アナログ信号のディジタル化
2011年05月02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>
このページは、次の URL にあります。
http://www.coins.tsukuba.ac.jp/~yas/coins/literacy-2011/2011-05-02
あるいは、次のページから手繰っていくこともできます。
http://www.coins.tsukuba.ac.jp/~yas/
http://www.cs.tsukuba.ac.jp/~yas/
音をコンピュータで扱うには、次のような手順になる。
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]「*」は、コンピュータで掛け算を表す。割り算は、「/」。
8000 [回/秒] * 8 [ビット] * 1 == 64000 (64k) [bit]電話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。
分類
コンテナと音声データ
よく使われる音声用のコンテナ形式としては、次のようなもがある。
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（アウトライン） 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。
PostScript 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。
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。
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。
１秒あたりのデータ量: 1440*1080*24*30/2 == 559,872,000 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 [bit/s] == 約 67 [s]。
とにかく圧縮したい。
動画像データ形式の例:
コンテナ形式の例:
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。
電子メール は、電話や（普通の）手紙と同じように、個人と個人の間で情報を交換するた めの仕組み。
電子メールを読み書きするプログラムは、 メール・リーダ(mail reader) または、 メーラ(mailer) という。 「リーダ(reader)」といっても、書くこともできる。
種類
電子メールを使う上で重要な考え方
１通の電子メールは、次のような形式を持っているテキスト(文字データ)。
From: Shiro Yagi <shiro@is.tsukuba.ac.jp>
To: kuro@cc.tsukuba.ac.jp
cc: shiro@is.tsukuba.ac.jp
Subject: Visit my WWW page
Date: Mon, 19 Jan 2010 23:42:25 +0900
Message-Id: <201001231442.k0NEgPTw003900@maple.is.tsukuba.ac.jp>
こんにちは。白やぎです。
ＷＷＷページを作ったので見てください。URL は、
http://www.is.tsukuba.ac.jp/~shiro/
です。
♪♪ 白やぎ
♪♪ http://www.is.tsukuba.ac.jp/~shiro/
多くのメール・リーダでは、１通の電子メールのことを メッセージ(message) と呼んでいる。
電子メールのテキストは、大きくヘッダと本文に分かれる。
From:
To:
Cc:
Date:
Subject:
From: には、差出人の、
To: と Cc: には、受取人の電子メール・アドレスが置かれる。
電子メール・アドレス(e-mail address)
とは、電子メールを届ける時に配送プログラムが使う記号。
現在よく使われている形式:
user@domain
「@」より前の部分は、個人を特定するための情報。
「@」より後ろの部分は、
電子メールをどのコンピュータに届ければいいかを示している。
ドメイン形式のホスト名が使われる。
To:: とCc:: は、受取人の電子メール・アドレスが置かれる。どち
らにアドレスを書いても同じように届けらるが、To: は、本来の宛先を
書き、Cc: にはついでに連絡したい宛先を書く習慣になっている。Cc は、
Carbon Copy に由来する。
Date: は、電子メールが出された日付と時刻。
Subject: は、題名（題目、表題、件名）。
「件名」という日本語は存在しなかった。
電子メールの本文は、普通のテキストだが、１行の長さがだいたい漢字で３０ 文字〜３５文字、英語のアルファベットで６０文字〜７０文字になるように、 折り返されている（改行が入っている）。このようにしておくと、引用という 機能を利用する時に便利。
電子メールで 引用 とは、返事などを書いたときに何に対する返事か分かりやすいように他の人の 書いた電子メールの一部を自分の電子メールに含めること。
本文の末尾には、 署名 （ シグニチャ(signature) ） が現われることが多い（付けなくてよい）。
署名とは、普通の手紙の末尾に署名をするのと同じように、末 尾に自分の名前や自分独自の記号を書く。署名は、簡潔で短いものが好まれて いる。１つの目安としては、「４行以内」。
電子メールのメッセージの型式は、RFC822 (その改訂版のRFC2822) で定めら れている。
電子メールは、「 メール・ボックス 」と呼ばれている ファイル（またはディレクトリ） に保存される。メール・ボックスは、プログラムによっては、 フォルダ(folder) や トレイ(tray) と呼ばれることもある。 メール・ボックスには、次の２種類がある。
/var/spool/mail/userや
/var/mail/userという名前のファイル。
(coins では、
各自のホーム・ディレクトリの下の ~/Maildir/ の下。
)
メール・リーダが表示するのは、多くの場合、後者のメール・ボックスである。 新しく届いたメールを読む時には、前者から後者へメールを移す必要がある 場合がある。 この作業を、 「 (電子メールを)取り込む(incorporate) 」とう。
配送プログラム用メール・ボックスは、１つのサーバで１人で１つだけだが、 ユーザ用メール・ボックスは、必要に応じていくつか作ることができる。
メール・リーダで電子メールを発信する時にも、SMTP という仕組みが使われることがある。
POP では、配送プログラム用メール・ボックスを読み書きする機能がある。 IMAP では、それに加えて、複数のユーザ用メール・ボックスを扱えるように なっている。
SMTPによるメールの送信・転送、POP、IMAPによるメール・ボックスのアクセス
電子メールで仕事をしていると、単にメールを出すだけではなく、受け取った
電子メールに対して返事を出すことが多い。そのため、メール・リー
ダでは、返事を出す作業を簡単に行うことができるようになっている。返事
を出すことを
リプライ
するともいう。返事を出す時には、To: が自動的に作られるだけで
なく、Subject: も同じもの、あるいは、にRe: が付い
たものが自動的に付けられる。
電子メールで返事を出す時には、相手のメールの内容を引用することがある。
この時、相手が書いた部分と自分が書いた部分を区別するために、相手
が書いた部分の行の先頭には、引用のための記号を付ける習慣がある。こ
の記号には、「>」や 「>>」、
タブがよく使われる。
受け取ったメールを、別の人に送ることを、 転送(forward) という。 多くのメール・リーダでは、手作業で転送できるようになっている。
複数のメール・アドレスがある人は、あるアドレスに届いた「全て」のメールを、 別のメール・アドレスの所に自動的に転送できる場合がある。 については、
メールの数が増えてきたら
多くのメール・リーダは、長いアドレスや複数のアドレスを短い 別名(alias) で参照できるようになっている。 別名には、個人で付けるものの他に、システム全体で付けるものがある。
From: Shiro Yagi <shiro@is.tsukuba.ac.jp>
To: s1012345@coins.tsukuba.ac.jp
Subject: Re: [coins-computer-literacy-a] Assignment-3, e-mail reply (2010012345)
Date: Fri, 23 Apr 2010 16:15:25 +0900
Message-Id: <201004251615.k0NEgPTw003900@azalea20.coins.tsukuba.ac.jp>
コンピュータ・リテラシＴＡの○○さん
こんにちは。コンピュータ・リテラシの授業を受けている白やぎです。
４月２４日に出された課題の電子メールを提出します。
> この行と次の行だけを引用してください。返信には、このメールを
> 書いた日付と時刻を入れてください。
2010年4月23日 15:10です。
よろしくお願いします。
白やぎ
方法1: 引数にファイル名を与える方法。
C-x C-sで保存
C-x C-cで終了
C-x C-fで、編集したいファイルを選ぶ。
存在しないファイルを選べば、新規作成として扱われる。
C-x C-sで保存
C-x C-cで終了
$ open /Applications/coins/MulleSight.app ![[←]](../icons/screen-return.gif)
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「coins」を開き、その中の 「MulleSight.app」をダブルクリックする。
+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。
「ツール」メニューから「サイズを調整」を選ぶ。
カーソルが「+」になっている時に、対角線をドラックする。 点線が表示されたら、丸い部分をドラッグして動かす。
次の資料を参考にして， Thunderbird で電子メールを 読み書きできるように設定しなさい。
| IMAPサーバ上の名前 | Thunderbirdの表示 |
|---|---|
| Sent | 送信済みトレイ |
| Drafts | 下書き |
| Trash | ゴミ箱 |
[6月7日追加]
次の手順で、発信するメールの From: に名前(人間用の文字列)を入れること。 学籍番号のアドレスでは、受け取った人が分かりにくい。メールは、全世界に 送ることもあるので、英語(ASCII)で記述するとよい。
https://www.coins.tsukuba.ac.jp/webmail/ にログインする。
$ isightcapture mypicture.jpg
$ isightcapture -w 320 -h 240 -t png mypicture.png
くわしくは、http://www.intergalactic.de/pages/iSight.html
$ open /Applications/coins/ToyViewer.app
$ ls -l file1.jpg file1.png
ls: file1.png: No such file or directory
-rw-r--r-- 1 yas prof 37780 4 26 11:48 file1.jpg
$ convert file1.jpg file1.png
$ ls -l file1.jpg file1.png
-rw-r--r-- 1 yas prof 37780 4 26 11:48 file1.jpg
-rw-r--r-- 1 yas prof 132672 4 26 18:51 file1.png
$ ![[]](../icons/screen-cursor.gif)
変更後、ファイルの内容を表示しなさい。また、
プレビュー.app(Preview.app)のインスペクタ
を使って、ファイルの形式や画素数がどのように変化したかを調べなさい。
類似の操作を cp コマンド(ファイルのコピー)や mv コマンド(ファイル名の変 更) でも行ってみなさい。この時には、ls -l によるファイルの大きさが変化しないこと、また、 ファイルの形式や画素数が変化しないことを確認しなさい。
$ open /Applications/Gimp.app
画像の作成、画像形式の変換、簡単な図形や文字の追加などを行いなさい。
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。
http://www.tsukuba.ac.jp/about/videoclip.html,筑波大学等紹介ビデオ,筑波大学学群紹介ビデオ
http://movie.emc.tsukuba.ac.jp/official/imagine_the_future2011/,IMAGINE THE FUTURE ?未来を想え
http://movie.emc.tsukuba.ac.jp/official/e23/e23b1.html,平成23年度筑波大学学群・大学院合同入学式
次の３つのアプリケーションが利用できる。
+I)」を選ぶ
open /Applications/coins/VLC.appdnl
+I)」を選ぶ。
$ say "hello,world" 一行分ならそのまま引数に渡す
$
$ say
hello,
world
複数行なら、引数なしで実行し最後に Control-D
$
次のように -o オプションを指定すると、スピーカではなくファイルに出力す
る。
$ say "hello,world" -o hello.aiff
$
この機能を利用して、音声データを含むファイルを作成しなさい。
$ emacs で平仮名の含むファイルを作る。
$ nkf -w filename.txt | saykana
$ nkf -w filename.txt | saykana -o file.aiff
くわしくは、
Webページ
を参照しなさい。
$ 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 open /Applications/coins/VLC.app
付属のドキュメントを読みなさい。
$ open /Applications/coins/VLC.app/Contents/Resources/README.MacOSX.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。
soxi コマンドは、音声データが含まれているファイルの中のチャネル数やサン プリングレートを表示するコマンドである。このコマンドを利用してみなさい。 詳しくは、man soxi を見なさい。
@coins.tsukuba.ac.jp」)、パスワード(ログイン)を打ち込む。
lilac-nwd.coins.tsukuba.ac.jp」、
ユーザ名は、ログイン名、
パスワードとしては、ログインパスワードを打ち込む。
「続ける」ボタンを押しても進まない時には、キャンセルして続ける。
lilac-nwc.coins.tsukuba.ac.jp」と打つ。
「説明」には、「coins smtp」等とうつ。
「認証を使用」のチェックを入れる。ユーザ名とパスワードを打つ。
最後に「続ける」ボタンを押す。
@coins.tsukuba.ac.jp」、
ユーザ名が「ログイン名 」
lilac-nwd.coins.tsukuba.ac.jp 」、
「SSL:」が「入」。
lilac-nwc.coins.tsukuba.ac.jp 」、
「SSL:」が「入」。
図? MacOSX Mail.app IMAP+SSL アカウントの設定。(クリックで拡大)
なお、coins の環境では、UCB Mail コマンドでメールを受信（受け取ったメー ルの表示）をすることはできない。
(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。
(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、形式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) TA からのメールを読みなさい。それに対して、Thunderbird の返信機能を使っ て返事を出しなさい。
TAからの返事を、From:, Date:, Subject: が分かる形でファイルに保存しなさ い。それには、たとえば「ファイル」メニューから「別名で保存」を選択する 方法がある。それを、Emacs の C-x i等を使ってレポートに含めなさい。
レポートには、電子メールとしての形状を崩さない形で、かつ、不要な部分は 削除して読みやすい形にしなさい。過度の編集はさけること。たとえば、不要 部分の行単位の削除はよいが、内容の編集、行の結合、改行の挿入等は行って はならない。
(5) このページの電子メールに関する説明、および、 電子メールに関する知っておきたいことを読み、 大事なことを10行-15行でまとめなさい。この時、Emacs の fill-paragraph (M-q, Esc q) の機能を使って、折返し整列えをしなさい。
(6) The Unix Super Text の次の部分を読みなさい。
2>file」の意味
(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。