Digitální reprezentace informací

Osnova

úvod
jednotky informace
binární soustava
reprezentace čísel
reprezentace textu
reprezentace obrazu
reprezentace zvuku
reprezentace videa
komprese dat
výhody a nevýhody digitální reprezentace
Digitální reprezentace informací = převod informací do podoby, kterou dokáže zpracovat počítač
Počítače pracují s čísly, konkrétně s binární soustavou (hodnoty 0 a 1)
Každá informace – text, číslo, obrázek, zvuk nebo video – uložena jako posloupnost bitů
JEDNOTKY INFORMACE
- Bit (binary digit)
  - nejmenší jednotka informace
  - může nabývat hodnoty 0 nebo 1
  - reprezentuje dva stavy (ano/ne, zapnuto/vypnuto)
- Byte
  - 8 bitů
  - umožňuje zapsat 256 kombinací (2⁸)
  - používá se k uložení jednoho znaku (např. písmeno)
- Vyšší jednotky
- 1 kB = 1024 B
- 1 MB = 1024 kB
- 1 GB = 1024 MB
- 1 TB = 1024 GB
BINÁRNÍ SOUSTAVA
- Počítače používají dvojkovou soustavu → dva stabilní stavy:
  - proud teče → 1
  - proud neteče → 0
- Každé číslo lze převést do binární podoby pomocí mocnin dvou
- Například číslo 13: 13₁₀ = 1101₂
- To znamená: 1×2³ + 1×2² + 0×2¹ + 1×2⁰ = 13
REPREZENTACE ČÍSEL
- Celá čísla - Ukládají se přímo v binární podobě
  - Například: 25₁₀ = 11001₂
- Rozsah čísel závisí na počtu bitů:
  - 8 bitů → 0–255
  - 16 bitů → 0–65535
- Záporná čísla
  - Používá se tzv. doplňkový kód (two’s complement)
  - umožňuje jednodušší aritmetické operace
- Reálná čísla
  - Používá se tzv. pohyblivá desetinná čárka (floating point)
  - standard IEEE 754
  - číslo je rozděleno na:
    - znaménko
    - exponent
    - mantisu
    - To umožňuje ukládat velmi velká i velmi malá čísla
REPREZENTACE TEXTU
- Text je uložen pomocí znakových sad
- ASCII
  - 7 bitů (128 znaků)
  - obsahuje anglickou abecedu, číslice a speciální znaky
- Rozšířené ASCII
  - 8 bitů (256 znaků)
- Unicode
  - umožňuje zápis znaků všech jazyků
  - dnes nejpoužívanější kódování UTF-8
REPREZENTACE OBRAZU
- Digitální obraz je tvořen pixely (obrazovými body).
- Každý pixel má uloženou svou barvu v binární podobě
- Udává počet pixelů (např. 1920 × 1080)
- Vyšší rozlišení:
  - lepší kvalita
  - větší velikost souboru
- Barevné modely
  - RGB
    - Používá se na obrazovkách
    - Každá složka (R, G, B) má často 8 bitů (0–255)
    - Celkem tedy: 24 bitů na pixel → přes 16 milionů barev
  - Grayscale
    - Pouze odstíny šedi
    - menší datová náročnost
REPREZENTACE ZVUKU
- zvuk je původně analogový signál
- pro zpracování počítačem musí být převeden do digitální podoby
- Tento proces se nazývá:
  - Vzorkování (sampling)
    - měření hodnoty zvuku v pravidelných intervalech
    - např. 44 100 vzorků za sekundu (CD kvalita)
  - Kvantování
    - každému vzorku je přiřazena číselná hodnota
    - Čím vyšší:
      - vzorkovací frekvence
      - bitová hloubka - určuje přesnost záznamu
      - tím vyšší kvalita zvuku, ale větší velikost souboru
REPREZENTACE VIDEA
- Video je tvořeno:
  - sérií obrázků (např. 30 fps, snímky uloženy jako digitální obraz)
  - zvukovou stopou
- Kvůli velké velikosti se používají kodeky: H.264, MPEG, HEVC
KOMPRESE DAT
- Komprese slouží ke zmenšení velikosti souborů
- Bezztrátová komprese
  - nedochází ke ztrátě dat
  - např. ZIP, PNG
- Ztrátová komprese
  - část dat je odstraněna
  - např. JPG, MP3
  - Používá se tam, kde malá ztráta kvality není poznat
VÝHODY DIGITÁLNÍ REPREZENATCE
- snadné ukládání a kopírování
- odolnost proti šumu
- možnost šifrování
- rychlý přenos
- snadné zpracování algoritmy
NEVÝHODY DIGITÁLNÍ REPREZENATCE
- nutnost převodu analog → digitál
- velké objemy dat (např. video ve 4K)
- nutnost komprese
- možné chyby při přenosu