Maturitní otázka č. 24
24. Digitalizace a digitální zpracování dat
1. Proces digitalizace, vzorkování a kvantování
Reálný svět a signály v něm (zvuková vlna, teplota) jsou spojité (analogové) – mění se plynule v čase a mohou nabývat nekonečně mnoha hodnot. Počítače ovšem zpracovávají jen jedničky a nuly. Digitalizace je převod spojitého analogového signálu do podoby čísel (binárního kódu). Skládá se ze dvou kroků:
- Vzorkování (Sampling): Odehrává se v ČASE. Spojitou vlnu "rozkouskujeme" na svislé proužky. Křivku signálu měříme v přesných, pevných intervalech. Udává se ve vzorkovací frekvenci (Hz). Například u CD audia se křivka zvuku změří 44 100krát za jedinou sekundu (44,1 kHz).
- Kvantování (Quantization): Odehrává se v HODNOTĚ. Naměřenou výšku vzorku neumíme zaznamenat s absolutní přesností, musíme ji zaokrouhlit na nejbližší volnou úroveň, kterou nám dovolí "Bitová hloubka". Pokud máme hloubku 16 bitů (jako u CD), máme 65 536 možných úrovní (schodů).
2. Analogový vs. Digitální signál
- Analogový signál: Spojitá vlna. Je velmi náchylný na šum a rušení (šum ze starého rádia nebo sníh v televizi). S každým dalším kopírováním z pásky na pásku nebo přehráním se původní záznam postupně zhoršuje a degraduje (generační ztráta).
- Digitální signál: Jedničky a nuly. Kopírování digitálního signálu (souboru mp3) z jednoho PC do druhého vytvoří 100% matematicky identický klon bez jakékoliv degradace kvality.
3. Ztráta kvality při samotné digitalizaci
Z fyzikálního hlediska dochází k "nevratné ztrátě" už při samotném procesu digitalizace – převodník zahodí všechno mezi dvěma změřenými vzorky (vzorkování) a zaokrouhlí výšku napětí na nejbližší schod (kvantování). Nicméně podle Nyquist-Shannonova teorému, pokud vzorkujeme alespoň dvojnásobnou frekvencí, než je nejvyšší frekvence signálu, dokážeme po převodu na analog původní signál plně zrekonstruovat tak, že to lidský sluch nepozná.
4. Digitalizace audia v praxi a formát MP3
Když nahrajeme hodinu nekomprimovaného zvuku (formát WAV), soubor je extrémně velký. Zde nastupuje komprese.
Formát MP3 (ztrátový formát): Využívá psychoakustický model lidského ucha. Algoritmus záměrně a nenávratně zahodí ta data, která lidské ucho stejně neslyší (velmi vysoké frekvence nad 16 kHz, nebo tiché zvuky hned po hlasitém bubnu). Výsledkem je soubor, který je o 90 % menší než originál, ale pro většinu lidí zní totožně. Není ovšem vhodný pro profi studio (ztratila se v něm data potřebná pro mastering).
5. Jevy při zpracování a snímání (Aliasing, Moaré, Stroboskop)
- Aliasing: Technická chyba vznikající při nedostatečné vzorkovací frekvenci (podvzorkování). Vypočítaná vlna pak tvoří úplně jinou, falešnou frekvenci ("alias"). Zabraňuje se mu Anti-aliasing filtrem před digitalizací.
- Moaré: Vizuální vada (pruhování/vlnění), která vznikne při digitalizaci obrazu, překryjí-li se dvě pravidelné mřížky. Typicky, když si mobilem vyfotíte monitor počítače.
- Stroboskopický jev: Vzniká u videa (které je jen rychle vzorkovaná sekvence fotek). Pokud se kolo auta otočí přesně o trochu méně než 360° mezi dvěma snímky, vzniká optický klam, že se kolo na dálnici točí dozadu.