11.1. Информация и данные

Из курса физики вам известно, что физические объекты в нашем мире находятся в состоянии непрерывного движения и взаимодействия, которое сопровождается появлением сигна­лов. Взаимодействие сигналов с фи­зическими телами может изменять свойства тел. Изменения, которые можно измерять или регистрировать, образуют данные.

Данные — зареги­стрированные сигналы.

Данные несут в себе информацию о событиях, произошедших в матери­альном мире, поскольку они отражают зарегистрированные сигналы, возник­шие в результате этих событий. Однако данные не тождественны информации (примеры 11.1—11.3). Для человека ин­формация — содержание получаемых им сообщений. При получении инфор­мации уменьшается неопределенность знания. Знания определяют поведение человека, позволяют ему принимать решения, строить отношения с други­ми людьми.

Любая информация нематериаль­на, она не имеет формы, размеров, массы. Следовательно, для существо­вания и распространения в нашем материальном мире она должна быть обязательно связана с каким-либо ма­териальным объектом — носителем информации.

Материальным носителем информа­ции может быть бумага, металл, пласт­масса, воздух, электромагнитное поле и др. Сигналы также являются мате­риальными носителями информации.

Хранение информации связано с фик­сацией состояния носителя, а распро­странение — с процессом, который протекает в носителе (пример 11.4).

Информация не существует сама по себе. Всегда имеется источник, кото­рый передает информацию, и прием­ник, который ее воспринимает. В ро­ли источника или приемника может быть любой объект материального мира: человек, устройство, животное, растение. То есть информация всегда предназначена конкретному объекту.

Информация становится данными тогда, когда находится способ зафик­сировать информацию на материаль­ном носителе с помощью какого-либо формального языка.

Данные превращаются в информа­цию только тогда, когда ими заинте­ресуется человек. Человек извлекает информацию из данных, оценивает, анализирует ее.

Действия, выполняемые с инфор­мацией, называют информационны­ми процессами. К ним относят про­цессы получения, создания, сбора, поиска, обработки, накопления, хра­нения, распространения и использо­вания информации.

В информатике понятие «информа­ция» часто отождествляется с понятием «данные», поскольку основным инстру­ментом для изучения и осуществления информационных процессов являются компьютерные технологии. В качестве формального языка для представления данных в информатике является дво­ичный код. С помощью двоичного ко­да сегодня можно представлять числа, тексты, изображения, звук, видео.

11.2. Аналоговое и цифровое представление данных

Сигналы несут в себе информа­цию, представленную в виде данных. Получая значения сигнала, человек получает данные, из которых путем обработки извлекается информация. Большинство сигналов представляют собой физические величины, изменя­ющиеся во времени (пример 11.5).

Сигнал может быть представлен в аналоговой (непрерывной) или [tooltip tip=”Дискретность (от лат. discretus — разделённый, прерывистый) — свойство, противопоставляемое непрерывности, прерывистость.”]дискретной[/tooltip] форме.

Аналоговый сигнал описывается функцией времени и непрерывным множеством возможных значений.

Дискретный сигнал является преры­вистым (примеры 11.6 и 11.7).

Благодаря своим органам чувств человек привык иметь дело с анало­говой информацией. Наши зрение и слух, а также все остальные органы чувств воспринимают поступающую информацию в аналоговой форме, т. е. непрерывно во времени.

В компьютере информация пред­ставлена в цифровом виде. Цифровой сигнал — сигнал, который можно представить в виде последовательно­сти числовых значений, записанных с помощью цифр. В настоящее время наиболее распространены двоичные цифровые сигналы. Это связано с их использованием в компьютерных устройствах и простотой кодирования.

Для получения цифрового пред­ставления какого-либо объекта его подвергают дискретизации: получают набор числовых значений, которые можно сохранить на электронном носителе. Эти данные являются цифровой моделью объекта.

Процесс перевода аналогового представления объекта в цифровое называют оцифровкой (или аналого­цифровым преобразованием, АЦП).

Оцифровка данных производится на специальном оборудовании, позволяю­щем преобразовать аналоговый сигнал в цифровой. Такое устройство называют аналого-цифровым преобразователем.

В дальнейшем оцифрованные дан­ные могут использоваться для обра­ботки на компьютере, передачи по компьютерным сетям. Оцифровать можно текст, фотографии, рисунки, звук, видео, кино- и фотопленки.

При сканировании изображения с физических объектов (текст, фотогра­фии, рисунки) дискретизация харак­теризуется разрешением (количеством пикселей на единицу длины по каждо­му из измерений) и глубиной цвета.

Для оцифровки текста или гра­фических изображений применяют­ся различные сканеры (пример 11.8). Сегодня существуют 3D-сканеры — устройства, которые анализируют форму предмета и создают на основе полученных данных его 3D-модель. Сканеры кинопленки позволяют пре­образовать изображения на кино­пленке в цифровые видеофайлы.

Про­граммное обеспечение для работы со сканерами дает возможность настраи­вать параметры сканирования.

При выводе цифрового изображе­ния на принтер или 3D-принтер происходит обратное преобразование — из цифровой формы в аналоговую. В результате мы получаем аналоговое представление объекта: рисунок на бумаге или материальный объект.

При оцифровке сигнала, привязан­ного ко времени (звук, видео), основ­ными параметрами являются частота дискретизации (частота измерения) и разрядность количества бит, выделяе­мых для записи результатов измерения.

Звук в компьютер можно ввести с ми­крофона или с любого аудиоустройства, подключенного к компьютеру. Ана­лого-цифровой преобразователь встро­ен в звуковую карту. Оцифровка про­изводится специальным программным обеспечением (например, Audacity).

При выводе звука происходит обратное пре­образование сигнала из цифрового в аналоговый (пример 11.9). Для это­го на звуковой карте имеется цифро­аналоговый преобразователь.

Пример 11.1. Открыв книгу с тек­стом на иностранном языке, человек получит данные, но не получит инфор­мацию, поскольку ему не известен спо­соб преобразования данных, записан­ных с помощью неизвестных символов в известные ему понятия.

Пример 11.2. У вас есть файл с дан­ными, но вы не знаете, в какой про­грамме он был создан. В этом случае вы имеете данные, но не сможете извлечь информацию до тех пор, пока не уста­новите соответствующую программу.

Пример 11.3. За тысячелетия эво­люции запах не поддавался известным способам фиксации и передачи инфор­мации. Понять или представить не­знакомый запах очень трудно. Однако человек получает информацию, почув­ствовав запах. Работы по получению данных о запахе ведутся, но о конеч­ном результате пока говорить рано. На сегодняшний день запах — информа­ция, но не данные.

В 2013 г. ученые из Токийского аграрно-технического университета изобрели «пахнущий экран». Запах исходит из области на экране, соот­ветствующей источнику аромата. На­пример, когда появляется изображение персика, соответствующий угол экрана пахнет фруктом.

На данный момент система едино­временно может производить только один запах.

«Пахнущий экран»

Пример 11.4. Характеристикой но­сителя, не изменяющейся с течением времени, может быть, например, на­магниченность области поверхности диска или буква на бумаге. Характе­ристика носителя, которая изменяется с течением времени, — это, например, амплитуда колебаний звуковой волны или напряжение в проводах.

Пример 11.5. Примеры сигналов: электромагнитные волны, изменение электрического напряжения, звуковая волна, колебания земной коры, переда­ча данных по каналу связи и др.

В 1989 г. американский ученый в области исследования операции и тео­рии систем Рассел Акофф (1919— 2009) предложил иерархическую мо­дель DIKW (англ. data, information, knowledge, wisdom — данные, информа­ция, знания, мудрость).

Каждый уровень добавляет опреде­ленные свойства к предыдущему:

• в основании находится уровень данных — знаки и сигналы;
• информация добавляет контекст — данные представляются в виде фактов, идей теорий;
• знания добавляют механизм ис­пользования информации, определяют, как человек будет ее применять;
• мудрость добавляет условия ис­пользования знаний, направленные на достижение поставленных целей.

Пример 11.6. Аналоговый сигнал.

Пример 11.7. Дискретный сигнал.

Чтобы представить аналоговый сигнал последовательностью чисел, его следует сначала превратить в дискретный сигнал, а затем подвергнуть квантованию (сигнал, значения которого дискретны, а время непрерывно).

В результате сигнал будет представ­лен так, что на каждом промежутке времени окажется известно прибли­женное (квантованное) значение сиг­нала, которое можно записать числом. Если записать эти целые числа в двоич­ной системе, получится последователь­ность нулей и единиц, которая и будет являться цифровым сигналом.

Исходной величиной АЦП может быть любая физическая величина — напряжение, ток, сопротивление, ем­кость, частота следования импульсов, угол поворота вала и др.

Частота дискретизации (или частота семплирования, англ. sample rate) — частота взятия отсчетов непрерывного по времени сигнала при его дискрети­зации (определяет, сколько раз в секун­ду будет измерен исходный сигнал). Из­меряется в герцах.

Пример 11.8. Сканеры.

Планшетный сканер	Книжный сканер
Сканер штрих-кода	Портативный сканер документов

3D-сканер

Сканер кинопленки

В современные смартфоны встроен цифровой фотоаппарат. Изображения, полученные с его помощью, сохраняют­ся в цифровой форме. Затем они могут быть загружены в компьютер для обра­ботки, передачи по компьютерным се­тям или для хранения. Цифровые изо­бражения можно просмотреть на экране монитора или распечатать на принтере.

Пример 11.9. Преобразование звука: