アナログ信号のディジタル化
2009年04月28日
情報科学類 コンピュータリテラシ
筑波大学 システム情報工学研究科
コンピュータサイエンス専攻, 電子・情報工学系
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。」
tcsh でも、Emacs 風のキーが使える。
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)。
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。
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。
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。
図? 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。(クリックで拡大)
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。
<svg> <line x1="10" y1="100" x2="100" y2="100" style="stroke:blue" /> <rect x="20" y="200" width="100" height="50" style="fill:red; stroke:red;" /> <circle cx="300" cy="300" r="50" style="fill:yellow; stroke:yellow;" /> </svg>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。
動画像でコーデックとは、データ圧縮のアルゴリズムのことを指すことが多い。
例:
コンテナ・フォーマットの例:
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 には規格がなく、DVD を選択するしかない。
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。
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。
名前の末尾に「~」がつくファイルが勝手に作られることがある。
多くの場合は、Emacs が編集前のファイルを保存したもの。
これは、ホーム・ディレクトリとは関係がない。
例。
literacy-assignment-4.txt
literacy-assignment-4.txt~
Emacs の version-control 機能を使うと、複数の編集前のファイルが残せる。 詳しくは、M-x info の Emacs, Backup, Names 参照。
例
注意：ファイルの名前を変更しても、ファイルの内容は変更されない。
% mv file1.png file1.pdf ![[←]](../icons/screen-return.gif)
このようにファイル名の拡張子を変更しても、ファイルの内容（画像形式）は
変更されない。
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 /
% open ~
% open .
% open ~/Documents
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
または、Finder の「移動」メニューから「アプリケーション」を選択し、その
中の「プレビュー」をダブルクリックする。
~/Desktop/CamGrabberPhotos/ に保存される。
% isightcapture mypicture.jpg
% isightcapture -w 320 -h 240 -t png mypicture.png
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。
ユーザーズガイドに含まれているミニ・チュートリアルを行いなさい。
http://www.act2.com/download/link_download.php?name=OG4_UserGuide.pdf&id=148&m=1 。
画素数や色数を変更するとどうなるか調べなさい。 観察が終わったら元の状態に戻しなさい。
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。
The Unix Super Text 下巻 第53章 ドローツール 参照。
http://ayapin.film.s.dendai.ac.jp/~matuda/Tgif/tgif.html 参照。
音量の調整や消音は、ファンクションキー(F3,F4,F5)を使っても可能である。
http://www.coins.tsukuba.ac.jp/06_pamphlet.html
次の３つのアプリケーションが利用できる。
+I)」を選ぶ
+I)」を選ぶ。
open /usr/local3/Applications/vlc-0.9.9a/VLC.appdnl
% open "/Applications/QuickTime Player.app"
注意: 空白を含んでいるので、" " でくくる必要がある。
( 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。
% open /usr/local3/Applications/vlc-0.9.9a/VLC.app
付属のドキュメントを読みなさい。
% open "/usr/local3/Applications/vlc-0.9.9a/Read Me.rtf"
演奏できるコーデックとコンテナ・フォーマットを調べなさい。
VLC media player は、保持しているデータを他のコンピュータで実行している VLC media player に配信する機能がある。このことを確認しなさい。
(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。
(2) (1) で作成した画像について、次のことを調べなさい。
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。
(3) (1) で作成した画像の形式を以下で示された形式（元の形式を除く）に変 換しなさい。レポートには、変換方法を記述しなさい。（注意：ファイル名の 拡張子を変えるのではなく、変換機能をもつプログラムでファイルの内容を変 更する。）
(4) 漢字400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、エスケープ・シーケンス、および、画像の行間などは無 視して考える。）
(5) The Unix Super Text の次の部分を読みなさい。
(6) [加点] 音声について次の操作を行いなさい。
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。その方法をレ ポートに記述しなさい。
(7) [加点] 動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。その方法をレ ポートに記述しなさい。