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Code binaire et numérisation de l’information

Le codage binaire : Le digital (ou numérique) est basé sur la numérisation des informations (son, image, texte, …) c’est-à-dire transformées en une succession de 0 et de 1 qu’on appelle des bits. On rassemble ces bits sous la forme d’octets, c’est-à-dire 8 bits.

L’ordinateur, la tablette ne comprennent que le langage binaire, une suite de 0 et de 1. L’algèbre de Boole est l’outil de base du numérique (une formulation mathématique d’un raisonnement logique). Elle est basée sur des éléments binaires 0 et 1 et des opérateurs logiques ET, OU, NON, … De nos jours, l’algèbre booléenne trouve toujours de nombreuses applications, notamment en informatique et pour la conception des circuits électroniques.
Nous utilisons l’algèbre de Boole parfois sans le savoir, par exemple, pour des requêtes sur un moteur de recherche…

 Numériser l’information :
Numériser les informations (texte, image, son, …), c’est les coder en binaire : Codage du texte, des chiffres, du son et de l’image, de la vidéo…et des objets !

 – La numérisation du texte, des chiffres : ascii

Le code ASCII (American Standard Code for Information Interchange) est le code le plus couramment utilisé pour coder les caractères (lettres, chiffres, signes, …). Ils sont représentés sur 7 bits soit par des valeurs comprises entre 0 et 127, puis sur 8 bits pour pouvoir coder plus de caractères (0 à 256).

L’interactif I2 Coder en binaire : faire comprendre les principes de ce codage en deux étapes : coder des nombres et coder des lettres. Ces deux étapes se déroulent en temps limité. Possibilité de jouer seul ou à deux joueurs en mode défi.

– La numérisation du son

 La numérisation du son est à l’origine des dispositifs de synthèse et de reconnaissance vocale, utilisés par des systèmes automatiques. La synthèse consiste à générer une voix à partir d’informations stockées dans un ordinateur. Ex : voix de la SNCF. Inversement, la reconnaissance vocale offre la possibilité à l’ordinateur d’utiliser les paroles qui lui sont adressées. Il les transforme en texte écrit ou bien exécute des instructions. Ex : dicter un texte à un ordinateur, composer un numéro de téléphone en prononçant le nom du correspondant ou bien de piloter des machines à commande vocale.

La numérisation est donc caractérisée par :
– La fréquence d’échantillonnage c’est à dire le nombre de mesures effectuées chaque seconde,
– La finesse de la quantification  (ou résolution) c’est-à-dire le nombre de bits utilisés pour exprimer la valeur de l’échantillon.

L’interactif I3 Numériser votre voix : les différentes étapes du codage numérique du son et l’influence des différents paramètres : Acquisition du signal, Echantillonnage du signal, Quantification et codage du signal. Le visiteur peut jouer avec sa voix.

– La numérisation de l’image
La numérisation de l’image est à l’origine de nombreux dispositifs tels que les photos numériques, les scanners, les photocopieurs,…
La numérisation de l’image est réalisée point par point.
La lumière est convertie en signal électrique point par point par des dispositifs photosensibles, généralement des capteurs CCD. A chaque cellule du capteur correspond un pixel. Une image numérique se décompose donc en petits carrés, appelés pixels.

L’interactif I4 Numériser une image  est organisé en quatre étapes : Acquisition de l’image, Définition et résolution, Séparation des couleurs, Quantification et codage. Le visiteur peut jouer avec sa photo, avec différents filtres. Chaque pixel correspond à une couleur unique. Cette couleur est obtenue à partir de 3 valeurs décimales (de 0 à 255) correspondant à une certaine quantité de rouge, de vert, et de bleu  (RVB). Chacune de ces valeurs composant l’image est codée en 0 et 1.

– La vidéo

C’est une succession d’images à fréquence élevée. Pour limiter le débit nécessaire à la transmission de la vidéo, de nombreux travaux ont été réalisés, essentiellement sur le codage et la compression : par exemple en ne transmettant que les différences entre deux images successives. Les résultats obtenus permettent d’envisager la transmission de vidéo en Ultra Haute Définition. L’Ultra HD (3840 X 2160) est un format vidéo de télévision numérique qui succède à la « HD ready  » puis au « full HD ». Entre le Full HD et l’Ultra HD, la définition est multipliée par 4 : on passe de 2 à 4 millions de pixels. Le 4K étant un format utilisé au cinéma par les professionnels. Il est généralement de 4096 x 2160 mais peut varier selon les ratios voulus.

Cette numérisation de l’information permet son traitement et son stockage par des dispositifs électroniques, comme l’ordinateur, une tablette…

Supports de stockage informatique

Le traitement de l’information a nécessité le stockage des données à traiter ou les résultats de ces traitements. Les objets en vitrine permettent d’appréhender l’évolution des différents supports de stockage de l’information. : De la carte perforée stockant 80 caractères (soit environ 700 octets) à la clé USB de 256 Go (1To aujourd’hui)

 Objets présentés :
1. Cartes perforées
– Utilisées de 1930 à 1970.
– Capacité de stockage : 80 caractères par carte : 700 octets

Capture d’écran 2015-02-18 à 15.09.38

2. Bande magnétique d’ordinateur.
– Utilisée à partir de 1950 et généralisée dans les années 1970.
– Capacité de stockage en 1970 : plus de 800 octets
3. Disque dur MFM
– Un des premiers disques durs pour PC utilisé dans les ordinateurs de type PC XT, à partir de 1983.
– Capacité de stockage : 20 Mo
4. Disque dur IDE
– Utilisé après les disques durs MFM dans les années 1990.
– Capacité de stockage : plus de 500 Go

Capture d’écran 2015-02-18 à 15.12.04

5. Disquettes
– 5a Disquette 8 pouces : 80 Ko
– 5b Disquette 5 pouces . : 360 Ko
– 5c Disquette 3 pouces ó : 1,44 Mo

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6. CD-ROM, DVD-ROM, disque Blu-ray
– Médias généralement utilisés à partir des années 90.
– 6a CD-ROM : plus de 650 Mo
– 6b DVD-ROM : plus de 5 Go
– 6c Disque Blu-ray : plus de 25 Go

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7. Disque SSD
– Capacité de stockage : plus de 3 To

Capture d’écran 2015-02-18 à 15.13.518. Clé USB
– Capacité de stockage : 256 GO – 1Go en 2001 – 1To aujourd’hui

Comparaison des capacités de stockage des différents supports :
Une photo couleur classique, c’est 2 Mo.
Il faudrait presque 3000 cartes perforées ou 20 disquettes pour stocker des photos de ce type.
Un CD-Rom peut stocker environ un peu plus de 300 photos, un DVD 2 500, un disque blue-ray 12 500….

Le cloud, un espace de stockage virtuel : pour le grand public, le Cloud, c’est la possibilité d’accéder à ses contenus (courriels, musique, photos, vidéos, applications…), à tout instant et depuis n’importe où. Chaque utilisateur a un espace de stockage qui lui est alloué. On assiste à la croissance exponentielle de la capacité de stockage et à la densité des dispositifs de stockage.

 Evolution du stockage

La croissance massive des données échangées fait du stockage des informations un enjeu majeur. Trois défis sont à relever :
– La densité : toujours plus de données dans moins de place
– La robustesse / fiabilité : résistance au feu, aux chocs, à la température, aux ondes, … Qui n’a pas perdu le contenu d’une disquette ?
– La pérennité : pourvoir être relue dans des plusieurs dizaines d’années. Exemple : les cassettes vidéo Betamax qui ne sont plus lisibles.

Pour y parvenir, de nombreuses pistes sont explorées pour le futur : les disques de quartz, disque optique en tungstène, ferritine, l’ADN, les nanotechnologies, …

Evolution des composants électroniques

Les traitements numériques sont réalisés par des composants électroniques.
Une étape importante est franchie avec l’arrivée dans les années 1970, des microprocesseurs. Un microprocesseurs est le cerveau d’un ordinateur car c’est lui qui exécute les instructions.

La miniaturisation des composants électroniques et l’augmentation de leur capacité de traitement a été exponentielle.

La capacité de calcul des microprocesseurs s’exprime en millions d’instruction par seconde (MIPS).Entre l’Intel 4004 du début des années 70 à l’Intel Core I5 de 2010, soit un écart de 40 ans, les capacités de calcul des microprocesseurs ont été multipliées par un million !  (Intel 4004 : 0,06 MIPS- Intel Core i5 : 76383 MIPS (76 milliards 383 millions d’instructions par secondes))

En 2012, un i7 : 147 600 MIPS, c’est environ 147 milliards d’instructions par seconde. La capacité des circuits intégrés ou microprocesseurs est exprimée en nombre de transistors par puce. En 1947, il y avait un transistor par puce, aujourd’hui un microprocesseur compte près d’un milliard de transistors. Cette croissance exponentielle de la capacité des circuits intégrés suit une loi élaborée en 1965 par Moore, un des fondateurs d’INTEL, et revue en 1975. La loi de Moore avait prévu cette croissance ainsi qu’une limite qui devrait pourtant être quand même franchie avec les innovations technologiques. « La densité des transistors sur les circuits intégrés doublent tous les 2 ans»

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Les capacités des composants électroniques et des supports de stockage ont permis le développement de la 3D ou lien avec la numérisation de l’information (2D-3D)

– La 3D
Les interfaces Homme-Machine
Les Réseaux Numériques