Дорога в будущее

Виниловой пластинке, подобно всякому аналоговому устройству хранения информации, свойствен ряд недостатков. Пыль, следы пальцев или царапины на поверхности пластинки могут приводить к неадекватным колебаниям иглы, вызывая в динамиках потрескивание и другие шумы. Если скорость вращения пластинки хотя бы немного отклоняется от заданной, высота звука сразу же меняется. При каждом проигрывании пластинки игла постепенно «снашивавает» бугорки в канавке, и качество звучания соответственно ухудшается. Если же какую-нибудь песню записать с виниловой пластинки на кассетный магнитофон, то все «шероховатости» переносятся на пленку, а со временем к ним добавятся новые, потому что обычные магнитофоны сами являются аналоговыми устройствами. Таким образом, при каждой перезаписи или передаче информация теряет в качестве.

На компакт-диске музыка хранится как последовательность двоичных чисел, каждый бит которых представлен микроскопической впадинкой на поверхности диска. На современных компакт-дисках таких впадинок более 5 миллиардов. Отраженный лазерный луч внутри проигрывателя компакт-дисков – цифрового устройства – проходит по каждой впадинке, а специальный датчик определяет ее состояние (0 или 1). Полученную информацию проигрыватель реконструирует в исходную музыку, генерируя определенные электрические сигналы, которые динамики преобразуют в звуковые волны. И сколько бы такой диск ни проигрывали, его звучание не меняется.

Было бы удобно преобразовать всю информацию в цифровую форму, но возникает проблема обработки ее больших объемов. Слишком большое число бит может переполнить память компьютера или потребовать много времени на передачу между компьютерами. Вот почему так важна (и становится все важнее) способность компьютера сжимать цифровые данные и хранить или передавать их в таком виде, а затем вновь разворачивать сжатые данные в исходную форму.

Рассмотрим вкратце, как компьютер справляется с этим. Для этого надо вернуться к Клоду Шеннону, математику, который в тридцатых годах осознал, как выражать информацию в двоичной форме. Во время второй мировой войны он начал разрабатывать математическое описание информации и основал новую область науки, впоследствии названную теорией информации. Шеннон трактовал информацию как уменьшение неопределенности. Например, Вы не получаете никакой информации, если кто-то сообщает Вам, что сегодня воскресенье, а Вы это знаете. С другой стороны, если Вы не уверены, какой сегодня день недели, и кто-то говорит Вам – воскресенье, Вы получаете информацию, так как неопределенность уменьшается.

Теория информации Шеннона привела в конечном счете к значительным прорывам в познании. Один из них – эффективное сжатие данных, принципиально важное как в вычислительной технике, так и в области связи. Сказанное Шенноном, на первый взгляд, кажется очевидным: элементы данных, не передающие уникальную информацию, избыточны и могут быть отброшены. Так поступают репортеры, исключая несущественные слова, или те, кто платит за каждое слово, отправляя телеграмму или давая рекламу. Шеннон привел пример: в английском языке буква U лишняя в тех местах, где она стоит после буквы Q. Поэтому, зная, что U следует за каждой Q, в сообщении ее можно опустить.

Принципы Шеннона применяли к сжатию и звуков, и фильмов. В тридцати кадрах, из которых состоит секунда видеозаписи, избыточной информации чрезвычайно много. Эту информацию при передаче можно сжать примерно с 27 миллионов бит до 1 миллиона, и она не потеряет ни смысла, ни красок.