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. 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:
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. 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:
|
1. В чем отличие информации и данных? Приведите примеры.
2. Что такое носитель информации?
3. Что понимают под информационными процессами?
4. В чем отличие аналогового сигнала от цифрового?
5. Что понимают под оцифровкой?
6. Какие устройства применяют при оцифровке?
Упражнения
1. Костя учится в художественной школе и пишет картины акварелью. Никите понравилась последняя Костина картина, и он сфотографировал ее с помощью смартфона. Костя тоже решил сохранить картину в цифровом формате и отсканировал ее. Будут ли одинаковыми файлы у Кости и Никиты? Проведите свое исследование по оцифровке изображений с помощью сканера и смартфона (цифрового фотоаппарата). Сделайте выводы.
2. Подготовьте сообщения на одну из перечисленных тем.
- Цифровой и аналоговый звук. Преимущества и недостатки.
- Правовые аспекты оцифровки книг.
- Технологии оцифровки видео.