Das Zeitalter der "Digitalität"
In unserer technologischen Welt wird alles mehr und mehr digital, es scheint eine Selbstverständlichkeit zu sein, daß das Digitale dem Analogen immer überlegen ist. In der Werbung werden digitale Fernseher und digitale Kühlschränke angeboten, man trägt seine Digitaluhr am Handgelenk, und doch wissen viele nicht einmal die grundsätzlichen Unterschiede zwischen digital und analog.

Digital = "computermäßig"?
Wenn wir von digital reden, meinen wir oft so etwas wie "per Computer". Meist ist das auch direkt verknüpft, das Prinzip ist aber erst einmal unabhängig vom Computer. Andersherum funktioniert ein Computer allerdings nur digital, deshalb ist es auch nicht einfach, analoges mit einem digitalen Medium wie einer Internetseite zu veranschaulichen. Die hier verwendeten Beispiele analoger Dinge sind aus diesem Grund natürlich auch nicht wirklich analog, aber ich habe versucht, sie der analogen Welt so weit wie möglich anzunähern, um die Unterschiede hervorzuheben, genauso wie die digitalen Dinge "extrem digital" dargestellt sind. Die Bilder ergeben nur bei Bildschirmeinstellungen von mindestens 32000 Farben einen Sinn, ansonsten wirken auch die "analogen" einfach "zu digital".

Ist digital besser?
Grundsätzlich bieten beide Arten der Informationsspeicherung Vor- und Nachteile. Der Vorteil von analogen Informationen liegt in erster Linie in der Unendlichkeit (dazu später mehr). Digitale Informationen sind immer endlich, insofern ist das analoge dem digitalen eigentlich überlegen. Allerdings kann man auf digitale Informationen viel einfacher zugreifen, außerdem lassen sie sich leichter kopieren und digitale Kopien sind darüberhinaus immer absolut identisch zum Original. Tendenziell sind digitale Informationen auch haltbarer als analoge.

Die Unendlichkeit zwischen den Zahlen
In der natürlichen Welt ist praktisch alles analog - wenn man die atomare Ebene vielleicht ersteinmal ausklammert. Das beinhaltet auch, daß zwischen den Zahlen Null und Eins unendlich viele weitere Zahlen existieren, z.B. Einhalb, ein Viertel, ein Achtel usw. Genauso gibt es zwischen den Farben rot und gelb beliebig viele Orangetöne. Um die graphischen Fähigkeiten eines Computers anzugeben, bedient man sich unter anderem der maximalen Anzahl der Farben, die dieser wiedergeben kann. Moderne Grafikkarten können zig Millionen verschiedener Farben darstellen, mehr als genug (und mehr als wir mit dem menschlichen Auge unterscheiden können). Aber warum sind es nicht unendlich viele? Genauso spricht man von der Auflösung eines Bildschirms oder einer Digitalkamera als die maximale Anzahl von Bildpunkten, die diese darstellen können. Bei herkömmlichen (analogen) Fotokameras findet man diese Angabe nicht, weil es praktisch keine Beschränkung gibt.

ein analoger Farbverlauf mit unendlich vielen Zwischentönen

ein digitaler Farbverlauf mit in diesem Fall 6 Farbnuancen

Digitale Informationen sind "gerastert"
Wenn man ein Bild digitalisiert, muß man die unendliche Fülle von Informationen rastern, man legt also eine Art Gitter über das Bild und alle Bildpunkte innerhalb eines Gitterfeldes erhalten dieselbe Farbe. Zunächst einmal gibt es im digitalen nur schwarz und weiß (oder zwei andere Extremwerte wie rot und blau, die man beliebig definieren kann, jedenfalls sind es zwei verschiedene), und man muß die ursprünglichen Farben sehr grob annähern. Meist bezeichnet man schwarz mit der Ziffer Null und weiß mit Eins und erhält auf diese Weise ein sogenanntes Bitmuster des Bildes (vor allem bei Bildern spricht man auch von Bitmaps - übersetzt: "Landkarten aus Bits"). Und mit diesen künstlich beschränkten Informationen kann man einige Dinge anstellen, die mit unendlich gefächerten zumindest schwieriger zu bewerkstelligen wären.

ein analoges Bild

dasselbe Bild digital gerastert

Mehr als nur schwarzweiß
Weil die Realität aber nicht nur schwarzweiß ist, möchte man gern auch Grauwerte zwischen scharz und weiß haben. Unendlich viele Grauwerte wie in der Realität sind im Digitalen nicht möglich. Aber durch Zuhilfenahme mehrerer Bits für jeden Bildpunkt kann man immerhin eine endliche Anzahl von Grauwerten kodieren. Es funktioniert so ähnlich wie das Morse-Alphabet, statt kurz-lang-lang-kurz schreibt man eben 0-1-1-0 und meint damit z.B. "mittelgrau". Eine andere Möglichkeit wäre, einfach ein sehr feines Raster zu nehmen, und die Rasterfelder immer abwechselnd - so wie auf einem Schachbrett - schwarz und weiß zu färben. Wenn diese "Schachfelder" klein genug sind, sieht das aus wie grau. Beim Druck von Fotos, z.B. in Zeitungen, bedient man sich gern dieses Mittels. Wenn man sich solche Bilder unter der Lupe ansieht, erkennt man leicht ein solches Schwarzweiß-Raster.

Ein Schachbrettmuster kann verwendet werden, um zwei Farben zu mischen. Je feiner das Muster ist, desto gelungener ist die Illusion einer Mischfarbe.

Digitale Farben
Wenn man für jede der drei Grundfarben solch ein Raster erstellt, kann man fast jede beliebige Farbe darstellen. Wer eine weiße Fläche auf dem Bildschirm unter der Lupe anschaut, wird feststellen, daß sie aus ganz vielen kleinen roten, grünen und blauen Leuchtelementen besteht (weil Fernseher in der Regel gröbere Bildpunkte haben, sieht man es dort leichter). Man kann trotzdem nicht wirklich alle Farben darstellen, weil ein Computerbildschirm z.B. nicht beliebig helle Farben erzeugen kann, es gibt ein hellstes weiß, dann ist Schluß. Außerdem gibt es eben z.B. nicht beliebig viele Rotabstufungen, denn dafür bräuchte man ja beliebig viele und damit beliebig lange "Morse-Kodierungen" (oder beliebig viele Zahlen zwischen null und eins), mit drei Bits lassen sich z.B. aber nur acht Werte kodieren (nimmt man mehr Bits, werden es mehr Nuancen, aber niemals unendlich viele).

000 - schwarz (0)
001 - rötlichschwarz (1)
010 - dunkeldunkelrot (2)
011 - dunkelrot (3)
100 - mittelrot (4)
101 - hellrot (5)
110 - leuchtendrot (6)
111 - gleißendrot (7)

Das ist natürlich nur ein Beipiel für eine der möglichen Kodierungen, man könnte die Codes auch für ganz andere Rotwerte verwenden. Es macht aber einen gewissen Sinn, diese Reihenfolge zu wählen, weil 000 bis 111 genau den ersten acht Zahlen im binären Zahlensystem entsprechen. Damit kann man sogar rechnen: 010 + 100 = 110 (oder 2 + 4 = 6 oder dunkeldunkelrot + mittelrot = leuchtendrot). Bitmuster kann man also als Zahlen auffassen, und zwar als ganze Zahlen, denn zwischen eins und zwei (und drei und vier) fehlen sämtliche "Kommazahlen". Digitale Zahlen spiegeln demnach gerundete Werte wieder.

Jeder Bildpunkt wird mit mehr als nur einem Bit verschlüsselt, um Grauwerte zu erreichen.

Wenn man Helligkeitswerte für jede Grundfarbe speichert, erhält man bei entsprechend feinem Raster ein dem analogen sehr ähnliches Bild.

Akkustik
So ziemlich alle Arten von Informationen, die in der realen Welt in analoger Form vorliegen, lassen sich digitalisieren. Akkustische Töne z.B. sind nichts weiter als feine und sehr schnelle Luftdruckschwankungen. Wenn wir einen Ton wahrnehmen, vibriert die Luft in der Regel mit mehreren hundert Schwingungen pro Sekunde, je schneller, desto höher hört sich ein Ton an (440 Hz - also 440 Schwingungen pro Sekunde - wären z.B. ein hohes A). Luft wird durch eine schwingende Saite, unsere vibrierenden Stimmbänder oder beliebige andere "zitternde" Objekte dazu angeregt, in derselben Frequenz mitzuschwingen. Wenn diese Luftschwingungen (die sich logischerweise mit Schallgeschwindigkeit fortbewegen) unser Ohr erreichen, regen sie ihrerseits das Trommelfell an zu schwingen, und unser Nervensystem verarbeitet das Signal wieder zu Tonhöhen und Klangfarben (Klangfarbe entsteht durch die Form der Schwingung, z.B. langsam hin und schnell zurück klingt anders als schnell hin, kurz gleich und schnell zurück). Unser Gehör leistet erstaunliches in dieser Beziehung, immerhin verarbeitet es bei hohen (unangenehmen) Tönen mehr als 10000 Schwingungen pro Sekunde (nicht bei jedem Menschen ist diese Grenze gleich, Kinder haben z.B. meist ein besseres Gehör als Erwachsene).

Digitale Töne
Ein Mikrofon kann genau wie unser Trommelfell Töne auffangen und in (immer noch analoge) elektrische Impulse (hohe und niedrige Spannungen statt hohem und niedrigem Luftdruck) umwandeln, und elektrische Imulse können mit einem AD-Wandler auf einfache Weise in digitale Bitmuster (also Zahlen) umgewandelt werden, die ein Computer verarbeiten und auch wieder ausgeben kann. Ein Lautsprecher ist im Grunde dasselbe wie ein Mikrophon, nur "rückwärts" und in der Regel weniger empfindlich. Die Wiedergabe von digtalen Audiodaten funktioniert also auf gleichem Wege rückwärts (prinzipiell kann man ein Mikrophon auch als Lautsprecher verwenden, meist sind aber Dioden eingebaut, die als "Ventile" agieren und den "Rückwärtsgang" verbieten). Zur graphischen Darstellung eines Klangs trägt man meistens die Zeit in der Längsachse und den "Luftdruck" in der vertikalen Achse ab, so kann man die feinen Luftdruckschwankungen nachvollziehen, die den Klang bilden (übrigens hat dieser "Luftdruck" nicht direkt etwas mit dem Wetter zu tun, weil ein Klang nur aus ganz feinen Luftdruckvibrationen besteht, genausowenig wie eine Welle auf der Wasseroberfläche die Tiefe eines Sees wesentlich verändert).

Klänge lassen sich graphisch in Wellenform darstellen. Ein Ausschnitt wie dieser enspricht etwa einer hundertstel Sekunde.
Je feiner man die Rasterung wählt, umso ähnlicher wird ein digitalisierter Klang dem Original. Der Ton klingt dann klarer und weniger verrauscht, wenn man ihn wieder analog zurückwandelt.

Klänge als Wellen
Und genau in Form einer Welle speichert man einen Klang meistens, wenn man ihn digitalisiert. Nur ist die Genauigkeit geringer als die der wirklichen Schallwelle aufgrund der Rasterung, die auch hier wieder zum Einsatz kommt. Je feiner diese gewählt wird, desto klarer wird der Klang. Allerdings fallen dann auch größere Datenmengen an, und dafür braucht man mehr Speicherplatz und mehr Zeit für die Bearbeitung. Ein in CD-Qualität gespeicherter Sound hat eine Rasterung von 44100 "Luftdruckwerten pro Sekunde", damit kann man Töne bis zu 22050 Hz aufnehmen (die Hälfte, weil jede Schwingung ja hin und her schwingt), das entspricht einem höheren Ton als die allermeisten Menschen (zumindest bewußt) wahrnehmen können. Die vertikale Rasterung gibt man in Bit an, je mehr Bits man verwendet, desto feiner wird der Luftdruck jeweils gemessen (genauso wie bei der Anzahl der Farben von Bildern). Mit den bei CD-Qualität üblichen 16 Bit lassen sich mehr als 65000 verschiedene Werte unterscheiden, ausreichend für unser menschliches Gehör (nur bei sehr leisen Tönen, für die unser Gehör empfindlicher ist, können wir vielleicht einen Unterschied zum Analogsignal raushören).

Ein Ton mit maximaler Frequenz für das verwendete Raster besteht aus abwechselnd hohen und niedrigen "Balken". Da die Frequenz eines Tons dessen Höhe wiederspiegelt, sind keine höheren Töne möglich, und auch solch hohe in der Regel stark verzerrt (weil man ihre genaue Form nicht mehr rekonstruieren kann).

Anpassung an den Menschen (und umgekehrt?)
Generell ist unsere digitale Welt - zumindest mittlerweile, nachdem die Digitaltechnik in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht hat - genau auf uns Menschen ausgerichtet. Eine Fliege sieht mit ihren Facettenaugen ein viel gröberes Bild und wäre schon mit wesentlich schlechteren Computerbildschirmen zufrieden - allerdings würde sie sich am heftigen Flimmern stören, denn Fliegen sehen viel mehr Einzelbilder pro Sekunde.

Qualitätssteigerung
Da digitale Informationen ja stets gröber sind als analoge, hat man sich Tricks einfallen lassen, das ein wenig auszugleichen. Bei Musik verwendet man z.B. gern Interpolationsverfahren, um das gerasterte und damit eckige Signal etwas weicher klingen zu lassen, wenn man es wieder hörbar (und damit analog) macht. Dabei werden einfach gerade Linien über die eckigen Werte gezogen, kompliziertere Verfahren nähern das Signal durch rundere Kurven an. Daß man dabei aber genau den Originalklang wiederherstellen kann, ist eine Illusion.

unbearbeitete "rechteckige" Schallwelle	(linear) interpolierte Schallwelle
Die Qualität der (analogen) Ausgabe eines Klangs wird besser, wenn man nicht einfach die Höhe des digitalen "Balkens" verwendet, sondern die "Balken" durch Linien oder Kurven verbindet. Trotzdem bleiben ungewollte Ecken oder zumindest kleine Abweichungen vom Original.

Weniger ist manchmal mehr...
Auf jeden Fall beinhaltet ein digitales Bild (oder ein digitaler Sound) weniger Informationen als die analoge Fassung. Aber wenn man das Raster fein genug macht, kann der Mensch keine Unterschiede mehr zwischen analog und digital mit seinen Sinnen wahrnehmen, die einfach nicht fein genug dafür sind. Und wer ein Bild mit 24 Millionen Farben einscannt, dem ist es wahrscheinlich egal, daß es nun nicht mehr ganz unendlich viele sind. Wenn der Drucker anschließend (ungewollt) nicht hundertprozentig exakt druckt, werden es sowieso wieder mehr Farben sein, nur höchstwahrscheinlich nicht dieselben wie beim Original. Und wenn man Bilder oder Töne einmal digitalisiert, dann auf vielfältige Weise bearbeitet, und erst zum Schluß wieder analog macht, spart man sich Qualitätseinbußen beim Umwandeln, denn dort liegt oft der größte Qualitätsverlust. Digital bearbeitete Informationen kommen uns oft qualitativ hochwertiger vor, genau deshalb weil es für digitales einfacher ist als für analoges, Maschinen (wie Computer) zu entwickeln, die Daten mit minimalen Störungen bearbeiten (je feiner das Raster, desto weniger Störungen entstehen dabei). Weil man die analoge Welt nicht so gut im Griff hat, arbeitet man lieber in der selbst geschaffenen digitalen, die zwar nicht ganz so perfekt ist wie die Realität, aber wo alles schön einheitlich ist, und wo man alles punktgenau verändern kann, die einzelnen Punkte sind ja nicht so klein wie im Analogen (mittlerweile sind sie jedoch schon ziemlich klein, wir sind auf dem besten Wege, Computer zu konstruieren, die mit einzelnen Atomen umgehen können).

Weniger bleibt meistens mehr...
Dadurch, daß man an der Anzahl der gespeicherten Informationen Abstriche macht, wird jede einzelne Informationseinheit also unter Umständen "schärfer". Und sie "vergilbt" auch nicht so leicht in digitaler Form. Herkömmliche Fotographien z.B. verlieren nach einiger Zeit ihren Kontrast, das liegt einfach daran, daß alles in unserer Welt bestrebt ist, einen möglichst ausgeglichenen Zustand zu erreichen, aus Bergen und Tälern wird mit der Zeit flaches Land. Vergilbte Fotos sind nur mit entsprechendem Aufwand und unter Qualitätsverlust wieder in ihren (mehr oder weniger) ursprünglichen Zustand zurückversetzbar. Bilder, die digital auf einem Medium wie einer Festplatte gespeichert sind, "vergilben" zwar auch, aber weil es dort nur "schwarz" und "weiß" gibt, ist das nicht so schlimm. Man kann auch bei "vergilbten" digitalen Informationen noch erkennen, ob sie "schwarz" oder "weiß" sein sollen und so das Original ohne Qualitätsverlust wiederherstellen. Nur wenn digitale Informationen einen bestimmten "Vergilbungsgrad" überschritten haben, geht das nicht mehr, und im Gegensatz zu analogen Informationen sind zumindest Teile davon dann vollständig verloren. Auch hier gilt also das "Ganz-oder-garnicht-Prinzip", eine (analoge) Langspielplatte leidet durch Kratzer allmählich, einer (digitalen) CD macht ein kleiner Kratzer überhaupt nichts aus, ein großer hingegen kann sie komplett zerstören. Beim Digitalisieren macht man gewissermaßen einmal Abstriche in der Qulität, um ab dann keine Abstriche mehr machen zu müssen. Man mag entgegenhalten, daß es Informationen gibt, die seit Jahrtausenden in analoger Form erhalten geblieben sind, z.B. in den ägyptischen Pyramiden. Allerdings wurden diese mit erheblich mehr Aufwand hergestellt als handelsübliche CDs, die vermutlich im besten Fall 50 Jahre überdauern, und würde man eine CD in der Größe einer Pyramide anfertigen, so würde das deren Haltbarkeit auch drastisch erhöhen (man brächte aber gigantische Laser, um an die Informationen ranzukommen).

Auch digitale Bilder "vergilben" mit der Zeit - allerdings kann man die Informationen oft immer noch exakt auslesen.

Die Geschichte der "Digitalität"
Im Grunde war der Mensch schon immer bestrebt, Informationen zu vereinfachen, nicht erst seit Konrad Zuse 1935 den Grundstein für die Entwicklung des Computers gelegt hat. Buchstaben und geschriebener Text sind ein Beispiel. Dadurch daß man Sprache aufschreibt, indem man sie mit Buchstaben kodiert, gehen Informationen verloren. Man weiß unter anderem nicht mehr so ganz genau, wie ein Text ausgesprochen werden soll. Wie bei der Computertechnik hat man sich Tricks einfallen lassen, um mehr Informationen in einem Text zu hinterlegen. "Hallo!" und "Hallo?" geben z.B. Hinweise auf die erwünschte Betonung, trotzdem werden 100 verschiedene Menschen die beiden Worte auf 100 verschiedene Arten betonen. Oft braucht man aber gar nicht so genaue Informationen, und die komprimierte Form hat andere Vorteile, z.B. bei der Vervielfältigung und Lagerung.

Wie analog ist die reale Welt wirklich?
Um digitale Informationen den analogen immer ähnlicher zu machen, muß man sie verkleinern, und diese Entwicklung vollzieht sich seit Erfindung der Computer (die anfangs mehrstöckige Häuser füllten und nicht mehr leisteten als heutige Taschenrechner) in rasanter Geschwindigkeit. Wenn digitale Informationen nur fein genug sind, kann man sie von der Wirklichkeit nicht mehr unterscheiden. Auch die Wirklichkeit ist in einem gewissen Sinne digital aufgebaut. So können Atome nur bestimmte Zustände haben, sogar Energien sind laut Quantentheorie "gerastert", nur eben sehr, sehr fein. Auf Schwarzweißfilmen gibt es nur komplett schwarze oder komplett weiße Silberbromid-Ionen, nichts dazwischen, nur weil sie sehr, sehr klein sind, erkennen wir Grauwerte und kein "Schachbrettmuster". Und auch auf analogen Schallplatten gibt es eine maximale Tonhöhe (nur ist die nicht exakt definiert, sondern die Grenze verschwimmt), ganz einfach weil eine Schallplattennadel nicht unendlich schnell hin- und herschwingen kann. Trotzdem fühlt sich anloges oft natürlicher an als digitales, vielleicht weil wir es einfach so gewohnt sind als Menschen, vielleicht auch weil die Digitaltechnik doch noch nicht weit genug entwickelt ist. Und man versucht die digitale Welt krampfhaft weniger "rechteckig" und weniger perfekt zu machen - also die Rundungsfehler beim Digitalisieren wieder künstlich zu ergänzen, oder rein synthetisch erzeugten Daten diese überhaupt ersteinmal zu geben - um sie natürlicher wirken zu lassen. Der Mensch braucht einfach kleine Fehler und Schwankungen, um sich wohlzufühlen, selbst zu gleichmäßige Musik wirkt unschön. Jedenfalls wird die Zukunft noch mehr verblüffende digitale Wunder hervorbringen. Wir sollten dabei aber nicht vergessen, daß das Analoge auch seine Berechtigung hat und oftmals sogar Vorteile. Abgesehen davon sind auch digitale Maschinen ein Teil der analogen Welt und müssen zumindest auf unterster Ebene analoge Prinzipien nutzen.