Heutzutage ist unser Leben extrem datenreich: Alles, was wir von einem Computer aus sehen und hören, besteht aus Daten. Heute zum Beispiel habe ich auf dem Weg zur Arbeit Musik gehört, während ich meinen Twitter-Feed und ein Bild der Katze meines Freundes auf Instagram angesehen habe. All diese Dinge – Musik, Text und Fotos – sind im Grunde nur eine Folge von Einsen und Nullen. Daraus bestehen im Grunde alle digitalen Informationen.
Wie werden also aus Einsen und Nullen Musik, Nachrichten in sozialen Medien oder Bilder von Katzen? Um diese Frage zu beantworten, nehme ich Sie mit auf einen kurzen Rundgang durch die Geschichte und die Bedeutung von Daten und digitalen Medien, um Ihnen eine Vorstellung davon zu vermitteln, wie wir es mit bloßen Einsen und Nullen so weit gebracht haben.
Die Aufgabe eines Computers
Computer wurden gebaut, um Daten zu verarbeiten und sie in Informationen umzuwandeln. Informationen sind eng mit Daten verwandt; der Hauptunterschied besteht darin, dass Daten eine formalisierte Darstellung von etwas sind, die, wenn sie in einen Kontext gestellt oder analysiert werden, zu Informationen werden. Daten sind also ein abstrakterer Begriff als Informationen.
In diesem Kurs beschäftigen wir uns hauptsächlich damit, wie Daten von Computern dargestellt werden, und nicht damit, wie Computer Informationen verarbeiten und erzeugen. Dies ist eine wichtige Unterscheidung, denn das Ziel dieses Kurses ist es, Ihnen zu helfen, die Formalisierungen und Codes zu verstehen, die Computer verwenden, um Daten zum Leben zu erwecken. Im Wesentlichen werden Sie lernen, Dinge aus der Sicht eines Computers zu verstehen – Dinge, die Sie sehen, hören und die für Sie im Alltag selbstverständlich sind. Dieses Wissen ist für viele Aspekte der Informatik-Theorie von großer Bedeutung.
Ein Computer ist darauf ausgelegt, eine Reihe von Dingen mit Daten zu tun: + Empfangen von Daten + Speichern von Daten + Manipulieren von Daten + Darstellen von Daten
Dies alles geschieht im Inneren des Computers. Wie empfangen, speichern, manipulieren und präsentieren Computer also Daten, indem sie einfach Strom verwenden? In unserem Kurs Wie Computer funktionieren erklären wir, dass Computer aus einer Reihe von Schaltern bestehen, die entweder ein- oder ausgeschaltet sein können, und diese Zustände entsprechen der binären Darstellung 1 (ein) und 0 (aus). Elektrischer Strom fließt durch die Schalter, und wenn man mehr Schalter hinzufügt, erhält man mehr Einsen und Nullen. Hier ist ein Beispiel dafür, wie das funktioniert:
Jeder Zustand von 1 (ein) oder 0 (aus) in einem einzelnen Schalter wird als Bit bezeichnet, das kleinste Datenelement, das ein Computer speichern kann. Wenn Sie mehr Schalter verwenden, erhalten Sie mehr Bits; mit mehr Bits können Sie komplexere Daten wie Musik, Text und Bilder darstellen, über die ich bereits gesprochen habe. Milliarden von Schaltern passen auf eine einzige Leiterplatte, und Computer erwecken Daten zum Leben, indem sie mit diesen Bits arbeiten.
In diesem Kurs werden wir uns die Prozesse ansehen, mit denen Computer diese Bits in Dinge verwandeln, die man sehen und hören kann. Der erste Schritt besteht darin zu verstehen, wie Informationen von einem physischen Format in ein digitales Format umgewandelt werden, das durch Bits dargestellt werden kann. Dieser Umwandlungsprozess wird Digitalisierung genannt.
Digitalisierung
Um die Digitalisierung zu verstehen, sollten wir uns ansehen, wie sehr sich die Technologie in den letzten 25 Jahren entwickelt hat. Multimediatechnik und das Internet haben uns in eine digitale Kultur verwandelt. Ein Beispiel: Diese Technologie war vor 25 Jahren, 1993, populär und wird mit der heutigen Technologie verglichen:
Heute werden die meisten Formen von Massenmedien, Fernsehen, Musikaufnahmen und Filmen digital produziert und vertrieben, und sie konvergieren jetzt mit dem Internet und dem World Wide Web, um die digitale Medienlandschaft zu schaffen, die wir jeden Tag erleben. Hier ein paar interessante Fakten zur Digitalisierung der Medien:
- Nahezu alle Musik, die Menschen jemals aufgenommen haben, wurde inzwischen digitalisiert
- Im Jahr 2011 verkaufte Amazon mehr digitale als gedruckte Bücher
- Im Jahr 1986 wurden 99.2% der weltweiten Informationsspeicherkapazität analog; 21 Jahre später, im Jahr 2007, waren 94% digital
In den obigen Bildern sind die Beispiele populärer Technologie aus dem Jahr 1993 analog, und die Beispiele aus dem Jahr 2018 sind digital. Auf die Unterschiede zwischen analog und digital werden wir später noch genauer eingehen. Um zu erklären, wie sich die Digitalisierung von 1993 bis heute entwickelt hat, gebe ich Ihnen jetzt einen kurzen Überblick über analoge und digitale Technik.
Analoge Elektronik, wie die Beispiele von 1993, verwendet analoge Signale. Sie können sich analoge Signale ähnlich wie die Temperaturlinie auf einem Quecksilberthermometer vorstellen: Die Linie ändert sich kontinuierlich, um die Temperatur anzuzeigen.
Wie diese Quecksilberthermometerlinie können analoge Signale einen kontinuierlichen Wertebereich annehmen, um Daten darzustellen, und dieser Bereich kann visualisiert werden. Ein digitales Thermometer hingegen zeigt die Werte in diskontinuierlichen Schritten an, z. B. in Zehntelgraden.
Ein weiteres Beispiel sind alte Fernsehgeräte, die ein Signal mit einer kontinuierlich variablen Welle verwenden, um Töne und Bilder darzustellen.
Da die Schwankungen dieser Wellen so klein sind, können die Wellenformen durch Interferenzen unterbrochen werden, was z. B. zu statischem Ton und Schneebildern führt. Um Interferenzen zu verringern, können Computer die Wellen in Einsen und Nullen (oder Bits) als einzelne Daten umwandeln. Die Verwendung von Bits anstelle von Wellenformen verringert die Auswirkungen von Interferenzen und führt zu einer besseren Qualität von Ton und Bild. Computer stellen Medien daher in einem numerischen Format dar, was einen großen und wachsenden Einfluss auf das hat, was wir in unserem täglichen Leben sehen und hören.
In dieser Woche werden wir tiefer in die Mathematik und die grundlegenden Rechenprozesse eintauchen, die der Medienberechnung und Datendarstellung zugrunde liegen.
Aktivität: Alltägliche Daten
Nachdem du nun einige Beispiele für die Darstellung von Daten gesehen hast, denke über die Daten nach, die dir jeden Tag durch dein Telefon, deinen Laptop oder Desktop-Computer und all die anderen Computer um dich herum zum Leben erweckt werden, wie z.B. die digitalen Anzeigen in deiner täglichen Zugfahrt, dein Smart-TV zu Hause oder das digitale Radio in deinem Auto.