Analog vs. Digitaltechnik

Transkript

1 Analog vs. Digitaltechnik Wolfgang Hagen 1 2 1

2 3 Medienintegration! Digitale Medien integrieren mit Hilfe eines einheitlichen Kodes vormals getrennte Medien: Schrift, Bild, Sprache und Klang können jetzt auf ein und demselben Gerät verarbeitet werden. verändern Struktur, Produktionsweise und Organisation der alten Medien technisch: kennzeichnet vermindertes Rauschen ermöglichen verlustfreie Kopie und Reproduktion 4 2

3 5 off on on off off on off off 6 71*8*2=1136 Transistoren 3

4 Bit 7 8 4

5 Programmiersprachen (Assembler, C, C++, Java, Pearl, etc.)

6 Definition: Analog / Digital 11 Definition Analog / Digital Analog (griech. ἀναλογία, lat. Proportio) ist ursprünglich ein Begriff der Mathematik, der in der pythagoreischen Schule entwickelt wurde. In seinen Verhältnissen ähnlich, übereinstimmend, entsprechend. Analogie: Ähnlichkeit, Übereinstimmung. Ein Analogieschluß ( Analogismus ) zieht aus der Ähnlichkeit zweier Dinge in gewissen Beziehungen Folgerungen auf ihre Ähnlichkeit zu andern. (Brockhaus Kleines Konversations- Lexikon) Roland Woitowitz, Klaus Urbanski Digitaltechnik Ein Lehr- und Ubungsbuch

7 Definition Analog / Digital Analog Eine analoge Größe ist eine physikalische Größe, die innerhalb eines bestimmten Dynamikbereiches jeden beliebigen Wert annehmen kann. Sie ist zeit- und wertkontinuierlich (0 -> ) Roland Woitowitz, Klaus Urbanski Digitaltechnik Ein Lehr- und Ubungsbuch Definition Analog / Digital Digitāl (lat.), die Finger oder Zehen betreffend. [Digital. Meyers Grosses Konversations-Lexikon (1905 ] digital (digital). Aus dem englischen Wort»digit«(eine einzelne Ziffer) abgeleitete Bezeichnung für alle Vorgänge, die durch Verarbeitung von Ziffern erfolgen, oder von Daten, die durch Ziffern wiedergegeben werden. (Wörterbuch Physik) Roland Woitowitz, Klaus Urbanski Digitaltechnik Ein Lehr- und Ubungsbuch

8 Definition Analog / Digital Eine digitale Größe ist eine physikalische Größe, die innerhalb eines bestimmten Dynamikbereiches nur wertdiskrete Werte annehmen kann. Sie ist wertdiskret und zeitkontinuierlich... Roland Woitowitz, Klaus Urbanski Digitaltechnik Ein Lehr- und Ubungsbuch Definition Analog / Digital... oder wert- und zeitdiskret 16 8

9 Definition Analog / Digital 17 Messen und Zählen 18 9

10 Messen und Zählen 19 Messen und Zählen Urmeter und Urkilogramm 20 10

11 Messen und Zählen 1 Meter ist jene Strecke, die das Licht im Vakuum in 1 / Sekunden zurücklegt Sekunde = das fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands von Atomen des Nuklids 133 Cs entsprechenden Strahlung festgelegt, welche daher auch Atomsekunde genannt wird. 21 Messen und Zählen Urkilogramm - Seine Masse ist festgelegt durch die des Internationalen Kilogrammprototyps, eines Zylinders aus Platin-Iridium, der vom Internationalen Büro für Maß und Gewicht verwahrt wird

12 Messen und Zählen 23 Messen und Zählen 24 12

13 Messen und Zählen log(a*b) = log(a) + log(b) 25 Messen und Zählen

14 Messen und Zählen Wir wollen rechnen 3 + 4, also setzen wir erst einmal die Messen und Zählen Analoges Messen & Zählen Digitales Messen & Zählen ist definiert durch ein physikalisches Verfahren, durch das eine kontinuierliche Messung erfolgt und diese Messung in Analogie zu einer Rechenoperation gesetzt wird. Die Operanden werden auf einer kontinuierlichen Skala eingestellt und das Ergebnis auf einer kontinuierlichen Skala abgelesen. Alle Größen sind von daher mit einer Messungenauigkeit behaftet. -> Heisenbergsche Unschärfe- Relation ist definiert durch eine diskrete Darstellung der Operanden, die Größenabstände unmissverständlich und unverwechselbar ohne einen Übergang zwischen ihnen separat und ohne Ungenauigkeit repräsentiert. Nach einer sprachlich gefassten Vorschrift, einem Algorithmus, wird das Ergebnis Schritt für Schritt erzeugt und wieder diskret dargestellt. Das Paradigma des Digitalen ist die diskrete Abzählen von Zahlen, das Zeit verbraucht

15 Digitalisierung Digitizing / Digitization 29 Digitalisierung Digital nennt man die Repräsentation eines Bildes, eines Klanges, eines Dokuments oder eines anderen analogen Datums oder Signals durch ein diskretes Set von Elementen. Der Begriff Digitalisierung bezeichnet die Transformation analoger, und das heisst: kontinuierlicher Größen in abgestufte, diskrete Werte. Diese Umwandlung erfolgt durch eine geeignete Form der Abtastung ( auch Rasterung genannt) und eine geeignete Form der Quantisierung

16 Digitalisierung Abtastung Quantisierung 31 Digitalisierung Abtastung Quantisierung Raumlänge: 5 Meter Ballgrösse: 20 cm Flughöhe: 90 cm Stroboblitz: 300 Milisekunden Ballgeschwindigkeit: km/h Als Quantisierung bezeichnet man in der Signalverarbeitung, wie beispielsweise der Messtechnik oder Nachrichtentechnik, die Abbildung eines zeitdiskreten, kontinuierlichen Signals auf eine endliche Wertemenge. Quelle: Wikipedia 32 16

17 Exkurs: Mediengeschichte der Abtastung 33 Quarterly Journal, 1821 When a spoked wheel, such as that of a carriage, is viewed in motion, through a series of vertical bars, the spokes assume the peculiar curvatures ( ) a curvature will be observed, directed 34 upwards on each side 17

18 35 Peter Marc Roget, 1825 Explanation of an Optical Deception in the Appearance of the Spokes of a Wheel Seen through Vertical Apertures, Phil. Trans. R. Soc. Lond. January

19 Joseph Plateau, 1829 Joseph Plateaus s anamorphotische Figur, die durch sein Antorthoskop normalisiert werden kann. Erste Skizzen dazu in Plateaus Diss von Plateaus Phenakistiskop 38 19

20 Plateaus Phenakistiskop 39 Plateaus Phenakistiskop In der Realisierung von Muybridge

21 Eadweard Muybridge (* 9. April 1830 in Kingston upon Thames; 8. Mai 1904 ebenda; eigentlich Edward James Muggeridge) war ein britischer Fotograf und Pionier der Fototechnik

22

23

24 Digitalisierung Abtastung Quantisierung 47 Wie funktioniert eine analoge Aufnahme? 48 24

25 Wie funktioniert eine analoge Aufnahme? 49 Wie funktioniert eine analoge Aufnahme? 50 25

26 24 Spur Tonbandgerät Mitte Wie funktioniert eine analoge Aufnahme? Rauschen 52 26

27 Wie funktioniert eine analoge Aufnahme? Abrieb Raus chen 53 Digitalisierung Abtastung Quantisierung 54 27

28 Abtastung/Rasterung 55 Abtastung/Rasterung 56 28

29 Abtastung/Rasterung 57 Abtastung/Rasterung 58 29

30 Abtastung/Rasterung 59 Abtastung/Rasterung Ein rechteckiges Feld aus Bildpunkten nennt man Rasterimage oder Cell Array. Die Größe wird durch die Zahl der Bildpunkte in X und Y- Richtung bestimmt. Ein Pixel ist also die kleinste Einheit eines digitalen Bildes. Pro Bildpunkt oder Pixel werden wahlweise 1, 8 oder 24 Bits für die Darstellung der Farbinformationen verwendet (Farbtiefe). Dadurch können bitonale (schwarz-weiße) Bilder, Graustufenbilder oder Farbbilder gespeichert werden

31 Digitalisierung Abtastung Quantisierung 61 Digitalisierung Abtastung Quantisierung 62 31

32 Digitalisierung Abtastung Quantisierung Sample & Hold -Einheit muss in ausserordentlich kurzer Zeit einen Kondensator schalten, der die jeweilige Spannung, die in dem Abtastfenster gemessen wird, für einen Zeitraum hält. Dieser Zeitraum ist etwa 1 Mikro-Sekunden gross, also etwa der Millionste Teil einer Sekunde. 63 Digitalisierung Abtastung Quantisierung Nyquistsche Abtasttheorem f s = Abtast-Frequenz f g = höchste abgetastete Frequenz 64 32

33 Digitalisierung Abtastung Quantisierung 65 Digitalisierung Abtastung Quantisierung 66 33

34 Digitalisierung Abtastung Quantisierung 67 Digitalisierung Abtastung Quantisierung 68 34

35 Digitalisierung Abtastung Quantisierung 69 Digitalisierung Abtastung Quantisierung Statt der orginal hohen wird eine tiefere Frequenz erzeugt 70 35

36 Digitalisierung Abtastung Quantisierung Oben: korrekte Abtastung mit mehr als zwei Stützstellen pro Schwingungsperiode des Signals. Mitte und unten: bei der höheren Signalfrequenz reicht die Abtastrate nicht mehr aus (Unterabtastung); die Stützstellen werden fehlinterpretiert als tieffrequentes Signal (Aliasing) Goerne, Thomas: Tontechnik, München:Hanser Digitalisierung Abtastung Quantisierung 72 36

37 Quantisierung (I) Das abgetastete, diskrete Signal. Kontinuierliche Werte liegen in zeitdiskreten Schritten an. 73 Quantisierung (II) Das abgetastete, diskrete Signal. Diskrete Werte liegen in kontinuierlichen (aber verschiedenen) Zeitlängen an

38 Quantisierung (III) Digitales Signal. Diskrete Werte in diskreten Zeitwerten (gerundet) an. 75 Digitalisierung Abtastung Quantisierung 76 38

39 Image-Moiré 77 Image-Moiré 78 39

40 Image-Moiré Ein Moiré-Muster (frz. marmoriert ) ist ein Interferenz-Muster graphischer Bilder, das erzeugt wird durch die Überlagerung zweier Gitter mit unterschiedlich grossen Maschen in wechselnden Winkeln. 79 Image-Aliasing Über den Verlust von Bildinformationen durch zu grobe Rasterung bei der Digitalisierung können zusätzlich periodische Bildstörungen auftreten, die in der Vorlage nicht vorhanden waren

41 Medien, die nicht digitalisiert werden können ismell Personal Scent Synthesizer im Jahr 2001 der Fa. DigiScents 128 "Grundgerüche", die gemischt werden konnten, um natürliche oder künstliche Gerüche nachzuempfinden

42 Tontafel mit Linear-B-Inschrift aus Mykene 1600 Jahre vor der Zeitrechnung

43 American_Standard_Code_for_Information_Inter change 85 Analog Wert- und zeitkon9nuierlich Digital Wert- und zeitdiskret 86 43

44 Analog Wert- und zeitkon9nuierlich Ähnlichkeit zum Objekt Digital Wert- und zeitdiskret Signal- Objekt- Beziehung zufällig 87 Analog Wert- und zeitkon9nuierlich Ähnlichkeit zum Objekt 'abbildendes' Signal Digital Wert- und zeitdiskret Signal- Objekt- Beziehung zufällig Willkürlich- diskrete Kodifizierung 88 44

45 Analog Wert- und zeitkon9nuierlich Ähnlichkeit zum Objekt Digital Wert- und zeitdiskret Signal- Objekt- Beziehung zufällig 'abbildendes' Signal Willkürlich- diskrete Kodifizierung 89 Analog Wert- und zeitkon9nuierlich Ähnlichkeit zum Objekt 'abbildendes' Signal irreversibel Digital Wert- und zeitdiskret Signal- Objekt- Beziehung zufällig Willkürlich- diskrete Kodifizierung reversibel 90 45

46 Analog Wert- und zeitkon9nuierlich Ähnlichkeit zum Objekt 'abbildendes' Signal irreversibel entropisch Digital Wert- und zeitdiskret Signal- Objekt- Beziehung zufällig Willkürlich- diskrete Kodifizierung reversibel verlushrei 91 Klausurtermine 1. Termin am Montag, um 14:15 Uhr 2. Termin am Montag, um 14:15 Uhr die Räume werden in mystudy später noch genannt