アナログ信号のディジタル化
2006年5月9日
コンピュータリテラシ
筑波大学 電子・情報工学系
コンピュータサイエンス専攻
新城 靖
<yas@is.tsukuba.ac.jp>
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C-キー, M-キー,
Esc キー(M-キーの代わり), C-x キー, C-c キー
M-x の後に名前
例：「cat コマンドに引数として ~/.cshrc を与える。」
iTerm
/usr/share/terminfo/61/ansi)に問題がある。
電子メール
音をコンピュータで扱うには、次のような手順になる。
ＣＤ品質の音(Compact Disc)
CDに含まれているデータ量。
44100 [回/秒] *16 [ビット] * 2 ==1,411,200 [ビット/秒] 1,411,200 [ビット/秒] * 60 [秒/分] *70 [分/枚] == 5,927,040,000 [ビット/枚] 5,927,040,000 [ビット/枚] / 8 [ビット/バイト] == 740,880,000 [バイト/枚] 〜740 M [バイト/枚]
電話品質
8000 [回/秒] * 8 [ビット] * 1 == 64000 (64k) [bit]1時間当たりのデータ量
64k [bit/秒] * 60 [秒/分] * 60 [分/時間] == 230,400 k [ビット]== 230,400,000 [ビット]電話も、CD より音質は悪いが長電話すると、相当なデータ量になる。
「*」は、コンピュータで掛け算を表す。割り算は、「/」。
音の符号化の方法（圧縮方法）：
Layer-3 の他に Layer-1 と Layer-2 が定められている。数 字が大きくなるほど圧縮率がよく、Layer-1 で1/4, Layer-2 で 1/6から1/8, Layer-3 で 1/12から 1/14 の圧縮が可能になってい る。これらの圧縮方式は、互換性が保たれるようになっており、 Layer-3 で圧縮されたデータをデコードできるシステムは、より低 い Layer-1, Layer-2 のデータもデコード可能になっている。
MP3 は、「劣化圧縮」の技術を用いている。人間の耳では気が付かない部分 のデータを復元できない形で落とすことで高い圧縮率を実現している。
データの落し方が、音質を左右する。データの落し方は、圧縮プログラム （MP3 エンコーダ、エンコーディング・プログラム）で違う。 圧縮「率」だけ上げるのは簡単。
MPEG-2 や MPEG-4では、AAC (Advanced Audio Coding)と呼ばれる 音声圧縮方式も利用可能になっている。
Apple は、MP3 よりも AAC の方が音質が良いと主張している。
チェックサムによる誤り検出
保存（通信）するデータに、ビット列を数の並びと思った時の合計（sum）を 付加する。合計が在っていれば、データが正しい、そうでない場合、 どこかでデータが壊れた（誤りが含まれた、エラーが生じた）とと判断する。 その場合、もう一度、正しいデータを得ることを試みる。
実際には、検出して再び試みる（再転送）ではなくて、冗長(redundant)なデー タをうまくつかって、回復させる方法がある。その１つで良く使われるのが、 CRC (Cyclic Redundancy Check) と呼ばれる方法である。
CD では、ディジタルで記録された情報は、ディジタルの範囲では正確に再現 できる。
音がよいかは、ディジタル以外の部分に大きく依存する。
画像は、細かい細かい点(画素、ピクセル、pixel)の集合として扱える。
画像の品質は、次の２つの数で決まる。
色と階調には、次のような種類がある。
色の名前の付け方には、いろいろある。
横（水平方向）、縦（巣直方向）ごとに、単位「長さ」当りのピクセル数で図る ことが多い。よく使われる単位は、dpi (dot per inch)。
画素数 ×１画素あたりのビット数
縦のドット数 ×横のドット数 ×１画素あたりのビット数
1000 ドット x 1000 ドット x 24 ビット == 24,000,000 ビット。
画像は、大きいので、「圧縮」したい。つまり、同じ画像をより小さなデータ 量で表現したい。
画像の表現形式にも、何種類もある。自分が使えるコンピュータで全ての種類 の画像が扱えるわけではない。操作する時には、自分が扱えるかどうかを調べ る必要がある。場合によっては、形式の「変換」をする必要がある。
よく使えれている画像の形式には、次のようなものがある。
MacOSX 「プレビュー.app (Preview.app)」で
保存可能な対応している画像の形式。
JPEG は、ITU (International Telecommunications Union, 旧 CCITT) と ISO の共同作業グループ(Joint Photographic Experts Group) により作成された規格である。正式には、JFIF (JPEG File Interchange Format) という。
JPEG は、劣化式圧縮の１つである。JPEG では、人間の目で見た時 にあまり気が付かない部分のデータを取り除く。その結果、写真の 見た目の質を落とすことなく、高い圧縮率を実現している。JPEG で圧縮時に捨てられたデータは、展開時に回復させることはできな い。
このような性質から、JPEG は、写真のようなイメージを圧縮する ために向いている。逆に、図形やイラストなどの保存には、適さな い。このようなものは、劣化式ではない圧縮アルゴリズムを使って いる PNG 形式の方が適している。
JPEG では、写真を保存する時に、品質を指定することができる。 高い品質を指定すれば、劣化が少なくなるが、データ量は多くなる。 低い品質を指定すれば、逆になる。
逆に文字を符号化してしまうと、個人の性質を出したい時には、問題がある。 たとえば、署名やラブレター。
文字を画像として送ることもできるが、特別に符号化することが一般的である。
ベクトル、ベクタ、vector
画像をピクセルマップ（ビットマップ）ではなく、輪郭データで表す。 拡大しても、ギザギザににならない。表示の大きさによらずデータ量が一定になる。
ベクトル形式の図形（グラフィックス）場合、image とは呼ばないこともある。
EPS (Encapsulated PostScript) 形式は、PostScript に描画領域などの 情報を付加したもの。
スクリプト言語、プログラミング言語については、後述。
PostSctip 形式のファイルは、テキストなので、テキスト・エディタで表示で きる。人間が手で書くこともできる。
内部にイメージを JPEG 等の形式で圧縮して保持したり、グラフィックスを図 形の形で持つこともできる。 PDF は、PostScript を元に設計されている。 フォントを埋め込む機能を引き継いでいる。 複雑な制御構造は取り払われている。
画面に表示するには、Adobe Reader (Adobe Acrobat Reader)、MacOSX Preview.app, xpdf, GhostScript 等のプログラムを用いる。
MacOSX では、印刷する時に PDF 形式で保存することで作成できる。一般的に は、Adobe Acrobat (readerがつかない) や、dvipdf*, GhostScript, その他 のフリーのプログラムが使える。
手書きPDF入門 というのが以前あった。
現在、World Wide Web で広く用いられている画像の形式としては、GIF, JPEG, PNG などがあるが、いずれもビットマップ、または、それを圧縮した形 式である。この場合、拡大すると画像が荒くなるという問題がある。これに対 して、SVG は、ベクトル形式、すなわち、画像の輪郭線を表現したものである。 よって、画像を拡大しても荒くなることがない。また、画像の大きさとデータ 量は無関係であり、大きな画像であってもデータ量が増えない。
以下は、SVG で直線、長方形、円を記述した例である。 HTML_DESC_( ) SVG は、W3C (World Wide Web Consortium)により標準化作業が進 められている。XML 形式を用いているが、モデルとしてはPDF や PostScript と似ている。
SVG は、地図を表示するために適している。携帯電話や PDA に対 して地図を配信するサービスで SVG がよく使われる。
XML については、後述。
ビットマップ・フォントとベクトル・フォントがある。
ベクトル・フォントだと拡大しても（解像度が高いプリンタや画面で表示しても） 文字がギザギザにならない。
文字の大きさに合わせて別のデータを使うことがある。 携帯電話などの小さい画面には、特別にデザインされたビットマップ・ フォントが見やすい。
アナログテレビ品質のデータ。
HDTV (高精細テレビ) High Definition TeleVision
１秒あたりのデータ量: 720*480*24*60 == 497,664,000 ビット。
DVD (片面２単層)には、約4.7Gバイト(37.6Gビット)のデータを保存することが できる。圧縮しないで動画像だけを保存した場合、
37.6 [G bit] / 497,664,000 [ビット/秒] == 約 80 [秒]。
とにかく圧縮したい。
DVD は、画質がよいか。
CD (圧縮されていない)と同じように、Ａ／Ｄ変換、Ｄ／Ａ変換の問題がある。
さらに、MPEG-2 で圧縮する時に、品質を調整できる。 品質を落とせば、長時間録音・録画できる。
平均的な DVD で想定されているデータ量
音質は、PCM (Linear PCM) なら、CD よりもよくできる。サンプリング・レー トやサンプリング・サイズが高くすることで。
Dolby Digital, MPEG Audio (MP3), DTS (Digian Theater Systems) では、CD よりも悪いこともある。ただし、サラウンド（チャネル数が２以上）は、 CD には企画がなく、DVD を選択するしかない。
現在、MPEG-1 と MPEG-2 の２つの規格が広く使われている。 MPEG-1は、ビデオテープ程度の画質で、352ドットx240ドットの画 像を毎秒30フレームで演奏することができる。Video CD 等で使わ れている。MPEG-2は、ハイビジョン程度の画質のもので、720ドッ ト×480ドット、または、1280×720ドットで、毎秒60フレームの演 奏が可能である。MPEG-2 は、DVD に使われており、２時間のビデ オを数Ｇバイトに圧縮することができる。現在、MPEG-4と呼ばれる 規格が審議されている。これは、Apple社が開発したQuickTimeがベー スになっており、64kbpsというISDN程度の転送速度で動画像と音声 を再生するための規格を目指している。
MPEG-2 形式のデータを再生は、専用のハードウェア、または、一 般の CPU で実行されるソフトウェアで行われる。再生時にはそれ ほど高い計算能力は必要としていないが、作成するためには高い計 算能力を必要とする。
MPEG では、動画像の各フレーム間の差分のみを保存することで高 い圧縮比率を実現している。さらに JPEG と同様に、ある種の劣化 圧縮の技術を用いており、人間の目では気が付かない部分のデータ を復元できない形で落している。
[azalea30:~] compsys1% lsDesktop Library Music Public WinFiles Documents Movies Pictures Sites public_html [azalea30:~] compsys1%
![[]](../icons/screen-cursor.gif)
MacOSX の Finder は、ディレクトリの名前を加工して表示する。
多くのシェル（csh,tcsh,bash,zsh）
やEmacsなどでは、
ホームディレクトリ「~」(ASCII 7e(16進数))で指定できる
〜は、ASCIIの形。
JIS では、￣となることがある。
他人のホーム・ディレクトリは、「~ユーザ名」で指定できるプログラムがある。 (指定できないもプログラムもある。)
「~xxx」と「~/xxx」のように 「~」直後に「/」の有無で意味が違う。
例
は、Command キー、
は、Shift キーを意味する。)
H)
A)
U)
G で、/ と打つ。)
G で、/usr/local と打つ。)
G で、/usr/local3 と打つ。)
Finder で表示するには、端末でシェルから open コマンドを使う方法もある。 次のように、ディレクトリ名を open コマンドの引数として与える。
% open /ディレクトリ名を与える時には、 tcsh の補完機能も使える。
リスト形式の表示で、ファイルを次の順番で表示しなさい。
リストの一番上にあるタイトルをクリックするたびに、順番が逆になる。
リスト形式の表示で、子供のディレクトリを表示しなさい。
% open /usr/local3/Applications/MulleSight.app
+C」を押す。
クリップボードにある画像を、「プレビュー.app」で保存する。
% open /Applications/Preview.app
% isightcapture mypicture.jpgくわしくは、
http://www.intergalactic.de/hacks.html
+E)」を選び、
画像として出力しなさい。
% open "/Applications/QuickTime Player.app"(
A で「アプリケーション(/Applications」)
ディレクトリを開き、QuickTime Player.app をダブルクリックする。
方法は、音声データの録音方法とよく似ている。プログラムを実行した後に、 「ファイル」メニューから「新規オーディオ録音」ではなく「新規ムービー録 画」を選ぶ。
tgif は、X Window System (X11) の機能を利用して動作する。 tgif を実行する前に X11 を実行(Dock の X11 をシングルクリック)しなさい。 そこで開かれた端末で tgif を実行しなさい。
参考: Unix Super Text 下巻「第53章 ドローツール」。
(1) 静止画像について次の操作を行いなさい。 次のいずれかの方法で、静止画像を含むファイルを作成しなさい。
画素数（横、縦のピクセル数）、色数を調べなさい。 画素数と色数は、「プレビュー.app(Preview.app)」の「ツール」メニューで 「情報を見る」を選択すると表示されるウインドウで調べられる。
画像ファイルを ls -l で表示しなさい。その結果を、端末プログラムのコピー ＆ペースト機能を使って以下に張りなさい。(Emacs の中で、M-x shell の機 能を使ってシェルを実行してもよい。)
注意：Finder で、ホーム・ディレクトリ以下の「書類」や「デスクトップ」と
表示されるディレクトリを用いてもよい。ただし、端末の中で、cd コマンドや
ls コマンドで指定する時には、「書類」「デスクトップ」で
はなく、「~/Documents」や「~/Desktop」と指定する。今日
の課題では、ファイル名には、漢字を含めず、アルファベット、数字、「.」を
使いなさい。
画像の形式を以下で示されたものに変換しなさい。そして、そのファイルの大 きさを示しなさい。
(2) 漢字800文字からなる文書を考える。漢字1文字を2バイト(16ビット)で符号 化すると、何バイト必要か。同じ文書を、１文字を16x16ドットのビットマップ・ フォントを使い画像に変換すると、何バイト必要になるか。（テキスト中の改 行などの制御コードや画像の行間などは無視して考える。）
(3) 音声について次の操作を行いなさい(加点課題)
次のいずれかの方法で音声データを作成し、ホーム・ディレクトリ、または、 その子供のディレクトリにファイルに保存(書き出し)しなさい。
(4) 動画像について次の操作を行いなさい(加点課題)
次のいずれかの方法で動画像データを作成し、ホーム・ディレクトリ、または、 その子供のディレクトリにファイルに保存(書き出し)しなさい。