Digitalisierung

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Digitalisierung in der British Library

Der Begriff Digitalisierung bezeichnet die Überführung analoger Größen in diskrete (abgestufte) Werte, zu dem Zweck, sie elektronisch zu speichern oder zu verarbeiten. Das Endprodukt oder Ergebnis der Digitalisierung wird mitunter als Digitalisat bezeichnet. Im weiteren Sinne wird mit dem Begriff auch der Wandel hin zu elektronisch gestützten Prozessen mittels Informations- und Kommunikationstechnik bezeichnet (siehe unten und Digitale Revolution).

In einem allgemeineren Sinn kann mit Digitalisierung auch der gesamte Vorgang von der Erfassung und Aufbereitung bis hin zur Speicherung von analogen Informationen auf einem digitalen Speichermedium (z. B. einer CD) gemeint sein.

Es wird geschätzt, dass 2007 bereits 94 % der weltweiten technologischen Informationskapazität digital war (nach lediglich 3 % im Jahr 1993).[1] Es wird angenommen, dass es der Menschheit im Jahr 2002 zum ersten Mal möglich war, mehr Information digital als analog zu speichern (der Beginn des „Digitalen Zeitalters“).[2]

Grundlagen

Unter Digitalisierung versteht man allgemein die Aufbereitung von Informationen zur Verarbeitung oder Speicherung in einem digitaltechnischen System. Die Informationen liegen dabei in beliebiger analoger Form vor und werden dann, über mehrere Stufen, in ein digitales Signal umgewandelt, das nur aus diskreten Werten besteht.

Die zu digitalisierende Größe kann alles sein, was mittels Sensoren messbar ist. Typische Beispiele sind

  • der Schalldruck bei Tonaufnahmen mit einem Mikrofon,
  • Helligkeit bei Bild- und Videoaufnahmen mit einem CCD-Sensor,
  • mithilfe von speziellen Programmen auch Text aus einem gescannten Dokument heraus,
  • Temperatur,
  • Magnetfelder

Der Sensor misst die physikalische Größe und gibt sie in Form einer – noch analogen – elektrischen Spannung wieder. Diese Spannung wird anschließend mit einem Analog-Digital-Umsetzer in einen digitalen Wert, in Form eines (meist elektrischen) Digitalsignals, umgesetzt. Von hier an ist die Größe digitalisiert und kann von einem digitaltechnischen System (z. B. dem Heim-PC oder auch digitalen Signalprozessoren) weiterverarbeitet oder gespeichert werden (z. B. auf einer CD oder einem USB-Stick).

Die heutige Digitaltechnik verarbeitet in der Regel ausschließlich binäre Signale. Da bei diesen nur zwischen zwei Signalzuständen unterschieden werden muss (0 oder 1 bzw. low oder high), sind dadurch die Anforderungen an die Genauigkeit der Bauteile geringer – und infolgedessen auch die Produktionskosten.

Repräsentation digitaler Daten

Wie die digitalisierten Werte anschließend im System intern dargestellt werden, hängt vom jeweiligen System ab.

Im allgemeinen Sprachgebrauch ist eine Weiterverarbeitung mithilfe des Computers gemeint. In diesem Fall gibt es verschiedenste Arten, die digitalisierten Informationen darzustellen. Meistens wird das Digitalisat in einer Datei gespeichert, deren Format von der Art der Information, den verwendeten Programmen und auch der späteren Nutzung abhängt.

Dabei kann man drei verschiedene Grundformen unterscheiden:

Universalcode

Hierbei existiert eine stark begrenzte Anzahl von Zeichen (beispielsweise im ASCII), mit denen eine einfache Struktur von Informationen (beispielsweise Sätze) transportiert werden kann. Eine typische Anwendung ist die digitalisierte Übertragung von Text. Dabei wird nicht das Aussehen der Buchstaben, sondern nur der Buchstabe selbst übertragen. Das Aussehen wird erst im Endgerät (Monitor, Drucker, …) erzeugt. Die Übertragung eines Universalcodes ist unkompliziert und genügsam.

Matrixcode

Dieser wird für den Transport komplexer Informationen (beispielsweise eines Fotos) benutzt. Innerhalb eines festgelegten Raumes (häufig einer Fläche) wird ein gleichmäßiges Raster (= die Matrix) gebildet. Der gesamte Raum (Fläche) ist dabei in gleich große Elemente (beispielsweise Pixel) aufgeteilt. Für jedes Element ist eine gewisse Anzahl an Informationsvolumen (beispielsweise Bits und Bytes) freigehalten. Dieses Freihalten erfolgt auch, wenn innerhalb des festgelegten Raumes (Fläche) an dieser Stelle keine Information enthalten ist (beispielsweise das Bild an einer Stelle leer ist).

Die Übertragung eines Matrixcodes ist technisch aufwendig und speicherintensiv.

Vektorcode

Ein Vektorcode beschreibt Aussehen und Koordinaten einer Kurve innerhalb eines Raumes (oder einer Fläche). Ein typischer Anwendungsfall ist das Aussehen von Buchstaben. Der Vektorcode beschreibt dabei die Krümmung, Länge und Intensität der Linien, die z. B. das Aussehen eines Schriftzeichens bestimmen oder eine Grafik beschreiben. Die Übertragung eines Vektorcodes ist sparsam, aber technisch aufwendig.

Endprodukt

Das Endprodukt einer Digitalisierung besteht aus einer oder mehreren Dateien, die (in Anlehnung an Begriffsbildungen wie Kondensat oder Korrelat) Digitalisat genannt werden.

Beispiel A
Ein Foto wird für den Druck digitalisiert:
  • Es entsteht eine Datei mit den gewünschten Bildpunkten.
Beispiel B
Eine Seite mit Text und Fotos wird digitalisiert und als PDF-Datei gespeichert:
  • Die entstandene PDF-Datei besteht aus mehreren Einzelelementen: Raster-, Vektor- und Textdaten.
  • Durch das Format PDF werden die Einzelelemente auf jeweils speichersparende Art in einer Datei untergebracht.
  • Die Einzelelemente stellen vollwertige Digitalisierungen (einzelner Teile) dar. Aber erst die Verbindung der Einzelelemente im Endprodukt erzeugt eine nutzbare Datei, denn diese nutzbare Datei verknüpft die Einzelelemente in der ursprünglichen Anordnung (Layout).

Gründe für die Digitalisierung

Das Vorliegen von Informationen und Daten in digitaler Form besitzt u.a. folgende Vorteile:

  • Digitale Daten erlauben die Nutzung, Bearbeitung, Verteilung, Erschließung und Wiedergabe in elektronischen Datenverarbeitungssystemen.
  • Digitale Daten können maschinell und damit schneller verarbeitet, verteilt und vervielfältigt werden.
  • Sie können (auch wortweise) durchsucht werden.
  • Der Platzbedarf ist heute deutlich geringer.
  • Auch bei langen Transportwegen und nach vielfacher Bearbeitung sind Fehler und Verfälschungen (z. B. Rauschüberlagerungen) im Vergleich zur analogen Verarbeitung gering oder können ganz ausgeschlossen werden.

Ein weiterer Grund für die Digitalisierung analoger Inhalte ist die Langzeitarchivierung. Geht man davon aus, dass es keinen ewig haltbaren Datenträger gibt, ist ständige Migration ein Faktum. Fakt ist auch, dass analoge Inhalte mit jedem Kopiervorgang an Qualität verlieren. Digitale Inhalte bestehen hingegen aus diskreten Werten, die entweder lesbar und damit dem digitalen Original gleichwertig sind, oder nicht mehr lesbar sind, was durch redundante Abspeicherung der Inhalte beziehungsweise Fehlerkorrekturalgorithmen verhindert wird.

Schließlich wäre noch die Digitalisierung analoger Originale zur Erstellung von Benutzungskopien zu erwähnen, um die Originale zu schonen. Denn viele Datenträger, darunter Schallplatten, analog vorliegende Spielfilme und Farb-Diapositive, verlieren allein durch die Wiedergabe an Qualität.

Es sei angemerkt, dass der Schritt der Digitalisierung grundsätzlich mit Qualitätsverlust verbunden ist, weil die Auflösung „endlich“ bleibt. Ein Digitalisat kann jedoch in vielen Fällen so genau sein, dass es für einen Großteil der möglichen (auch zukünftigen) Anwendungsfälle ausreicht. Wenn diese Qualität durch das Digitalisat erreicht wird, spricht man von Preservation Digitisation, also der Digitalisierung zur Erhaltung (= Ersetzungskopie). Der Begriff verkennt jedoch, dass nicht alle zukünftigen Anwendungsfälle bekannt sein können. Beispielsweise ermöglicht eine hochauflösende Fotografie zwar das Lesen des Texts einer Pergamenthandschrift, kann aber z. B. nicht für physikalische oder chemische Verfahren zur Altersbestimmung der Handschrift verwendet werden.

Historische Entwicklung

Die Digitalisierung hat eine lange Entwicklung hinter sich. Bereits vor langer Zeit wurden Universalcodes verwendet. Historisch frühe Beispiele dafür sind die Brailleschrift (1829) und das Morsen (ab 1837). Das Grundprinzip, festgelegte Codes zur Informationsübermittlung zu benutzen, funktionierte auch bei technisch ungünstigen Bedingungen per Licht- und Tonsignal (Funktechnik, Telefon, Telegrafie). Später folgten Fernschreiber (u. a. unter Verwendung des Baudot-Codes), Telefax und E-Mail. Die heutigen Computer verarbeiten Informationen ausschließlich in digitaler Form.

Bereiche der Digitalisierung

Allgemein wird der Prozess der Digitalisierung von einem Analog-Digital-Umsetzer durchgeführt, welcher die analogen Eingangssignale in festgesetzten Intervallen, seien dies nun Zeitintervalle bei linearen Aufzeichnungen oder der Abstand der Fotozellen beim Scannen, misst (siehe auch Abtastrate) und diese Werte mit einer bestimmten Genauigkeit (siehe Quantisierung) digital codiert (siehe auch Codec).

Die fortschreitende Digitalisierung dringt mehr und mehr in die klassischen Bereiche der Kommunikation ein. Groß in Mode sind Internet, Mobiltelefon und Digitalfernsehen.

Je nach Art des analogen Ausgangsmaterials und des Zwecks der Digitalisierung werden verschiedenste Verfahren eingesetzt.

Digitalisierung von Text

Bei der Digitalisierung von Text wird das Dokument zuerst genauso wie ein Bild digitalisiert, d. h. gescannt. Soll das Digitalisat das ursprüngliche Aussehen des Dokumentes möglichst genau wiedergeben, erfolgt keine weitere Verarbeitung und es wird nur das Bild des Textes abgespeichert.

Geht man davon aus, dass lediglich der sprachliche Inhalt der Dokumente von Interesse ist, so wird das digitalisierte Textbild von einem Texterkennungsprogramm zurück in einen Zeichensatz übersetzt (z. B. ASCII oder bei nicht-lateinischen Buchstaben Unicode) und anschließend nur der erkannte Text gespeichert. Der Speicherbedarf ist dabei erheblich geringer, als für das Bild, allerdings gehen u. U. Informationen verloren, die nicht im reinen Text dargestellt werden können (z. B. die Formatierung).

Eine weitere Möglichkeit ist die Kombination aus beidem, dabei wird neben dem digitalisierten Bild des Textes noch der Inhalt erkannt und als Metadaten hinterlegt. So kann im Text nach Begriffen gesucht werden, aber dennoch das (digitalisierte) Originaldokument angezeigt werden (z. B. bei Google Books).

Digitalisierung von Bildern

Um ein Bild zu digitalisieren, wird das Bild gescannt, das heißt in Zeilen und Spalten (Matrix) zerlegt, für jeden der dadurch entstehenden Bildpunkte der Farbwert ausgelesen und mit einer bestimmten Quantisierung gespeichert. Dies kann durch Scanner, digitale Fotografie, durch satellitengestützte oder medizinische Sensoren erfolgen. Zur finalen Speicherung des Digitalisates können gegebenenfalls Methoden der Bildkompression eingesetzt werden.

Bei einer Schwarz-Weiß-Rastergrafik ohne Grautöne nimmt dann der Wert für ein Pixel die Werte 0 für Schwarz und 1 für Weiß an. Die Matrix wird zeilenweise ausgelesen, wodurch man eine Folge aus den Ziffern 0 und 1 erhält, welche das Bild repräsentiert. In diesem Fall wird also eine Quantisierung von einem Bit verwendet.

Um ein Farb- oder Graustufenbild digital zu repräsentieren, wird eine höhere Quantisierung benötigt. Bei Digitalisaten im RGB-Farbraum wird jeder Farbwert eines Pixels in die Werte Rot, Grün und Blau zerlegt, und diese werden einzeln mit derselben Quantisierung gespeichert (max. ein Byte/Farbwert = 24 Bit/Pixel). Beispiel: Ein Pixel in reinem Rot entspräche R=255, G=0, B=0.

Im YUV-Farbmodell können die Farbwerte eines Pixels mit unterschiedlicher Quantisierung gespeichert werden, da hierbei die Lichtstärke, welche vom menschlichen Auge genauer registriert wird, von der Chrominanz (= Farbigkeit), die das menschliche Auge weniger genau registriert, getrennt sind. Dies ermöglicht ein geringeres Speichervolumen bei annähernd gleicher Qualität für den menschlichen Betrachter.

Digitalisierung von Druckfilmen

In Großformatscanner werden die einzelnen Farbauszüge der Druckfilme eingescannt, zusammengefügt und „entrastert“, damit die Daten wieder digital für eine CtP-Belichtung vorhanden sind.

Digitalisierung von Audiodaten

Die Digitalisierung von Audiodaten wird oft als „Sampling“ bezeichnet. Zuvor in analoge elektronische Schwingungen verwandelte Schallwellen (etwa aus einem Mikrofon) werden stichprobenartig schnell hintereinander als digitale Werte gemessen und gespeichert. Diese Werte können umgekehrt auch wieder schnell hintereinander abgespielt und zu einer analogen Schallwelle „zusammengesetzt“ werden, die dann wieder hörbar gemacht werden kann. Aus den gemessenen Werten würde sich eigentlich bei der Rückumwandlung eine eckige Wellenform ergeben: Je eckiger diese ist, umso gröber ist die Sampling-Frequenz. Dies kann aber durch mathematische Verfahren ausgeglichen werden (Interpolation). Die Bittiefe bezeichnet beim Sampling den „Raum“ für Werte in Bits, die u. a. für die Auflösung des Dynamikumfangs notwendig sind. Ab einer Samplingfrequenz von 44,1 kHz und einer Auflösung von 16 Bit spricht man von CD-Qualität.

Aufgrund der großen anfallenden Datenmengen kommen verlustfreie und verlustbehaftete Kompressionsverfahren zum Einsatz. Diese erlauben, Audiodaten platzsparender auf Datenträgern zu speichern (s. flac, MP3).

Gängige Dateiformate für Audio sind: wav, aiff, flac, mp3, aac, snd oder ogg Vorbis.

Gängige Umsetzverfahren siehe Analog-Digital-Umsetzer.

Optische Abtastung von Schallplatten

Tonträger wie Schallplatten können berührungslos softwaregestützt gelesen und digitalisiert werden, indem ein hochauflösendes optisches Digitalisat des Tonträgers von einem Programm „abgetastet“ wird. Dieses Verfahren wird bei der Rekonstruktion historischer Tonaufnahmen verwendet.[3][4]

Digitalisierung in der Messtechnik

Digitalisierung von archäologischen Objekten

Hierbei handelt es sich meistens um die digitale Erfassung archäologischer Objekte in Schrift und Bild. Alle verfügbaren Informationen (Klassifizierung, Datierung, Maße, Eigenschaften etc.) zu einem archäologischen Objekt (z. B. einem Gefäß, Steinwerkzeug, Schwert) werden digital erfasst, durch elektronische Abbildungen und Zeichnungen ergänzt und in einer Datenbank gespeichert. Anschließend können die Objekte in Form eines Daten-Imports in ein Objekt-Portal wie z. B. museum-digital integriert werden, wo die Objekte für jeden frei recherchierbar sind. Anlass für die Digitalisierung von archäologischen Objekten ist meist die Erfassung größerer Bestände wie archäologische Sammlungen an Museen oder der für die Bodendenkmalpflege zuständigen Ämter, um sie der Öffentlichkeit zu präsentieren. Da im musealen Alltag nie alle Objekte einer Sammlung in Form von Ausstellungen oder Publikationen gezeigt werden können, stellt die Digitalisierung eine Möglichkeit dar, die Objekte dennoch der breiten Öffentlichkeit und auch der wissenschaftlichen Welt zu präsentieren. Außerdem wird so eine elektronische Bestandssicherung vorgenommen, ein in Hinblick auf den Einsturz des historischen Archives der Stadt Köln nicht unwesentlicher Aspekt. In besonderen Fällen werden digitale bildgebende, nicht-zerstörende Verfahren verwendet, um die Fundsituation eines Objektes zu dokumentieren und eine Entscheidungsgrundlage für das weitere Vorgehen zur Sicherung und zur Restaurierung zu liefern, beispielsweise beim Goldhort von Gessel.

Soziale und ökonomische Folgen von Digitalisierung

Die grundlegenden Vorteile der Digitalisierung liegen in der Schnelligkeit und Universalität der Informationsverbreitung. Bedingt durch kostengünstige Hard- und Software zur Digitalisierung und der immer stärkeren Vernetzung über das Internet entstehen in hohem Tempo neue Möglichkeiten, aber auch Gefahren. Exemplarisch dafür ist der:

Kopierschutz

Die Möglichkeit der vereinfachten und verlustfreien Reproduktion hat zu verschiedenen Konflikten zwischen Erstellern und Nutzern digitaler Inhalte geführt. Industrie und Verwertungsgesellschaften reagieren auf die veränderten Bedingungen mit Strategien künstlicher Verknappung, insbesondere mit urheberrechtlicher Absicherung von geistigem Eigentum und der technologischen Implementierung von Kopierschutz.

Kostenveränderung

Ein wesentliches Merkmal digitaler Inhalte ist eine Veränderung der Kostenstruktur. Eine Kostenreduktion betrifft oft die Kopierbarkeit und den Transport (z. B. über das Internet). So werden die Kosten für jede weitere digitale Kopie (Produktionsgrenzkosten) nach der Erstellung des Originalinhaltes oft als gering gesehen.

Nach der Etablierung großer Unternehmen werden die Kosten nach derzeitigem Stand durch erhöhte Aufwendungen im Bereich der urheberrechtlichen Absicherung von geistigem Eigentum und der technologischen Implementierung von Kopierschutz erhöht. Auch die erwartete hohe Sicherheit der Datenübertragung und große Zuverlässigkeit der Computeranlagen wirken sich kostensteigernd aus. Zudem werden oft hohe Investitionen in zukünftige Technologien getätigt, die dann oft keine Rentabilität zeigen.

Verfügbarkeit

Einmal zentral im Internet zur Verfügung gestellt, können digitale Daten jederzeit und gleichzeitig überall auf der Welt zur Verfügung gestellt werden. Zudem entstehen keine Qualitätsverluste durch eine Kopie (im Gegensatz zu analogen Daten) und es entstehen vernachlässigbare Kosten durch den Bezug (es sei denn, es werden vom Anbieter explizit Nutzungsgebühren erhoben).

Einfluss auf das Rechtssystem

Die Digitalisierung ändert auch das Rechtssystem. Die Rechtswissenschaft beginnt gerade, sich mit diesem Problem zu befassen.[5] Die „Theorie des unscharfen Rechts“ geht davon aus, dass sich das Recht insgesamt in einer digitalisierten Umwelt grundlegend ändert.[6] Nach ihr relativiert sich die Bedeutung des Rechts als Steuerungsmittel für die Gesellschaft deutlich.[7]

Einfluss auf betriebliche Abläufe in Unternehmen

In den betrieblichen Abläufen eines Unternehmens ermöglicht die Digitalisierung eine Effizienzsteigerung und damit eine Verbesserung ihrer Wirtschaftlichkeit. Der Grund hierfür ist, dass Betriebsabläufe durch den Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnik schneller und kostengünstiger abgewickelt werden können als dies ohne Digitalisierung möglich wäre.[8] Dies wird beispielsweise durch die Umwandlung von physischen Dokumenten und analogen Informationen in eine digitale Form realisiert. Viele Unternehmen lassen beispielsweise Briefe, die sie in physischer Form erhalten, einscannen und per E-Mail verteilen.[9]

Literatur

Weblinks

Wiktionary: Digitalisierung – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Digitization – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. ↑ Martin Hilbert, Priscila López: The World’s Technological Capacity to Store, Communicate, and Compute Information. In: Science, 2011, 332(6025), S. 60-65; martinhilbert.net/WorldInfoCapacity.html (kostenfreier Zugriff auf den Artikel).
  2. ↑ The World’s Technological Capacity to Store, Communicate, and Compute Information from 1986 to 2010. (PDF) Abgerufen am 15. April 2015.
  3. ↑ irene.lbl.gov Sound Reproduction R & D Home Page
  4. ↑ Telefonpionier Alexander Graham Bell spricht. golem.de
  5. ↑ Boehme-Neßler, 2008
  6. ↑ Boehme-Neßler, 2008, S. 74 ff. und pass.
  7. ↑ Boehme-Neßler, 2008, S. 513 ff.
  8. ↑ Hess, 2013
  9. ↑ Gulbins et al., 2002
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