Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами

Во всех цифровых устройствах, от мобильных телефонов и плееров до вычислительных машин и компьютеров, вся «фишка» заключается в преобразовании аналогового сигнала в цифровой и обратно. Это кажется простым, если речь идет о росте или весе человека и представлять нужно всего одно значение. Но как быть с «измерениями» «Моны Лизы»? Как можно перевести эти измерения в цифровой вид, чтобы хранить их в компьютере?

Прежде всего вы переведете в «цифру» не одно число, а миллионы. Этот процесс называется дискретизацией. Он подразумевает деление непрерывной информации на маленькие кусочки, их измерение, превращение измерений в числа и выстраивание цифровых последовательностей. «Мону Лизу» мы можем, например, разделить на 1000 колонок и 1000 рядов, или на миллион маленьких квадратиков. Мы способны измерить среднюю цветонасыщенность и освещенность каждого квадрата (обозначив оба показателя цифрами) и записать эти цифровые последовательности слева направо и сверху вниз. Это превратит одно изображение в 2 000 000 чисел (или одно число, состоящее из 2 000 000 цифр), которые относительно легко хранить в компьютере или «прогонять» по линии телефонной связи. Аналоговое изображение становится похожим на карту двоичных цифр, обозначающих «включение-выключение», или битовую карту (набор последовательно записанных двоичных разрядов).

Посмотрим, как дискретизация работает в цифровых фотокамерах и mp3-плеерах.

Цифровые фотокамеры

Старомодные фотоаппараты имели зеркальные линзы и створки затвора, которые раскрывались на незначительный промежуток времени, чтобы «засветить» кусочек целлулоидной пленки, покрытой химическим составом с содержанием серебра. Свет превращает кристаллики этого вещества в песчинки серебра, которые группируются так, что освещенные участки пленки затемняются, а неосвещенные остаются светлыми. Иными словами, процесс съемки классическим фотоаппаратом начинался с создания на пленке черно-белого изображения, называемого негативом. При печати на фотобумаге происходит обращение негатива. Темные участки становятся светлыми и наоборот. В результате «позитивная» печать создает оригинальное изображение.

Цифровая камера работает иначе, используя интегральные схемы, состоящие из светочувствительных микросхем, которые называются ПЗС-матрицами (приборами с зарядовой связью). В отличие от «засвеченного» кусочка фотопленки, который становится аналоговым отображением объекта, ПЗС-матрица разделена на миллионы светочувствительных точек, или пикселов, каждая из которых измеряет силу света, падающую на нее, и отображает в виде числа. Так ПЗС-матрица преобразует аналоговое изображение в цифровую фотографию.

МР3-плееры

Цифровая камера использует ПЗС-матрицу для дискретизации негативного пространства (того, что окружает объект) и самого объекта съемки. Записывающее устройства для mp3-дисков дискретизирует звуки на протяжении какого-то времени. Представьте себе, что вы хотите оцифровать запись со старой виниловой пластинки Rolling Stones. Вы можете сделать запись с динамиков, поставив перед ними микрофон и подсоединив его к компьютеру, который воспримет аналоговые звуковые волны. С помощью соответствующих программ вы можете измерять эти звуки с частотой дискретизации 44 000 раз (выборок) в секунду[197] и перевести их в цифровой вид. Файлы mp3 или mp4 как раз и являются такими цифровыми цепочками.

Не «зацикливаться» на качестве?

Аналоговая или цифровая копия никогда не смогут сравниться с оригиналом. Или смогут? Когда цифровая фотография только набирала популярность, многие считали, что старые (аналоговые) фотокамеры дают гораздо более качественное изображение. И они были правы. Теперь уже уловить разницу почти невозможно, даже профессиональные фотографы изменяют своим привычкам. Ведь новейшие цифровые камеры используют гораздо более высокую частоту дискретизации объектов съемки. Их ПЗС-матрицы имеют миллионы светочувствительных точек – пикселов. Цифровая камера в 10 мегапикселов раскладывает изображение на 10 млн измеряемых точек. По сравнению с еще недавно считавшимися передовыми цифровыми камерами с 2 мегапикселами это пятикратное увеличение точности изображения и разрешения. А если провести поиск в интернете, то можно выяснить, что лучшие классические зеркальные фотокамеры имели разрешающую способность от 10 до 50 мегапикселов (хотя, конечно, использование разных типов пленки и фотопечати могло это разрешение несколько снизить). Так что даже средние современные цифровые камеры уступают классическим аналоговым по разрешающей способности, хотя наш глаз разницу уже практически не замечает[198].