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DIGITALISIERUNG: INFORMATIONEN WERDEN ZAHLENSYMBOLE

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Digitalisierung: Informationen werden Zahlensymbole
 
In der Digitaltechnik werden Informationen, z.B. Texte, Zeichen, Bilder oder Sprache, in ein System abstrakter Zahlensymbole übersetzt. Die dabei eingesetzten digitalen elektronischen Schaltungen können exakt zwei ausgeprägte physikalische Zustände einnehmen (Strom oder kein Strom, Spannung oder keine Spannung), die durch die Ziffern »1« bzw. »0« (»Ein« bzw. »Aus«) symbolisiert werden können. Diese Codierung bildet die Grundlage für das Binärsystem. Mit dem Binärsystem sind Maschinen in der Lage, die codierten Informationen zu verstehen und zu verarbeiten.
 
Die Umwandlung ursprünglich analoger Daten in ein binäres Zahlensystem nennt man Digitalisierung. Gegenüber der analogen Übertragung bietet die digitale Datenübertragung viele Vorteile: Sie ist präziser, schneller und deutlich weniger störanfällig und zudem zeichnet sie sich durch eine höhere Übertragungskapazität aus.
 
 Umwandlung in digitale Daten
 
Die Umwandlung eines analogen in ein digitales Signal nimmt ein Analog-digital-Wandler (A/D-Wandler), ein elektronisches Bauteil, vor.Der A/D-Wandler bestimmt zu geeigneten Zeitpunkten den Wert des Analogsignals und codiert diesen dann als Binärwert. Das Signal wird in kontinuierlichen Zeitabständen abgetastet (»sampling«) und zusätzlich quantisiert. Die Zahl der Abtastpunkte muss dem Kurvenverlauf des analogen Signals angepasst sein. Die Abtastrate sollte mindestens doppelt so hoch sein wie die höchste Frequenz im Signal. Bei der Quantisierung wird der in einem Abtastpunkt gemessene reelle Wert auf eine begrenzte Menge möglicher Werte durch Rundung reduziert. Die Qualität und das Datenvolumen der digitalisierten Daten wird durch die Wahl der Abtastrate und der Quantisierung bestimmt. Je kleiner das Abtastintervall, desto genauer ist die Nachbildung des zeitlichen Verlaufs des Analogsignals.
 
Auch Bilder können digitalisiert und dann im Rechner bearbeitet oder übertragen werden. Dazu teilt man ein Bild in einzelne Bildelemente (Pixel) auf und ordnet jedem derartigen Pixel einen Wert zu, der die mittlere Helligkeit, die Farbe und/oder eine andere Eigenschaft dieses Bildausschnittes angibt. Dieser Wert ist dann die Zahl, die an das Pixel gebunden wird. Viele Geräte, z.B. eine CCD-Matrixkamera, machen diese Mitteilungen für die Intensitäten automatisch, wenn sie ein Bild als Matrix von Bildpunkten aufzeichnen. Zur Digitalisierung wird das Bild als zweidimensionales Feld abgespeichert, dessen Feldelemente die ermittelten Pixelwerte sind. Je nach Anzahl der Pixel geht ein Teil der im ursprünglichen Bild vorhandenen Information verloren. Um ein Bild zu übertragen, dessen Auflösung derjenigen unseres Auges nahe kommt, müsste es mit einer Auflösung von 0,1 mm dargestellt werden. Bei einer DIN-A4-Seite würde das bedeuten, dass sie in ca. 6,2 Mio. Pixel aufgeteilt werden müsste.
 
 Übertragung großer Datenmengen mittels Datenkompression
 
Die Verarbeitung und Übertragung größerer Datenmengen, wie sie z.B. bei der Digitalisierung von Bildern oder Musik auftreten, machen eine Datenkompression notwendig. Dabei werden Daten so verdichtet, dass sie weniger Speicherplatz und damit weniger Übertragungszeit benötigen. Es gibt grundsätzlich zwei verschiedene Verfahren: Bei der verlustfreien Methode sind die Daten vor und nach der Kompression identisch, was z. B. für Texte und codierte Programme sehr wichtig ist. So werden beim Huffman-Verfahren den häufig vorkommenden Symbolen kürzere Codes als den seltener vorkommenden zugeordnet (Prinzip des Morsealphabetes). Bei verlustbehafteten Verfahren geht ein Teil der Daten verloren, sodass die Zieldaten weniger Detailinformationen enthalten als die Ausgangsdaten. Zum Beispiel werden zur Datenkompression von Musik Frequenzbereiche, auf die das menschliche Gehör weniger reagiert, unterdrückt.
 
Drei wichtige Kompressionsverfahren sind Standards verschiedener Expertengruppen, die Vorschläge zur Komprimierung und Codierung bewegter und unbewegter Bilder und Audiosignale erarbeitet haben: JPEG (Joint Photographic Experts Group), M-JPEG (Motion JPEG) und MPEG (Motion Picture Experts Group). Beim JPEG-Standard werden redundante, d. h. mehrfach vorhandene Daten entfernt und ähnliche Informationen zusammengefasst (verlustbehaftete Kompression). Da mehrere aufeinander folgende Bilder auch zur Darstellung von Bewegtbildern dienen, findet das Verfahren auch in der Kompression von Digitalvideos Anwendung (M-JPEG). Der MPEG-Standard ist ebenfalls ein verlustbehaftetes Kompressionsverfahren für Video- und Audiosignale, das für größere Datenmengen konzipiert wurde. Für den Einsatz im Fernsehbereich wurde der MPEG-2-Standard entwickelt, mit dem z.B. Datenübertragungsraten für digitales HDTV definiert sind. Alle Standards garantieren, dass Systeme unterschiedlicher Hersteller miteinander kommunizieren und Daten austauschen können.


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