Урок №17
Цифровое представление непрерывных данных.
Цифровое представление непрерывных данных — это преобразование аналоговой информации в цифровую форму, понятную компьютеру.
Процесс состоит из двух основных этапов:
- Дискретизация. Непрерывный сигнал (звуковая волна, изображение) разбивается на отдельные отсчёты (измерения) в определённые моменты времени или в определённых точках пространства. Например, если нужно оцифровать звук, амплитуду звуковой волны измеряют через равные промежутки времени (это называется частотой дискретизации).
- Квантование. Каждому дискретному отсчёту (значению) присваивается одно из ограниченного набора цифровых значений. Например, в случае звука амплитуде волны присваивается числовое значение из доступного диапазона (например, от 0 до 255, если используется 8 бит на отсчёт).
- Кодирование. Полученные дискретные значения представляют в виде набора 0 и 1.
Примеры цифрового представления непрерывных данных:
- Звук. Звуковая волна дискретизируется во времени (измерения амплитуды производятся через равные промежутки времени). Амплитуда каждого отсчёта квантуется и представляется в виде числового значения. Полученная последовательность чисел формирует цифровой аудиофайл (MP3, WAV).
- Изображение. Изображение разбивается на пиксели (дискретизация). Цвет каждого пикселя квантуется (присваивается числовое значение из определённой палитры цветов). Полученные значения хранятся в виде цифрового файла изображения (JPG, PNG).
- Видео. Видео — это последовательность изображений (кадров), которые дискретизируются и квантуются как отдельные изображения. Звук также оцифровывается и синхронизируется с видео.
- Температура. Показания термометра дискретизируются во времени (измерения проводятся через определённые промежутки времени). Значения температуры квантуются и сохраняются в виде числовых данных.
Чтобы разобраться с цифровым представлением непрерывных данных, нам необходимо понять, какие данные мы будем называть непрерывными.
Запишите определение в своих тетрадях:
Непрерывные данные – это такие данные, которые могут принимать любые значения в заданном диапазоне.
Непрерывные данные от источника информации приемнику информации передаются при помощи аналоговых сигналов. Человек воспринимает информацию об окружающем нас мире при помощи органов чувств: слуха, зрения, обоняния. Существует гипотеза ученых о том, что информация, после ее восприятия органами чувств, преобразуется в цифровой вид и подается к мозгу уже в цифровом виде. Однако данные еще не подтверждены учеными.
Цифровой сигнал – Цифровой сигнал – это сигнал, который может представить в виде последовательности цифровых значений.
Аналоговый сигнал – это любой сигнал непрерывного действия.
Легко запомнить определения сигналов, представляя себе визуально обычную детскую горку. Так, вот ступеньки, которые ведут к вершине горки – аналогия дискретного сигнала (шаги выполняем рывками, не плавно), т.е. сигнала, для которого известно значение в каждый (установленный период) момент времени. А спуск с горки – аналоговый сигнал (т.к. плавный).
Аналоговый сигнал может быть представлен в цифровом виде. Преобразование аналогового сигнала в цифровой называется процессом дискретизации. Запишите это определение в тетрадь.
При дискретизации и квантовании происходит потеря некоторой информации, поскольку получается лишь приближённое представление непрерывных данных. Чем выше частота дискретизации и разрядность квантования (глубина цвета), тем точнее будет цифровое представление.
Цифровые данные — это информация, представленная в виде числовых кодов. Вся информация в памяти электронных устройств хранится в цифровом (двоичном) коде. Буквы, числа, изображения, звуки и видео в памяти компьютера представляют собой последовательности «нулей» и «единиц».
Непрерывные данные: это данные, которые могут принимать любые значения в определенном диапазоне. Они могут изменяться плавно и непрерывно.
Примеры:
Температура воздуха (может быть 22,5°, 22,51°, 22,512° и так далее).
Время (может быть 10:15:30.456).
Звук (волны звукового давления).
Изображение (световые волны).
Дискретные данные: это данные, которые могут принимать только определенные значения, обычно целые числа или отдельные варианты.
Примеры:
Количество учеников в классе (не может быть 30.5 ученика).
Количество яблок в корзине.
Оценка за контрольную (может быть 2, 3, 4, 5).
Процесс цифрового представления непрерывных данных:
Чтобы представить непрерывные данные в цифровой форме, используется процесс, состоящий из двух основных этапов:
Дискретизация:
Непрерывный сигнал (звуковая волна, изображение) разбивается на отдельные отсчёты (измерения) в определённые моменты времени или в определённых точках пространства.
Это как нарезать непрерывную линию на много коротких отрезков.
Пример: если мы хотим оцифровать звук, мы измеряем амплитуду звуковой волны через равные промежутки времени (это называется частотой дискретизации).
Квантование:
Каждому дискретному отсчету (значению) присваивается одно из ограниченного набора цифровых значений.
Это как округлить все числа до определенных значений.
Пример: в случае звука амплитуде волны присваивается числовое значение из доступного диапазона (например, от 0 до 255, если используется 8 бит на отсчёт).
Кодирование:
Полученные дискретные значения представляют в виде набора 0 и 1.
Примеры цифрового представления непрерывных данных:
— Звук:
Звуковая волна дискретизируется во времени (измерения амплитуды производятся через равные промежутки времени).
Амплитуда каждого отсчёта квантуется и представляется в виде числового значения.
Полученная последовательность чисел формирует цифровой аудиофайл (MP3, WAV).
— Изображение:
Изображение разбивается на пиксели (дискретизация).
Цвет каждого пикселя квантуется (присваивается числовое значение из определённой палитры цветов).
Полученные значения хранятся в виде цифрового файла изображения (JPG, PNG).
— Видео:
Видео — это последовательность изображений (кадров), которые дискретизируются и квантуются как отдельные изображения.
Звук также оцифровывается и синхронизируется с видео.
— Температура:
Показания термометра дискретизируются во времени (измерения проводятся через определённые промежутки времени).
Значения температуры квантуются и сохраняются в виде числовых данных.
Погрешность цифрового представления:
При дискретизации и квантовании происходит потеря некоторой информации, поскольку мы получаем лишь приближенное представление непрерывных данных.
Чем выше частота дискретизации и разрядность квантования (глубина цвета), тем точнее будет цифровое представление.
Не всегда возможно идеально восстановить исходные непрерывные данные из цифровой формы.
Зачем это нужно?
— Обработка данных: Компьютеры могут обрабатывать только цифровые данные.
— Хранение данных: цифровые данные можно легко хранить на носителях информации.
— Передача данных: Цифровые данные можно передавать по сетям связи.
— Мультимедиа: цифровое представление позволяет нам работать со звуком, изображениями, видео.