Выражения вроде «цифровая камера» или «цифровое телевидение» прочно вошли в наш лексикон. Но что на самом деле скрывается за этой самой «цифрой»? В этой статье мы разберёмся, какие принципы лежат в основе цифровых технологий, какие преимущества они дают и с какими сложностями сталкивается процесс перевода информации в цифровую форму.
Оптическое волокно — пример среды для передачи цифровых сигналов. (С) DepositPhotos. Для сайта «Архитектура Вселенной»
Добро пожаловать в раздел «Архитектура Вселенной»! Здесь мы обсуждаем современные технологии и их влияние на нашу жизнь. Основное внимание уделяется компьютерным и информационным технологиям, но, учитывая их повсеместное проникновение, мы также затрагиваем смежные темы.
Суть «цифры»: от абстракции к конкретике
Эпитет «цифровой» окружает нас повсюду: цифровое ТВ, камера, книга, валюта. Производные термины — «цифровизация», «оцифровать» — также стали частью повседневной речи. Но какие конкретно цифры имеются в виду? Ответ прост: речь идёт о двоичных цифрах — нулях и единицах. Именно с ними работают все современные компьютеры, используя двоичную систему счисления.
Почему была выбрана именно эта система? Всё дело в фундаментальном принципе работы процессоров, которые оперируют электрическими сигналами. Самый надёжный и экономичный способ обработки информации — это работа в парадигме «есть сигнал / нет сигнала», что соответствует единице и нулю. Однако большая часть информации изначально существует не в цифровой форме (например, звук или изображение). Процесс её преобразования в последовательность нулей и единиц и называется оцифровкой.
Два мира сигналов: аналоговый против цифрового
В электронике исторически сосуществуют два типа сигналов. Яркий пример аналоговой передачи — старые проводные телефоны. Голос преобразовывался микрофоном в непрерывные электрические колебания, которые передавались по проводам. На пути сигнал искажался, появлялись шумы, хрипы, иногда можно было даже услышать чужие разговоры из-за наводок. Это происходило потому, что аналоговый сигнал очень чувствителен к помехам.
Аналоговые телефоны — классика прошлой эпохи. (C) DepositPhotos. Для сайта «Архитектура Вселенной»
С появлением мобильной связи многие были поражены чистотой звука. Звонок с мобильного на мобильный был невероятно чёток. Причина — цифровая передача данных. Даже при звонке на стационарный аппарат качество было выше, так как большая часть пути сигнала проходила в «цифре», защищённой от помех.
Не менее показательно сравнение фотографии. В аналоговых «мыльницах» свет через объектив попадал на химическую плёнку, где изображение фиксировалось в результате фотохимических реакций. Это полностью аналоговый, непрерывный процесс.
Цифровая камера открывает новые возможности благодаря тому, что изображение сразу становится компьютерным файлом. (C) DepositPhotos
В цифровой камере свет фокусируется на электронной матрице. Каждый её элемент (пиксель) преобразует интенсивность света в электрический сигнал, который затем кодируется в цифровой вид. На выходе получается не физический снимок, а файл — по сути, таблица данных, где для каждой точки записаны её цвет, яркость и другие параметры.
Как аналог становится цифрой: процесс оцифровки
Ключевой процесс преобразования — дискретизация. Аналоговый сигнал непрерывен и, в теории, бесконечен. Компьютеры же работают с дискретными (отдельными) данными.
На иллюстрации: 1) исходный аналоговый сигнал, 2) его цифровое представление (чем больше прямоугольников — тем выше качество), 3) обратное преобразование цифры в аналог. (C) Публичное изображение
Дискретизация — это «нарезка» непрерывного сигнала на отдельные фрагменты (те самые прямоугольники на графике) и измерение их значений. Чем чаще берутся эти «срезы» (чем выше частота дискретизации) и чем точнее измеряется их амплитуда (разрядность), тем качественнее и детальнее будет цифровая копия исходного сигнала. Этот процесс имеет математические параллели с интегрированием.
Сильные стороны цифрового формата
Переход на «цифру» не всегда однозначен, но он открывает огромные возможности:
- Лёгкость обработки и тиражирования. Цифровые данные можно бесконечно копировать без потери качества, мгновенно передавать на расстояния и компактно хранить.
- Гибкость и программируемость. С цифровой информацией можно делать практически что угодно: сжимать, шифровать, редактировать, анализировать с помощью алгоритмов и искусственного интеллекта. Это открывает тысячи применений, недоступных для аналоговых носителей.
- Устойчивость к помехам. При передаче цифрового сигнала важно лишь распознать, был передан ноль или единица. Помехи, не меняющие кардинально уровень сигнала, могут быть отфильтрованы, что обеспечивает высокую точность передачи.
Ностальгия по аналогу: где «цифра» проигрывает?
Утверждение, что «цифра всегда лучше аналога», — миф. Качество цифровых данных напрямую зависит от того, насколько хорошо прошла оцифровка. Если технология преобразования несовершенна, потери неизбежны. Например, 15-20 лет назад профессиональная плёночная камера могла давать более детализированное и «глубокое» изображение, чем цифровая с её 5-7 мегапикселями.
Тот же принцип работает с оцифрованными старыми фильмами. На современных экранах их качество часто кажется низким, хотя на старых кинескопах смотрелось нормально. Проблема — в потере деталей при переводе в цифру и несовершенстве алгоритмов. Именно поэтому сегодня возвращается мода на виниловые пластинки и «тёплый ламповый звук» — многие ценители находят аналоговое звучание более естественным, живым и органичным для человеческого восприятия.
Винтажный проигрыватель — источник того самого «тёплого лампового звука», который высоко ценится аудиофилами. (C) DepositPhotos
«Цифра» как маркетинговый ход
В 90-е годы приставка «цифровой» была мощным маркетинговым инструментом. Её клеили на телевизоры, которые по сути могли лишь показывать аналоговый сигнал, но слово звучало прогрессивно. Сегодня ту же роль играют термины «цифровая трансформация» или «цифровая революция». За ними часто скрываются хорошо известные процессы автоматизации и информатизации, поданные под новым соусом.
Понимание сути терминов защищает от манипуляций. Часто, разобравшись, приходишь к выводу, что «новое» — это хорошо забытое старое, лишь одетое в современную технологическую оболочку.
Еще по теме здесь: История.
Источник: Что за "цифра" живёт в цифровой технике?.