Законы информационного обмена

В теории информации объектом изучения является сигнал. Сигналом может быть любой физический процесс (звук, электромагнитная волна, и т. д.), изменяющийся во времени по гармоническому закону. Понятие сигнал позволяет абстрагироваться от конкретной физической величины и рассматривать получение информации как процесс извлечения полезного сигнала, очищенного от шума.

Шумом считается беспорядочное колебание различной физической природы (как звуковой, так и электромагнитной), в котором сложно разглядеть какую-либо циклическую закономерность.

Сигналы, которые распространяются в природе, являются аналоговыми, т. е. непрерывными. И для того, чтобы записать сигнал на цифровой носитель, его надо дискретизировать, т. е. сохранить точечные значения сигнала через равные промежутки времени. Устройство, которое это осуществляет, называется аналогово-цифровым преобразователем.

Оказалось, что для успешной записи и последующего восстановления сигнала необходимо соблюдать условие при выборе частоты дискретизации (количества сохранения значений сигнала в секунду). Согласно теореме Котельникова необходимо, чтобы частота дискретизации была как минимум в два раза больше максимальной частоты сигнала. Эту теорему называют также теоремой Найквиста-Шеннона, поскольку эти ученые пришли независимо к аналогичным выводам.

Такая закономерность легко объясняется тем, что частотой аналогового сигнала мы называем количество полных периодов колебания в секунду, а полный период состоит из двух отрезков — возрастания и убывания. Поэтому для записи одного полного периода аналогового сигнала необходимо как минимум два дискретных значения.

Отсюда становится понятной природа «шума». Его можно рассматривать как часть сигнала очень продолжительного по времени процесса, с очень большим периодом колебания, либо наоборот — как множество очень коротко живущих процессов. И в том, и в другом случае наша частота дискретизации не удовлетворяет условию теоремы Котельникова.

Таким образом, информация может быть извлечена из природного сигнала только в том случае, если он соразмерен с нашими частотами восприятия. Например, звуковой диапазон человека ограничен количеством колебаний в секунду, которые способна совершить барабанная перепонка.

Принято считать, что большую часть информации о мире мы получаем через органы зрения и слуха. Остальные каналы получения информации (обоняние, вкус, осязание и т. д.) больше связаны с внутренними ощущениями человека и его ближайшим окружением, чем с внешним миром.

Рассмотрим особенности зрительного и слухового восприятия. Чем они принципиально отличаются? И то, и другое в природе является аналоговым сигналом. Но почему звук мы воспринимаем как дорожку, последовательность, а изображение — как плоскость? Просто потому, что так устроены наши органы восприятия.

Восприятие звука происходит через колебание барабанной перепонки, которая весь фронт волны воспринимает как одно давление. Она сглаживает все «шероховатости» звука, выделяя в нём только среднее значение.

Зрительное восприятие происходит через множество колбочек и палочек, расположенных на сетчатке глаз. В цифровом фотоаппарате это светочувствительная матрица, где каждый элемент отвечает за один пиксель изображения. Чем больше пикселей, тем выше разрешающая способность фотоаппарата. Поэтому зрение, в отличие от слуха, совершает обратную функцию — оно разбивает единый фронт аналогового сигнала на множество отдельных потоков, каждый из которых воспринимает окружающее под своим уникальным углом.

Если слух усредняет сигнал и выдает в виде одного значения в единицу времени, то зрение наоборот — разбивает сигнал на множество составляющих, которые обрабатываются параллельно и формируют «плоскую» картину. На самом деле мозг воспринимает информацию не плоско и не линейно, а всегда объемно. Плоской и линейной информацию делают модели, которые описывают этот процесс и затем используются в технических устройствах.

Считается, что объем зрительной информации гораздо выше, чем слуховой. Для того чтобы на словах передать то, что изображено на картине, понадобится много времени, а зрению достаточно нескольких секунд. И теперь мы понимаем, почему так происходит. Но слух имеет свои особенности, которые невозможно заменить зрением. Именно способность слуха к усреднению, сглаживанию сигналов является ценным качеством для синтеза информации. Неслучайно человеческое общение происходит главным образом голосовым способом.

Теперь перейдем к определению шума. Под шумом в теории информации понимается не только звуковой шум, но и любой хаотический процесс в природе. Но как ни странно, именно наша речь является с точки зрения физики шумом, т. е. помехой, которую мы накладываем на звуковую или электромагнитную волну для передачи сообщения. Именно благодаря нашей способности создавать «шумы» мы способны изменять (модулировать) природные волны, кодировать и принимать информацию, влиять на мир.

Сигнал от шума отличается только тем важным значением, которое мы ему придаём. И это чисто условный, психологический фактор. Доказательством этому служит опыт немецкого философа Экхарта Толле. После того, как в его жизни произошло важное событие, повлиявшее на его сознание, он стал «слышать тишину». То, что для нас кажется шумом, хаосом, для него стало источником чистой информации. И это показатель внутренней гармонии человека.