Содержимое курса
Информатика 7 класс

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:

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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.