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Galileo Computing - Professionelle Buecher. Auch fuer Einsteiger.
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Kompendium der Informationstechnik
 von Sascha Kersken
EDV-Grundlagen, Programmierung, Mediengestaltung
Buch: Kompendium der Informationstechnik
gp Kapitel 1 Einführung
  gp 1.1 Informationstechnik, Informatik und EDV
  gp 1.2 Die Geschichte der Rechenmaschinen und Computer
    gp 1.2.1 Die Vorgeschichte
    gp 1.2.2 Die Entwicklung der elektronischen Rechner
    gp 1.2.3 Entwicklung der Programmiersprachen
  gp 1.3 Digitale Speicherung und Verarbeitung von Informationen
    gp 1.3.1 Digitale Bilddaten
    gp 1.3.2 Digitale Audiodaten
    gp 1.3.3 Digitale Speicherung von Text

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Prüfungsfragen zu diesem Kapitel (extern)


Galileo Computing

1.3 Digitale Speicherung und Verarbeitung von Informationen  downtop

In diesem Abschnitt wird kurz erläutert, wie ein Computer Informationen speichert und verarbeitet. Es gibt einen grundsätzlichen Unterschied zwischen analogen und digitalen Daten: Analoge Informationen lassen sich in einer kontinuierlichen Wellenform wie in Abbildung 1.2 darstellen, die in immer kleinere Einheiten unterteilt werden können.

In der Natur liegen alle Informationen zunächst in analoger Form vor: Das Bild, das Sie sehen, oder der Ton, den Sie hören, besitzt prinzipiell keine kleinste Informationseinheit oder Auflösung. Mit dieser Art von Informationen kann ein Computer heutiger Bauart nichts anfangen. Die besonderen Eigenschaften der Elektronik haben dazu geführt, dass Computer digital entworfen wurden. »Digital« stammt vom englischen Wort »digit« (Ziffer); dieses Wort ist wiederum vom lateinischen »digitus« (Finger) abgeleitet, da die Finger von jeher zum Zählen eingesetzt wurden.

Digital sind Informationen also immer dann, wenn sie in Form von Zahlen dargestellt werden können. Genauer gesagt werden die Daten binär gespeichert, das heißt als Abfolge von Einsen und Nullen. Das ist nicht genau dasselbe wie dual. Das Dualsystem ist das mathematische Zweiersystem, während binär allgemein die Speicherung beliebiger Daten durch zwei verschiedene Zustände bezeichnet.


Abbildung 1.2   Schematische Darstellung von Analogdaten als Welle

Abbildung
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Die Speicherung von Zahlen erfolgt übrigens in der Tat dual, solange es sich um ganze Zahlen handelt. Eine Besonderheit gilt dabei für vorzeichenbehaftete (positive oder negative) Zahlen, bei denen das vorderste Bit für das Vorzeichen steht. Kompliziert wird es dagegen bei Fließkommazahlen, die in Exponentialschreibweise gespeichert werden. Auf die Darstellung von Zahlen im Computer wird in Kapitel 2, Mathematische und technische Grundlagen, näher eingegangen.


Abbildung 1.3   Schematische Darstellung binärer Digitaldaten

Abbildung
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Charakteristisch für digitale Daten ist, dass es eine kleinste Informationseinheit gibt und dass die Information nicht mehr weiter aufgelöst werden kann. Während Analogdaten also durch die Wellenform gekennzeichnet sind, lassen sich Digitaldaten durch eine rechteckige Form darstellen (Abbildung 1.3).

Digitalisierung

Die Umwandlung der analogen Eindrücke aus der Realität in computergeeignete digitale Daten wird als Digitalisierung bezeichnet. Je nach Datenart wird sie zum Beispiel von einem Scanner oder einer Digitalkamera bei Bildern oder durch eine Soundkarte bei Tönen durchgeführt. Die folgenden Unterabschnitte sollen einen groben Eindruck davon vermitteln, wie verschiedene Arten von Daten grundsätzlich gespeichert werden.


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1.3.1 Digitale Bilddaten  downtop

Wie Hardware zur Bilddigitalisierung funktioniert, also Scanner und Digitalkameras, wird kurz in Kapitel 3, Die Hardware, angeschnitten. Beachten Sie, dass es zwei grundlegende Arten von Computergrafik gibt. Die Pixelgrafik (auch Bitmap-Grafik genannt), von der hier die Rede ist, speichert ein Bild als rechteckiges Raster quadratischer Farbinformationen ab, den so genannten Pixeln. Die Vektorgrafik speichert dagegen Umrisslinien und Kurven von Zeichnungen in Form mathematischer Formeln. In Kapitel 8, Bildbearbeitung und Grafik, wird auf diesen Unterschied näher eingegangen.

Die Qualität eines gespeicherten Pixelbildes lässt sich durch die folgenden Sachverhalte charakterisieren:

gp  Die Auflösung gibt die Größe der einzelnen Pixel an. Die Angabe besagt, wie viele Pixel pro Zentimeter beziehungsweise Inch gespeichert werden. Beachten Sie, dass für den Druck erheblich höhere Auflösungen erforderlich sind (etwa 300 Pixel pro Inch) als für eine gleich große Bildschirmfläche (gerechnet wird hier – unabhängig von der tatsächlichen Monitorgröße – mit 72 Pixeln pro Inch).
gp  Die Farbtiefe gibt an, wie viele Bits zur Speicherung der Informationen eines einzelnen Pixels verwendet werden. Je nach Farbtiefe kann eine bestimmte Anzahl verschiedener Farben eingesetzt werden. Beispielsweise ermöglicht eine Farbtiefe von 8 Bit nur 256 verschiedene Farben, 16 Bit bieten 65.536 Farben und 24 Bit sogar mehr als 16,7 Millionen (genauer gesagt 16.777.216).
gp  In der Regel werden die einzelnen Farben nicht stur durchnummeriert, sondern aus einzelnen Grundfarben zusammengesetzt. Ohne hier näher darauf einzugehen, gibt es die additive Farbmischung der Lichtfarben Rot, Grün und Blau (RGB) oder die subtraktive Mischung der Druckfarben Cyan, Magenta, Gelb und Schwarz (CMYK). Normalerweise wird für die Intensität jeder einzelnen Grundfarbe ein Farbkanal gespeichert; die Farbtiefe wird dann pro Kanal angegeben, bei einem RGB-Bild mit 24 Bit Farbtiefe also beispielsweise 8 Bits (oder 256 Intensitätsstufen) pro Kanal.

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1.3.2 Digitale Audiodaten  downtop

Töne werden mit Hilfe eines Verfahrens digitalisiert, das man Sampling nennt. Das Audiosignal wird in bestimmten Zeitabständen immer wieder abgetastet, genauer gesagt wird die Amplitude (das Volumen) zum jeweiligen Zeitpunkt gemessen. Die Frequenz (Tonhöhe) ergibt sich dabei aus der zeitlichen Verteilung der Amplituden. Jeder einzelne Abtastvorgang (Sample) wird als numerischer Wert abgespeichert. Genau wie bei Bildern gibt es auch hier verschiedene Merkmale, die die Datenmenge und die Qualität der gespeicherten Daten betreffen:

gp  Die Sampling-Rate gibt die Anzahl der Messvorgänge pro Sekunde an. Je höher die Frequenz dieser Messungen, desto höher ist die Tonqualität. Audio-CDs haben beispielsweise eine Sampling-Rate von 44,1 kHz (Kilohertz), es wird also 44.100 mal pro Sekunde gemessen. Multimedia-Produktionen wie Computerspiele oder Infotainment-Titel verwenden dagegen häufig die halbe Sampling-Rate von 22,05 kHz.
gp  Die Sampling-Tiefe gibt die Datenbreite des einzelnen gespeicherten Tons an, legt also fest, wie viele verschiedene Amplituden unterschieden werden. Bei Audio-CDs sorgt eine Sampling-Tiefe von 16 Bit (65.536 unterschiedliche Werte) für guten Ton; niedrigere Sampling-Tiefen klingen nicht besonders gut.
gp  Die Anzahl der Tonkanäle besagt, ob irgendeine Art von Raumklang gespeichert wird oder nicht. Wenn Audiodaten mono gespeichert werden, gibt es nur einen einzigen Kanal. Stereo verwendet zwei getrennte Kanäle, die über einen linken und einen rechten Lautsprecher ausgegeben werden können. Eine noch höhere Anzahl von Kanälen wie bei Quadrophonie, Dolby Surround oder 5.1-Sound bewirkt ein noch realistischeres Hörerlebnis.

Tabelle 1.1 stellt die verschiedenen Merkmale von Bilddaten den vergleichbaren Eigenschaften von Tondaten gegenüber, um die entsprechenden Beziehungen zwischen verschiedenen Arten von Digitaldaten darzustellen.


Tabelle 1.1   Vergleich der Merkmale von Bild- und Audiodaten

Informationsart Bilddaten Audiodaten
Auflösung Bildauflösung, in Pixeln pro cm oder inch Sampling-Rate in Samples pro Sekunde (kHz)
Datenbreite Farbtiefe Sampling-Tiefe
Anzahl Kanäle Farbkanäle Tonkanäle


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1.3.3 Digitale Speicherung von Text  toptop

Reiner Text (nicht der formatierte Text in Textverarbeitungsprogrammen) wird als Abfolge nummerierter Zeichen eines Zeichensatzes gespeichert. Je nach Datenbreite des verwendeten Zeichensatzes können unterschiedlich viele verschiedene Zeichen verwendet werden. Der grundlegende Computerzeichensatz ist noch heute ASCII; es handelt sich um einen sieben Bits breiten Zeichensatz, er enthält also 128 Zeichen. Es sind sämtliche Zeichen für die Darstellung englischsprachiger Texte verfügbar.

Um auch Texte mit den Sonderzeichen der diversen europäischen Sprachen darstellen zu können, werden verschiedene Erweiterungen des ASCII-Codes verwendet. Da die 7 Bit der ASCII-Zeichen gewöhnlich in 8 Bits breiten Feldern gespeichert werden, steht Platz für weitere 128 Zeichen zur Verfügung. Auf diese Weise lassen sich lateinisch geschriebene Sprachen mit Sonderzeichen wie deutschen Umlauten darstellen, aber auch andere Buchstabenalphabete wie Arabisch, Russisch oder Griechisch. Silbenschriften wie Chinesisch oder Japanisch lassen sich dagegen auf diese Weise nicht speichern.

Um viele verschiedene Zeichensätze unter einen Hut zu bringen, wurde der Unicode-Standard eingeführt. Es handelt sich um einen Zeichensatz mit 16 bis 32 Bits breiten Zeichen; es können also mindestens 65.536 verschiedene Zeichen, in neueren Versionen sogar noch mehr, gespeichert werden. Auf diese Weise bietet Unicode genügend Platz für die Schriftzeichen der meisten Sprachen der Welt sowie für mathematische, technische und andere Sonderzeichen.

Die verschiedenen Zeichensätze werden in Kapitel 11, Datei- und Datenformate, genauer besprochen, außerdem finden Sie in Anhang A die wichtigsten Zeichensatztabellen.

  

Einstieg in PHP 5

Einstieg in Java

C von A bis Z

Einstieg in C++

Einstieg in Linux

Einstieg in XML

Apache 2




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