概 要 インターネット 概 論 第 2 回 : アナログとデジタル 中 村 修 アナログとデジタルの 考 え 方 を 知 る リテラシを 習 得 しよう デジタルコミュニケーションにおける 通 信 速 度 やデータ 量 の 考 え 方 を 知 る 様 々な 形 態 のデジタルデータの 表 現 方 法 を 知 る 色 解 像 度 etc データ 通 信 最 大 速 度 の 比 較 携 帯 電 話 のデータ 通 信 性 能 2500 2000 1500 1000 自 分 の 携 帯 電 話 でデータをダウンロードす るのにどのくらい 時 間 がかかりますか? 500 0 FOMA WIN 最 大 受 信 速 度 (kbps) 最 大 送 信 速 度 (kbps) vodafone3g mova comaone vodafone2g willcom 各 会 社 発 表 の 最 大 値 を 元 にグラフ 化 NTT DoCoMo au KDDI FOMA(3G) Packet WIN(3G) 通 信 方 式 W-CDMA 通 信 方 式 CDMA2000 1X 最 大 受 信 384kbps 最 大 受 信 2.4 Mbps 3.5G HSDPA 対 応 の 場 合 3.6Mbpsだが 対 応 エリアは 限 られている 最 大 送 信 384kbps mova(2g) 通 信 方 式 PDC 最 大 受 信 28.8kbps FOMA D902is (W-CDMA) 最 大 送 信 144kbps WIN packetone(2.5g) 通 信 方 式 cdmaone 最 大 受 信 144 Kbps(au) 最 大 送 信 144Kbps WIN W42S (CDMA2000 1X) 最 大 送 信 28.8kbps mova premini-ii (PDC) C301T (cdmaone) 出 展 元 (http://www.nttdocomo.co.jp/) 出 展 元 (http://www.au.kddi.com/index.html) 1
SoftBank(Vodafone) WILLCOM (PHS) SoftBank 3G (3G) 通 信 方 式 W-CDMA 最 大 受 信 384kbps 最 大 送 信 64kbps SoftBank 6,5,4,3,2 (2G) 通 信 方 式 PDC 最 大 受 信 9.6bps 最 大 送 信 9.6bps 905SH (W-CDMA) 304T (PDC) 出 展 元 (http://mb.softbank.jp/mb/) W-OAM 通 信 方 式 1x 8xパケット 方 式 PIAFS 方 式 最 大 受 信 51 408kbps PIAFS 方 式 では64kbps 最 大 送 信 51 408kbps W-ZERO3[es] 最 大 4xパケット 方 式 (128kbps) 出 展 元 (http://www.willcom-inc.com/ja/lineup/ws/007sh/) 移 動 体 通 信 ( 携 帯 電 話 )の 変 遷 1G 2G 3G 4G 第 世 代 携 帯 電 話 デジタル アナログの 違 い etc 通 信 方 式 の 違 い サービスの 違 い 1G ( 第 一 世 代 携 帯 電 話 ) アナログ 式 電 話 自 動 車 電 話 1979 年 12 月 に 登 場 2000 年 9 月 にサービス 終 了 2G (2 nd Generation) 1993 年 ~ PDC cdmaone 式 デジタルの 電 話 基 本 的 には 電 話 機 能 2.5G 2000 年 ~ GPRS (General Packet Radio Service) 送 受 信 最 大 115Kbps i-mode Ezwebの 開 始 デジタルムーバF N cdmaone C301T 自 動 車 電 話 出 展 元 (http://www.std-mcs.nttdocomo.co.jp/history-s/list_car.html) デジタルムーバF F 出 展 元 (http://www.std-mcs.nttdocomo.co.jp/history-s/list_digital.html) cdmaone C301T 出 展 元 (http://www.kddi.com/corporate/news_release/kako/ido/news/20000223.html) 3G(3 rd Generation) 2001 年 ~ W-CDMA CDMA2000 方 式 テレビ 電 話 カメラ 付 携 帯 電 話 海 外 ローミング 機 能 の 広 まり アナログとデジタル 3.5G HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) W-CDMA 方 式 の 拡 張 ダウンロード 性 能 の 向 上 最 大 受 信 3.6Mbps 1xEV-DO (1xEvolution-Data Optimized) CDMA200 方 式 の 拡 張 ダウンロード 性 能 の 向 上 最 大 受 信 2.4Mbps 2
アナログとは 何 か 類 似 相 似 による 表 現 連 続 的 な 変 化 等 価 なものを 作 るは 困 難 コピーしたり 伝 送 するたびに 劣 化 もとはすべてアナログである 音 や 光 は 波 決 まった 値 として 表 現 できない それぞれ 特 定 の 方 法 でしか 扱 うことができない デジタルとは 何 か 情 報 の 数 値 による 表 現 全 ての 情 報 ( 文 字 画 像 動 画 音 声 )は 数 値 の 集 ま りである digital = 二 進 数 (0と1)ではない 数 値 の 集 まりだから 処 理 が 容 易 同 じ 方 法 で 送 れる 簡 単 に 全 く 同 じコピーが 作 れる 数 値 の 列 だから 劣 化 しない 劣 化 はもとのデータをデジタル 化 するときに 起 きる アナログとデジタルの 例 アナログとデジタルの 表 現 の 例 126.3801... 測 定 値 125.1240 テスターの 表 示 部 レコードとCDの 記 録 方 式 アナログ デジタル 時 間 126 125 時 計 の 表 示 部 出 展 情 報 機 器 と 情 報 社 会 のしくみ 素 材 集 アナログ 情 報 をデジタル 化 する 手 順 アナログ 情 報 サンプリング CDなら サンプリングを44kHz, 16ビットで 量 子 化 する 時 間 軸 方 向 で 音 声 信 号 を 1/44000 秒 単 位 で 分 割 し し 信 号 を2の16 乗 で 近 似 して して 数 値 化 す る さらに 数 値 を 符 号 化 する 量 子 化 音 声 のデジタル 化 を 例 に 数 値 符 号 化 PCM 符 号 デジタル 情 報 量 子 化 と 符 号 化 量 子 化 サンプリングした 電 気 量 を 数 値 に 直 す 符 号 化 数 値 をある 一 定 の 規 則 に 基 づ いて 符 号 に 変 換 すること 符 号 化 の 例 : A 0x41 文 字 の 符 号 化 ASCII (American Standard Code for Information Interchange) a 0x61 JIS X 0213の 代 表 的 符 号 化 方 式 EUC-JISX0213 ISO-2022-JP-3 Shift_JISX0213 音 声 の( 圧 縮 ) 符 号 化 方 式 ATRAC(Adaptive TRansform Acoustic Coding) WMA(Windows Media Audio) MP3(MPEG1 layer-3) 3
情 報 の 数 値 化 (1) 文 字 符 号 化 の 例 文 字 に 数 値 を 割 り 当 てる ( 文 字 コード) 0x41 0x61 ASCII (American Standard Code for Information Interchange) 大 文 字 を 小 文 字 に 変 換 したければ 文 字 に 0x20 を 足 せばよい 情 報 の 数 値 化 (2) 音 サンプリング 標 本 化 アナログの 電 気 信 号 をある 時 間 間 隔 で 値 を 拾 う サンプリング 周 波 数 1 秒 間 に 何 回 サンプリングするか 44.1kHz = 44100 回 のサンプリング 音 の 波 拡 大 すると デジタル 情 報 の 利 点 伝 達 手 段 の 共 通 化 (ex. すべてDVD) 伝 達 品 質 の 向 上 情 報 が 劣 化 しない (サンプリング 時 に 劣 化 ) 伝 達 内 容 の 守 秘 と 制 御 暗 号 化 (ex. 公 開 鍵 方 式 ) 効 率 的 な 伝 達 ( 数 学 の 魔 法 ) パケット 通 信 圧 縮 2 進 数 とデータ 量 2 進 数 の 世 界 日 常 生 活 の 中 で 使 われる 数 は10 進 数 といい 1 桁 の 情 報 を10 個 の 数 で 表 す 計 算 機 の 中 では 情 報 は2 進 数 つま り 0 と 1 で 扱 われる 2 進 数 で 表 す1 桁 を 1bit と 呼 ぶ 現 在 の 計 算 機 の 内 部 は2 進 数 を 扱 う アーキテクチャ 10 進 数 の 計 算 も2 進 数 に 直 してから n 進 数 というのは 一 桁 をn 個 の 数 字 で 表 している 2 進 数 10 進 数 16 進 数 0 0 0 1 1 1 10 2 2 11 3 3 100 4 4 101 5 5 110 6 6 111 7 7 1000 8 8 1001 9 9 1010 10 A 1011 11 B 1100 12 C 1101 13 D 1110 14 E 1111 15 F 2 進 数 の 世 界 2 2 =4, 2 3 =8, 2 4 =16, 2 5 =32, 2 6 =64, 2 7 =128, 2 8 =256 2 10 :およそ 1,000 ( 正 確 には 1,024) 2 16 2 6 と 2 10 をかければいい およそ 64,000 ( 正 確 には 65,536) 2 32 およそ 43 億 ( 正 確 には 4,294,967,296) 4
2 進 数 から10 進 数 への 変 換 データ 量 の 単 位 と 接 頭 語 2 進 数 のn 桁 目 が1の 場 合 10 進 数 の2 n を 足 していく 2 進 数 で100110の 場 合 2 5 +2 2 +2 1 とすれ ば 良 い 2 進 数 にすれば 論 理 演 算 が 利 用 できる 桁 2 進 数 10 進 数 2 進 数 で100110 5 4 3 2 1 0 1 0 0 1 1 0 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0 2 5 +2 2 +2 1 = 37 bit (ビット) コンピュータが 扱 う 情 報 の 最 小 単 位 byte (バイト) = 8bit コンピュータの 最 低 処 理 単 位 によって 7bitだったあり6ビットだったり する 場 合 もある 1 octet (オクテット) は 常 に8bit 接 頭 語 K(キロ) = 1,000 M(メガ) = 1,000K = 1,000,000 G(ギガ) = 1,000M = 1,000,000,000 T(テラ) = 1,000G = 1,000,000,000,000 通 信 速 度 の 考 え 方 通 信 速 度 の 単 位 伝 送 帯 域 ( 通 信 速 度 ) 単 位 時 間 あたりに 伝 送 可 能 なデータ 量 表 現 に 用 いる 単 位 : bps bps(ビー ピー エス) bits per second bps 毎 秒 ビット のデータを 伝 送 64Kbps = 2 6 (64) 2 10 (1,024) bps 通 信 速 度 の 表 現 通 信 速 度 Kbps: Kilo bits per second KBps: Kilo Bytes per second Mbps: Mega bits per second MBps: Mega Bytes per second Gbps: Giga bits per second 練 習 問 題 1MByteのデータを 1Mbpsで 伝 送 すると 何 秒 かかる か? 1Mbps = 1 Mega bits per second 1 秒 に1メガビット 伝 送 する 速 度 1MByte = 8 Mbit 1Byte = 8bit 8Mbitのデータを 1Mbpsで 伝 送 すると 何 秒 かかるか? 単 位 がそろった! A, 8 秒 5
身 近 な 情 報 記 録 媒 体 のデータ 量 情 報 の 量 の 表 現 アルファベット1 文 字 :1バイト 日 本 語 1 文 字 :2バイト メール: 数 十 KB 音 声 (MP3): 数 MB 動 画 : 数 十 ~ 数 百 MB CD:700MB 映 画 : 数 GB DVD:4.7GB ディスク: 数 十 ~ 数 百 GB 1K 1K = 10 10 3 3 2 2 10 10 1M 1M = 10 10 6 6 2 2 20 20 1G 1G = 10 10 9 9 2 2 30 30 1T 1T = 10 10 12 12 2 2 40 40 水 1ccを1バイト とすると 25メートルプール 1Gバイト 18リットルタンク57 個 分 1Mバイト 1000ml 牛 乳 パック 1Kバイト 水 1CC 1CC 1バイト 50 50 万 トンタンカー2 隻 1Tバイト DVD-ROM 4.7Gバイト CD-ROM 650Mバイト フロッピーディスク 1.4Mバイト 出 展 情 報 機 器 と 情 報 社 会 のしくみ 素 材 集 コンピュータの 中 の 時 刻 の 情 報 様 々な 数 値 化 の 例 1970/01/01 00:00:00 を 起 源 (0)として どれだ けの 時 間 が 経 過 したかを 保 持 特 殊 なもの 年 月 曜 日 時 刻 を 符 号 付 き32ビット 整 数 型 で 保 持 するシス テムでは2038 年 で 桁 があふれる 画 像 のデジタル 化 (ビットマップデータ 化 元 ) 画 像 黒 の 目 を0 白 の 目 を1として データ 化 します 画 像 のデジタル 化 (ベクトルデータ 元 画 像 化 ) 図 形 のタイプと 各 頂 点 の 座 標 をデータ 化 方 眼 の 目 を 白 黒 で 塗 り 分 けます 出 展 情 報 機 器 と 情 報 社 会 のしくみ 素 材 集 ビ ッ ト マ ッ プ デ ー タ 頂 点 の 座 標 を 調 べる 出 展 情 報 機 器 と 情 報 社 会 のしくみ 素 材 集 Poly (10,2)-(2,15)-(18,15) Line (2,22)-(22,2) Curve (5,26)-(12,20)-(20,24)-(26,14) Poly: 多 角 形 Line: 直 線 Curve: 曲 線 ベ ク ト ル デ ー タ 6
音 声 のデジタル 化 サンプリング 周 波 数 音 声 入 力 CDの 場 合 44.1kHzなので 44100 分 の1 秒 ごとに サンプリングします 電 圧 アナログ 電 気 信 号 時 間 電 圧 アンプ サンプリング 回 路 A-D 変 換 回 路 ( 量 子 化 ) 時 間 一 定 時 間 ごとにアナログ 信 号 を 入 力 (サンプリング)します データ 65535 32768 時 0 間 各 点 の 信 号 の 電 圧 を A-D 変 換 して 数 値 化 します CDの 場 合 は16ビットなので 65536 段 階 で 表 現 されます デジタルデータ ディジタルデータ 71,112,131,141,142,145,130,122,101,85, 62,52,47,35,21,22,30,32,55,67,90,110,131, 71,112,131,141,142,145,130,122,101,85, 62,52,47,35,21,22,30,32,55,67,90,110,131, 145,152,162,173,180,185 145,152,162,173,180,185 上 位 4 ビ ッ ト 文 字 のデジタル 化 (1) JIS X 0201コード 表 下 位 4ビット 出 展 情 報 機 器 と 情 報 社 会 のしくみ 素 材 集 赤 の 文 字 が10 進 数 表 記 の 文 字 コード 緑 の 文 字 が16 進 数 表 記 の 文 字 コード 制 御 コード ASCIIコードに 準 拠 した 部 分 ( はASCIIコードでは ) 未 使 用 JISで 拡 張 された 半 角 カタカナ 部 分 未 使 用 文 字 のデジタル 化 (2) 文 字 のディジタル 化 の 例 T h i s i s a p e n. 84 104 105 83 32 105 83 32 97 32 112 101 110 46 文 字 コード(10 進 数 ) JIS X0201コード 表 に 基 づいて 1 文 字 ずつ 文 字 コード に 置 き 換 える デジタル 情 報 の 利 点 : 圧 縮 84,104,105,83,32,105,83,32,97,32,112,101,110,46 文 字 列 データ 1010100,1101000,1101001,1010011,0100000,1101001,1010011, 0100000,1100001,0100000,1110000,1100101,1101110,0101110 2 進 数 の 文 字 列 データ パソコンに 記 憶 情 報 の 圧 縮 (1) データ 圧 縮 のしくみ(1)ラン レングス 法 画 像 同 じ 要 素 が 何 個 続 いているかを 数 えて その 数 をデータ 化 することで 圧 縮 11 2 3 5 1 4 5 1 4 4 3 4 4 3 9 3 5 8 3 5 7 1 2 7 5 1 1 2 7 5 1 1 1 9 4 1 1 1 9 4 1 1 4 3 7 1 1 4 3 7 1 1 4 3 7 1 1 4 3 8 1 4 3 9 データ 削 減 分 情 報 の 圧 縮 (2) データ 圧 縮 のしくみ(2)ハフマン 法 出 現 頻 度 の 高 い 要 素 に 短 いコードを 出 現 頻 度 の 低 い 要 素 に 長 いコードを 対 応 させることで 圧 縮 テキストデータ The Mississippi is the longest river in the United States. 圧 縮 前 のデータ 量 :57 文 字 8ビット= 456ビット 左 表 の 対 応 コードを 使 って 各 文 字 を 置 き 換 えた 時 のデータ 量 :248ビット 1 行 目 の 圧 縮 の 様 子 11 個 連 続 3 個 連 続 2 個 連 続 11 2 3 色 色 色 数 数 数 出 展 情 報 機 器 と 情 報 社 会 のしくみ 素 材 集 7
情 報 の 圧 縮 (3) データ 圧 縮 後 のデータ 量 720x480ドットフルカラー 画 像 データ 量 1Mバイト JPEG 高 圧 縮 ( 低 品 位 ) 20Kバイト 圧 縮 率 2% JPEG 低 圧 縮 ( 高 品 位 ) 100% 100% 動 画 とデータ 量 720x480ドット 動 画 ビットレート250Mビット/ 秒 DV 録 画 25Mビット/ 秒 圧 縮 率 10% MPEG2 100% 100% デジカメで 写 真 を 撮 ると どのようなデータが 生 成 されるか? 様 々な 条 件 で 考 える 2Mビット/ 秒 ~10Mビット/ 秒 圧 縮 率 0.8%~4% 出 展 情 報 機 器 と 情 報 社 会 のしくみ 素 材 集 映 像 とは 何 か ぱらぱら 漫 画 を 想 像 してみよう 静 止 画 点 の 集 合 1 枚 の 絵 を 細 かく 碁 盤 の 目 状 に 切 る 切 ったひとつひとつ( 点 )を ピクセル と 呼 ぶ これらを 集 めた 物 が 画 像 映 像 は 複 数 枚 の 静 止 画 の 連 続 デジカメで 写 真 を 撮 ると デジカメで 写 真 を 撮 ると 8
解 像 度 による 違 い: 4x3 (12 pixel) 解 像 度 による 違 い: 20x15 (300 pixel) 解 像 度 による 違 い: 40x30 (1200 pixel) 解 像 度 による 違 い: 80x60 (4800 pixel) 解 像 度 による 違 い: 160x120 (19200 pixel) 解 像 度 による 違 い: 320x240 (76800 pixel) 9
解 像 度 による 違 い: 640x480 (307200 pixel) 色 数 による 違 い: 24bit color 色 数 による 違 い: 8bit color 色 数 による 違 い: 4bit color 色 数 による 違 い: grayscale 解 像 度 各 ピクセルが 表 すデータの 粒 度 単 位 :dpi (dot per inch) 1インチにいくつドットが 詰 め 込 まれているか このプリンタ(Canon PIXUS ip8600)は どれくらいの 解 像 度 が 表 現 できる? 4800 x 2400 dpi 10
解 像 度 と 画 像 の 関 係 解 像 度 が 同 じ でも 大 きさが 変 わると 画 素 ( 画 素 数 )とは? とある 会 話 から 君 の 持 ってるケータイ, 何 万 画 素? えーと,200 万 画 素 静 止 画 を 分 割 する 度 合 い 分 割 が 多 い= 画 素 数 が 高 い= 解 像 度 が 高 い 分 割 が 少 ない= 画 素 数 が 低 い= 解 像 度 が 低 い 静 止 画 は 画 素 数 が 多 い 方 が 細 かく 微 細 な 色 の 変 化 を 表 現 できる 画 面 のプロパティ 画 面 の 解 像 度 と 画 素 数 表 示 解 像 度 表 示 ドット 数 画 素 数 640x480 30 万 7200 30 万 画 素 画 面 の 解 像 度 画 面 の 色 800x600 1024x768 1280x960 48 万 78 万 6432 122 万 8800 50 万 画 素 80 万 画 素 130 万 画 素 1200x1600 192 万 200 万 画 素 2048x1536 314 万 5728 320 万 画 素 色 の 表 現 方 法 色 の 数 加 法 混 色 RGB(Red, Green, Blue) 3 色 の 光 を 比 率 に 変 えて 混 合 する R+G = イエロー G+B= シアン B+R= マゼンタ R+G+B= 白 減 法 混 色 CMY(シアン マゼンタ イエ ロー) 白 からR,G,Bの1 色 を 引 いた もの( 加 法 混 色 の 原 色 の 補 色 ) K 色 の 数 は 色 深 度 で 決 まる 1ピクセルを 構 成 する 色 の 深 さ( 数 ) 24ビット(1677 万 色 ) RGB 各 色 を8ビットで 表 現 できる 8ビット(256 色 ) RGB 各 色 を2ビットで 表 現 できる 16 色 最 近 のWindowsでは16ビット 以 下 は 選 べない 11
画 像 のデータサイズ 画 像 のデータサイズ デジカメで 撮 影 した200 万 画 素,24ビットカラー の 静 止 画 データサイズはいくらでしょう? デジカメで 撮 影 した200 万 画 素,24ビットカラー の 静 止 画 データサイズはいくらでしょう? 1ピクセルは 24 ビット = 3バイト 200 画 素 は 1200 x 1600 ピクセル 1200 x 1600 x 3 = 5,760,000 バイト すなわち, 約 6Mバイト もう 一 度, 動 画 フレームレート 静 止 画 を 並 べて 表 示 させたもの 飛 行 機 が 右 から 左 に 飛 ぶ 映 像 飛 行 機 が 右 から 左 に 移 る 複 数 の 静 止 画 の 並 び 映 像 の 滑 らかさを 決 める 鍵 fps (frame per sec) 1 秒 間 に 何 枚 の 静 止 画 を 納 めているかどうか NTSC:30fps (アニメなど 一 部 29.97fps) PAL:25fps 映 画 :24fps 30 枚 30 枚 30fps 30fps 1 秒 間 1 秒 間 映 像 のデータサイズ 映 像 のデータサイズ 先 日 録 画 したテレビの 映 像 (640x480ピクセル, 24ビットカラー,30 分,30fps)のデータサイズは いくらでしょう? 先 日 録 画 したテレビの 映 像 (640x480ピクセル, 24ビットカラー,30 分,30fps)のデータサイズは いくらでしょう? ヒント 計 算 は 静 止 画 のデータサイズにフレームの 数 をかけ たもの 静 止 画 は, 約 1Mバイト 30 分 間 に 流 れるフレーム 数 30(fps) x 30(min) x 60(sec) = 54,000フレーム すなわち,1(Mバイト)x54,000 = 54Gバイト 12
おわり 13