Digitalisierung – Definition, Bedeutung & Hintergründe

Digitalisierung bedeutet, dass wir Informationen, egal ob es sich um Texte, Bilder oder sogar um echte Gegenstände handelt, so umwandeln, dass Computer sie verstehen, speichern und verarbeiten können. Es ist, als würden wir alles in eine Computersprache übersetzen.

Der lateinische Begriff „digitus“ für Finger und das englische „digit“ für Ziffer liefern etymologisch die Grundlage für den Terminus. Bei dieser Umwandlung werden Informationen in digitale Signale kodiert, die ausschließlich diskrete Werte enthalten.

In neuerer Zeit schließt der Begriff ebenfalls die Erzeugung ursprünglich digitaler Darstellungen mithilfe von Technologien wie Digitalkameras oder digitalen Aufnahme-Systemen für Tonmaterial ein.

Ein wesentliches Charakteristikum der Digitalen Revolution und der digitalen Transformation in den Sektoren Wirtschaft, Gesellschaft sowie im beruflichen und privaten Alltag stellt die Fähigkeit zur informationstechnologischen Weiterverarbeitung dar.

Begriff der Digitalisierung im Wandel der Zeit

Der Ausdruck „digitize“ tauchte erstmals 1953 im englischsprachigen Raum auf, gefolgt von „digitization“ im Jahre 1954. Ab Mitte der 1980er Jahre fand der Begriff Digitalisierung auch in Deutschland Anwendung.

Um 2013 herum verdeutlichten Google-Suchanfragen eine veränderte Nutzung des Terms innerhalb des deutschsprachigen Medienraums, der weniger für die originäre Bedeutung – die Umwandlung von analogen in digitale Formate – als vielmehr für die Beschreibung weitreichender Mega-Trends der digitalen Durchdringung und Transformation in Wirtschaft, Staat, Gesellschaft und Alltagsleben genutzt wird.

Hierbei liegt der Fokus auf der gezielten Identifikation und Nutzung der Potenziale digitaler Technologien. Auch der Begriff „Digitalisierungsfähigkeit“ sowie ähnliche Wortverbindungen erlangten Aufmerksamkeit, obgleich sie semantische Unschärfen aufweisen.

Verschiedene Aspekte der vernetzten digitalen Kommunikation wie Breitbandnetze, das Internet der Dinge, E-Commerce, Smart Home oder die Industrie 4.0 werden oft undifferenziert unter dem Oberbegriff Digitalisierung zusammengefasst.

Diese inflationäre und teilweise kritisch betrachtete Nutzungsweise des Begriffs nicht nur signalisiert eine signifikante Entwicklung, sondern weist ebenso auf eine Modeerscheinung mit überzogen optimistischen Erwartungen hin. Zwischen 2013 und 2017 verzeichneten Google-Suchanfragen nach „Digitalisierung“ und „Industrie 4.0“ einen Anstieg um etwa 600 bis 700 Prozent, was typisch für einen Hype ist.

Die vernetzte digitale Kommunikation erweitert das Spektrum technisch-organisatorischer Lösungen beträchtlich und führt zu einer gesteigerten Flexibilität und Komplexität der Strukturen, statt langfristig stabile Verhältnisse zu schaffen.

Die einsetzenden Prozesse disruptiven Wandels erschweren die Vorhersehbarkeit der Entwicklung, welche unter Begriffen wie Digitale Revolution und Digitale Transformation (mit Bezug auf Geschäftsmodelle und Branchen) diskutiert wird.

Deutscher Digitalisierungsindex

Der Digitalisierungsindex in Deutschland ist ein Instrument zur Messung des Fortschritts und der Durchdringung digitaler Technologien in verschiedenen Bereichen der Wirtschaft und Gesellschaft.

Entwickelt von Branchenverbänden, Forschungsinstituten oder staatlichen Stellen, bietet er eine Übersicht darüber, wie weit Unternehmen, öffentliche Verwaltungen, Bildungseinrichtungen und andere Sektoren in der Digitalisierung fortgeschritten sind.

Der Index bewertet verschiedene Faktoren wie die Nutzung digitaler Tools, die Implementierung digitaler Geschäftsmodelle, die Verfügbarkeit und Nutzung von Breitbandinternet sowie digitale Kompetenzen.

Ziele des Digitalisierungsindex sind, Stärken und Schwächen in der digitalen Infrastruktur und Kultur zu identifizieren, den Austausch von Best Practices zu fördern und politische sowie wirtschaftliche Entscheidungsträger bei der Ausrichtung ihrer Strategien zur digitalen Transformation zu unterstützen.

Der Index dient somit als wichtige Grundlage für Diskussionen und Maßnahmen, die die Digitalisierung in Deutschland vorantreiben sollen.

Grundlagen und Techniken der Digitalisierung

Digitalisierung zielt darauf ab, Informationen in digitale Daten umzuwandeln und somit für Computertechnologie nutzbar zu machen. Frühe Digitalisierungsprojekte befassten sich hauptsächlich mit der Umwandlung analoger Medien wie Photonegativen und Schallplatten.

Heute werden digitale Repräsentationen oft direkt durch moderne Aufnahmetechniken wie Digitalfotografie und -tonaufzeichnung erstellt.

Der Prozess involviert Sensoren, die physikalische Messgrößen aufnehmen und in analoge Signale umwandeln, die anschließend durch Analog-Digital-Umsetzer in binäre Daten (0er und 1er) konvertiert werden.

Diese binären Daten lassen sich dann effizient speichern und verarbeiten, wobei die Nutzung binärer Signale neben der Genauigkeit auch die Produktionskosten reduziert.

Historische Entwicklung der Digitalisierung

Die Ursprünge der Digitalisierung liegen in den ersten Versuchen, analoge Informationen in digitale Formate umzuwandeln, die für die elektronische Datenverarbeitung geeignet sind.

Diese Anstrengungen reichen zurück bis zu den kryptographischen Arbeiten und dem binären Kalkül von Leibniz im 17. Jahrhundert.

Bedeutende technologische Durchbrüche, wie der Jacquardwebstuhl und die Erfindung der Telegrafie, sowie die Entwicklung von Schlüsselkomponenten wie der Flipflop-Schaltung im Jahr 1918, der Elektronenröhre und des Transistors in 1947, ebneten den Weg für die digitale Ära.

Ab den 1960er Jahren führten verbesserte Speichermedien und leistungsfähigere Mikroprozessoren zur massenhaften Verarbeitung und Speicherung digitaler Daten. Im Jahr 2002 wurde erstmals mehr Information digital als analog gespeichert – ein Wendepunkt, der den Beginn des „Digitalen Zeitalters“ markiert.

Am 30. November 2022 brach ein neues Kapitel der Digitalisierung an als OpenAi die Künstliche Intelligenz ChatGPT der Öffentlichkeit zugänglich gemacht hat.

Digitaler Daten in verschiedenen Systemen

Die Art und Weise, wie digitalisierte Informationen im Inneren eines Systems repräsentiert werden, variiert je nach dem spezifischen System. Zunächst ist die Kodierung der Daten unabhängig vom eigentlichen Speichermedium vorzunehmen, gefolgt von der Speicherung der Informationsblöcke.

Die gewählte Kodierung sowie das Datenformat sind von der Natur der Information, den eingesetzten Software-Anwendungen und der vorgesehenen Verwendung abhängig.

Die permanente Speicherung der kodierten Information kann entweder im volatilen Arbeitsspeicher oder dauerhaft in Datenbanken oder direkt im Dateisystem erfolgen.

Dateiformate spielen eine entscheidende Rolle in diesem Prozess, indem sie sowohl die binäre Kodierung als auch Metadaten normieren.

Beispiele hierfür sind Textdateien, die mittels ASCII oder Unicode kodiert sind, Bildformate oder Vektorgrafikformate, die geometrische Beschreibungen wie Kurvenkoordinaten innerhalb eines bestimmten Raumes festlegen.

Schnittstellen wie Barcodes und QR-Codes

Für die Digitalisierung von Prozessen sind die Schnittstellen zwischen digitaler und physischer Welt essenziell. Digitalisierte Daten werden auf Analoggeräten dargestellt oder an physischen Objekten angebracht, damit diese später von Menschen oder Maschinen erneut interpretiert werden können.

Hierzu gehören neben den konventionellen Methoden der Ausgabe auf Materialien wie Papier auch fortschrittliche Technologien wie Barcodes, 2D-Codes (beispielsweise QR-Codes) oder drahtlose Netzwerke, die im Internet der Dinge zur berührungsfreien Kommunikation zwischen Geräten dienen (etwa durch WLAN oder RFID).

Des Weiteren besteht die Möglichkeit, digitale Abbilder realer Objekte oder Prozesse zu erstellen, mit denen virtuelle Simulationen durchgeführt werden können, ohne die reale Welt zu beeinträchtigen.

Was sind eigentlich Digitalisate?

Das Ergebnis des Digitalisierungsprozesses von Medien wird häufig als Digitalisat bezeichnet, ein Terminus, der in Analogie zu Begriffen wie Kondensat oder Korrelat gebildet wird.

Beispiel A: Ein Bild wird digitalisiert, um es zu drucken. Es entsteht eine Datei, die die gewünschten Pixel enthält.

Beispiel B: Eine Seite mit Text und Bildern wird digitalisiert; der Text wird durch Texterkennung (OCR) bearbeitet und zusammen mit den Bildern in ihrem ursprünglichen Layout mithilfe einer Auszeichnungssprache, z.B. als PDF, gespeichert: Die resultierende PDF enthält verschiedene Datenarten wie Raster-, Vektor- und Textdaten, die in einer Datei komprimiert werden, um Speicherplatz zu sparen.

Diese Bestandteile sind jeweils für sich genommen vollständige Digitalisierungen einzelner Elemente. Erst die Integration dieser Elemente im Endprodukt stellt eine authentische Reproduktion dar, da sie die ursprüngliche Anordnung der Elemente wiedergibt und somit eine verlagsgetreue Reproduktion ermöglicht.

Vor- und Nachteile der Digitalisate

Digitalisierte Daten bieten zahlreiche Vorteile, wie die Möglichkeit zur Bearbeitung, Verteilung, Suche und Wiedergabe in elektronischen Systemen, eine effizientere und schnellere maschinelle Verarbeitung und Vervielfältigung, die Durchsuchbarkeit und den geringeren Bedarf an physischem Speicherplatz.

Zudem sind digitale Daten weniger anfällig für Fehler und Verfälschungen im Vergleich zu analogen Medien und erleichtern die Langzeitarchivierung durch einfache Migration. Zudem können originale analoge Medien durch die Erstellung digitaler Nutzerkopien geschont werden.

Es ist jedoch anzumerken, dass der Digitalisierungsprozess immer mit einem gewissen Maß an Qualitäts- bzw. Informationsverlust verbunden ist, da die Auflösung begrenzt bleibt.

Obwohl ein Digitalisat in vielen Fällen ausreichend genau sein kann, um den aktuellen und potenziellen zukünftigen Anforderungen zu genügen, existieren dennoch Anwendungsfälle, für die ein hochauflösendes Digitalisat nicht geeignet ist, etwa bei physikalischen oder chemischen Untersuchungsmethoden.

Mehr dazu hier: Vorteile und Nachteile der Digitalisierung

Bereiche der Digitalisierung: Text, Bild, Ton & mehr

Im technischen Sinne wird die Überführung von analogen Daten in eine digitale Form durch die Funktion eines Analog-Digital-Umsetzers realisiert.

Dieser wandelt analoge Eingangssignale in festgelegten Intervallen – seien es Zeitabschnitte bei linearen Aufnahmen wie in der digitalen Messtechnik oder die Abstände zwischen Fotozellen beim Digitalisieren – in digitale Werte um und kodiert diese mit einer gewissen Genauigkeit, bekannt als Quantisierung.

Die Auswahl des Digitalisierungsverfahrens variiert je nach Beschaffenheit des Ausgangsmaterials und dem beabsichtigten Verwendungszweck.

Texte und schriftliche Dokumente

Für die Digitalisierung schriftlicher Dokumente erfolgt zunächst eine Scanoperation ähnlich der Digitalisierung von Bildern, um eine bildliche Darstellung des Textes zu generieren. Wird eine möglichst getreue Wiedergabe des Originaldokumentes angestrebt, bleibt es bei dieser bildlichen Erfassung.

Für Fälle, in denen der textuelle Inhalt im Vordergrund steht, überführt ein Texterkennungsprogramm das gescannte Bild in einen entsprechenden Zeichensatz (wie ASCII oder Unicode für nicht-lateinische Schriftzeichen) und speichert den Text.

Diese Methode benötigt deutlich weniger Speicherplatz, kann jedoch dazu führen, dass nicht textgebundene Informationen (etwa Layoutmerkmale) verloren gehen.

Ein weiterer Ansatz kombiniert beide Methoden, bei dem sowohl das gescannte Bild des Textes gespeichert als auch der darin enthaltene Inhalt als Metadaten erfasst wird. Dies ermöglicht eine Suche innerhalb des Textes, während gleichzeitig das digitalisierte Originaldokument visualisiert werden kann.

Bildern

Bei der Digitalisierung eines Bildes wird dieses in eine Matrix aus Zeilen und Spalten aufgelöst, und für jeden Bildpunkt wird der Grau- oder Farbwert erfasst und quantisiert gespeichert.

Dieser Vorgang kann mittels Scanner, digitaler Fotografie oder durch spezialisierte Sensoren wie Satelliten- oder medizinische Sensoren erfolgen. Zur Endspeicherung werden oft Bildkompressionsverfahren angewendet.

In der Schwarz-Weiß-Rastergrafik werden die Pixelwerte als „0“ für „Schwarz“ und „1“ für „Weiß“ festgelegt.

Eine zeilenweise Verarbeitung dieser Werte erzeugt dann eine binäre Repräsentation des Bildes. Bei Farb- oder Graustufenbildern ist eine höhere Quantisierung nötig. Im RGB-Farbraum wird jeder Farbwert in Rot, Grün und Blau aufgeteilt und einzeln quantisiert.

Im YUV-Farbmodell kann aufgrund der Trennung von Helligkeits- und Farbinformation eine unterschiedliche Quantisierung angewendet werden, um bei annähernd gleicher visueller Qualität Speichervolumen zu reduzieren.

Audiodaten

Unter dem Begriff „Sampling“ versteht man die Digitalisierung von Audiodaten. Hierbei werden analoge Schallwellen in digitale Werte umgewandelt und gespeichert.

Durch eine Rückwandlung dieser Werte kann die Schallwelle rekonstruiert und somit wieder hörbar gemacht werden. Die Bittiefe beim Sampling bestimmt die Auflösung des Dynamikumfangs, wobei eine Samplingfrequenz von 44,1 kHz und eine Auflösung von 16 Bit CD-Qualität definieren.

Verlustfreie und verlustbehaftete Kompressionsmethoden kommen zum Einsatz, um Audiodaten effizient auf Speichermedien zu komprimieren.

Archäologischen Objekten

Bei der digitalen Erfassung archäologischer Fundstücke werden alle relevanten Informationen sowie bildliche und zeichnerische Darstellungen digitalisiert und in Datenbanken gespeichert.

Die Digitalisierungsinitiativen, oft motiviert durch die Präsentation größerer Bestände in Museen oder archäologischen Sammlungen, ermöglichen es, die Objekte einem breiten Publikum zugänglich zu machen und eine elektronische Bestandsaufnahme durchzuführen.

In speziellen Fällen kommen digitale, bildgebende Verfahren zum Einsatz, um Fundsituationen zu dokumentieren und als Basis für weitere Sicherungs- und Restaurierungsmaßnahmen zu dienen, wie beispielsweise bei der Bergung des Goldhorts von Gessel.

Währungen und Vermögenswerte

Die Digitalisierung von Währungen ist ein fortschreitendes Phänomen, das sowohl das traditionelle Bankwesen als auch die globale Wirtschaft tiefgreifend verändert.

Einige Zentralbanken, darunter die Europäische Zentralbank (EZB), planen die Einführung eines digitalen Euro, um den digitalen Zahlungsverkehr zu vereinfachen und die finanzielle Souveränität in einem zunehmend digitalisierten Marktumfeld zu wahren.

Gleichzeitig haben Kryptowährungen wie Bitcoin und Ethereum als digitale Assets einen festen Platz im Finanzsystem erobert, indem sie dezentralisierte und oft spekulative Investmentoptionen bieten.

Diese Entwicklungen spiegeln das wachsende Bedürfnis wider, Finanztransaktionen sicherer, schneller und effizienter zu gestalten, und öffnen die Tür für innovative Zahlungs- und Anlageformen.

Gesundheitswesen

Im Bereich der Gesundheitsversorgung ermöglichen digitale Innovationen und telemedizinische Anwendungen eine Steigerung der Effektivität und Qualität der medizinischen Versorgung.

Durch verbesserte Möglichkeiten der digitalen Informationsnutzung können medizinisches Personal bei administrativen Aufgaben entlastet und die Versorgung, insbesondere im ländlichen Raum, optimiert werden.

Der Terminus E-Health wurde geprägt, um die digitalen Fortschritte im Gesundheitssektor zu beschreiben. In Deutschland kommen in Gesundheitsbehörden Systeme wie SORMAS und DEMIS zum Einsatz, wenngleich der Fortschritt der Digitalisierung vielerorts langsam voranschreitet und beispielsweise Faxgeräte noch immer Verwendung finden.

Produktionstechnik

Die Digitalisierung in der Produktion umfasst Methoden des Entwurfs und der Codeerstellung (CAD, CAM), moderne Fertigungs- und Montagetechniken (mittels CNC-Maschinen oder 3D-Druckern, Industrierobotern) und bedingt die Entwicklung gemeinsamer Standards für die effiziente Steuerung komplexer Produktionssysteme.

Verkehr und Logistik

In Verkehr und Logistik führen digitale Technologien wie automatisierte Lagertechniken, Navigationssysteme und digitale Verkehrsleitsysteme zu effizienteren Abläufen, analog zu Entwicklungen in der Industrie 4.0.

Landwirtschaft – Digital Farming

Die Digitalisierung prägt die Landwirtschaft bereits seit der Einführung des Personalcomputers. Von der digitalen Buchhaltung bis hin zu aktuellen Entwicklungen in Precision Farming, Smart Farming und Digital Farming werden moderne Computertechnologien und Sensoren in landwirtschaftlichen Maschinen genutzt.

Autonome Fahrzeuge und Feldroboter sind mittlerweile mehr als Prototypen in landwirtschaftlicher Verwendung.

Bildung – Schulen und Universitäten

Die Digitalisierung in der Bildung setzt sich durch elektronische Lehrmittel fort. Nach experimentellen Anfängen sind digitale Medien und Tablets heute in der Lehre verankert. Schulen nutzen außerdem Roboter, Künstliche Intelligenz sowie Augmented und Virtual Reality.

Die COVID-19-Pandemie verstärkte den Vorteil des orts- und zeitunabhängigen Lernens. Allerdings existiert auch Kritik bezüglich der gesundheitlichen Auswirkungen digitaler Medien sowie der Sorge, dass digitale Hilfsmittel traditionelle Lernmethoden negativ beeinflussen könnten. In vielen Bundesländern gibt es für die Umsetzung einen Digitalisierungsbeauftragten.

Postzustellung

Postscan-Dienste ermöglichen es Kunden, ihre physische Post an eine Scanadresse umleiten zu lassen, wo sie digitalisiert und elektronisch zugestellt wird. In Deutschland bieten mehrere Anbieter diesen Service an, der auch als „digitaler Briefkasten“ bekannt ist.

Ökonomische und rechtliche Folgen

Die Vorteile der Digitalisierung sind vor allem in der schnellen und universellen Verbreitung von Informationen zu finden.

Mit der kostengünstigen Verbreitung digitaler Technologien entstehen fortlaufend neue Möglichkeiten in Wirtschaft und Gesellschaft, was zu einer fundamentalen digitalen Transformation führt.

Dies birgt sowohl Chancen als auch Risiken, und stellt neue Anforderungen an das Rechtssystem. Die Theorie des unscharfen Rechts beschäftigt sich mit der Anpassung des Rechts in einer digitalisierten Welt, während urheberrechtliche Maßnahmen und Datenschutz besonders im Fokus stehen.

Kostensturkturen

Im Zentrum der Veränderungen durch die Digitalisierung steht eine signifikante Anpassung der Kostenstrukturen. Die bedeutendste Kostenreduktion wird bei der Vervielfältigung und dem Transport digitaler Inhalte, vornehmlich über das Internet, beobachtet.

Die Kostenreduktion wird durch das Konzept der Grenzkosten illustriert, wonach jede zusätzliche digitale Kopie die Gesamtkosten nur marginal erhöht. Zudem ermöglicht die zentrale Bereitstellung im Internet den weltweit unbeschränkten Zugriff auf diese Daten.

Dennoch ist ein potenzieller Kostenanstieg durch verstärkten Bedarf an urheberrechtlichem Schutz des intellektuellen Eigentums und der Implementierung von Kopierschutztechnologien möglich.

Zusätzlich können Anforderungen an die Datensicherheit und die Zuverlässigkeit der IT-Infrastruktur die Kosten weiter in die Höhe treiben.

Einfluss auf betriebliche Abläufe in Unternehmen

Die Digitalisierung fördert eine Steigerung der Effizienz betrieblicher Prozesse, was zu einer Verbesserung der wirtschaftlichen Leistungsfähigkeit von Unternehmen führt.

Informations- und Kommunikationstechnologien ermöglichen eine schnelle und kostengünstige Abwicklung von Geschäftsprozessen, etwa durch die digitale Transformation physischer Dokumente und analoger Informationen.

Datenschutz und Sicherheit vor Hackern

Die Speicherung von Daten in vernetzten Computersystemen birgt Risiken wie unautorisierten Zugriff durch Hacker oder die unerlaubte Auswertung, Verbreitung und Veränderung von Daten durch Dritte. Der Schutz vor solchen Bedrohungen erfordert oft einen erheblichen technischen Aufwand.

Einfluss auf den Arbeitsmarkt

Schon 1978 prognostizierte Dieter Balkhausen in seinem Werk „Die Dritte Industrielle Revolution“, dass bis Ende der 1980er Jahre 50 Prozent der Arbeitsplätze in Deutschland durch die Mikroelektronik beeinflusst würden.

Der Fokus lag dabei auf dem Produktionssektor (z.B. CAD-Anwendungen, Einsatz von CNC-Maschinen). Infolgedessen änderten sich die Qualifikationsanforderungen, und neue Berufsfelder entstanden, ohne dass es zu einem umfangreichen Arbeitsplatzabbau kam.

Die Einführung digitaler Technologien und des Internets sowie die Entstehung des Web 2.0 brachten Veränderungen mit sich, und Substitutionspotenziale durch Digitalisierung für verschiedene Berufsgruppen wurden identifiziert.

Eine Studie von 2016 zeigte Substitutionspotenziale von über 50 % in mehreren Bereichen auf. Im Gegensatz dazu wird in einer Umfrage unter Entscheidungsträgern ausführlich über Chancen für neue Arbeitsplätze durch Digitalisierung berichtet, obwohl Bedenken hinsichtlich der Schrumpfung von Kernbelegschaften und der Ersetzung von menschlichen Tätigkeiten durch Technologie geäußert wurden.

Kann Digitalisierung nachhaltig sein?

Die Digitalisierung führt zu einem erhöhten Energie- und Ressourcenverbrauch. Der weltweite Stromverbrauch von Informations- und Kommunikationstechnologien lag 2018 bei etwa 2300 Terawattstunden, wobei das Internet allein 10 Prozent des weltweiten Stromverbrauchs ausmachte.

Ökologische Bedenken entstehen durch den Rohstoffbedarf, z.B. für die Lithiumgewinnung für Batterien, die enorme Wassermengen beansprucht. Problematiken beim Recycling und der Entsorgung, insbesondere von privat genutzten digitalen Geräten, fordern nachhaltige Lösungen.

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Quellen und Literatur: 

• Zitate zur Digitalisierung
• Infos zur Landwirtschaft: Link
• Effekte auf die Beschäftigung: Link
• Informationelle Selbstbestiummung: Link
• Digitalisierungsindex: Link