровой (и обратно).

Так вот, чем уже ширина и чем больше количество этих прямоугольников (говорят, "чем выше частота дискретизации") - тем качественнее будет цифровой слепок аналогового сигнала.

Преимущества цифровых данных

Хорошо ли, когда заменяем "аналог" на "цифру"? На самом деле, очень зависит от ситуации. Прежде всего, давайте разберёмся в том, какие возможности дают цифровые технологии. Вот неисчерпывающий перечень:

  1. Цифровые данные легко хранить и передавать, создавать копии
  2. К оцифрованным данным можно применять, опять же, те или иные эффекты делать преобразования - если это позволяют делать математика, алгоритмы. Например, сюда относятся сжатие цифровых данных, шифрование, инвертирование/изменение цветов (у изображений), применение алгоритмов искусственного интеллекта - тысячи возможностей!
  3. Считается, что цифра качественнее аналога, хотя это спорное утверждение

Прелести тёплого лампового детства

На последнем моменте, что цифра качественнее аналога, хотелось бы подробнее остановиться. Цифровые данные, как я уже говорил, чаще всего непосредственно мы не получаем. Если только это не полностью цифровой продукт (изображение, полностью нарисованное на компьютере, либо музыка, опять же написанная на компьютере, либо какой-то цифровой товар, программа). Приходится делать преобразования аналогового сигнала в цифровую форму на каком-то этапе процесса. Насколько качественно преобразование пройдёт - настолько хороши будут и полученные цифровые данные. Бывает, что оцифровка низкого качества, так как нет ещё хорошего способа оцифровать аналоговый процесс. Допустим, лет 15 назад 5-7 мегапикселей у камеры было пределом. Если сравнивать очень хорошую и качественную аналоговую фотокамеру с тогдашней цифровой, то аналоговая камера выигрывала. Или вот обратный пример. Наверняка доводится смотреть старые оцифрованные фильмы в интернете. Чаще всего, они довольно низкого качества - настолько, что на экране компьютера выглядят неприятно. Но ведь когда смотрели их на старых телевизорах, то вроде всё было смотрибельно - как же так? В том и дело, что оцифровка не всегда идёт на пользу, не всегда может быть качественной. Иногда качество теряется из-за самих преобразований, особенно туда-сюда. Вот почему сейчас в моде виниловые пластинки и проигрыватели с "тёплым ламповым звуком" - аналоговый сигнал органичнее и приятнее для, опять же, аналогового уха ))

Тёплый ламповый звук из далёкого лампового детства... Это удовольствие доступно и сейчас - к слову, стоит недёшево (C) DepositPhotos

Цифра - слово-жупел

Раньше, в 90-е годы, если хотелось продать телевизор, то достаточно было обозвать его цифровым )). Что толку, что все прелести цифровых сигналов можно оценить было только пользуясь цифровым телевидением? Зато звучало модно. Сейчас в моде выражение "цифровая трансформация" или, более того, "цифровая революция". С ними похожая история - но это тема для будущей статьи, которая скоро выйдет.

Термины и выражения - это всё хорошо, но если понимаешь, что за ними стоит. Чаще всего, разбираясь с этим, приходишь к выводам, что ничего революционного за такими словами не стоит, что всё новое - это хорошо забытое старое!

Еще по теме здесь: История.

Источник: Что за "цифра" живёт в цифровой технике?.