サンプル問題１－3　デジタルデータの変換

さて、なおや君。コンピュータは何で音声や画像を扱えると思う？

ごめんごめん。コンピュータは自然界のアナログ信号をそのまま扱えないんだ。だから、音声や画像をデジタルに変換してから処理しているんだよ。

簡単に言うと、アナログは連続したもの、デジタルは不連続なものなんだ。アナログは滑らかな変化、デジタルは「ポンポン」って段階的に変わる感じかな。

そんなイメージだね。コンピュータやスマホの中では、音とか画像というアナログのデータを、デジタルに変換して扱っているんだよ。

いい質問だね。デジタルの３つの特性について説明しよう。

了解！まず一つ目は「スピードが早い」ってことだね。デジタル化された情報は、インターネットやネットワークを通じて、瞬時に送れるんだ。たとえば、メールと手紙を比べたらどうかな？

二つ目は、デジタルは「複製しても劣化しない」んだ。例えば、紙の資料をコピー機で何度もコピーしたら、だんだんと質が悪くなってくるよね。でも、デジタルなら何回コピーしても全く同じ品質のデータが手に入るんだ。

そうだね。しかも、デジタルだとコピーするのにコストも時間もほとんどかからない。モノを作る場合は原材料や時間がかかるけど、デジタルはその手間がないんだよ。

三つ目の特性は「組み合わせや変更が容易」ってことだよ。デジタルデータは、例えばプログラムの設定をちょっと変えたり、新しい仕組みを追加したりするのがすごく簡単なんだ。

その通り！例えば、アプリで撮った写真にフィルターをかけたり、SNSに投稿するのもすぐにできるでしょ？デジタルならこうした操作や組み合わせがあっという間にできちゃうんだよ。

デジタルの「速さ」「劣化しない」「変更の容易さ」という特性を組み合わせると、短期間でビジネスを大きく広げたり、新しい価値を作り出したりできるんだ。LINEを例に考えてみよう。

うん、「速さ」という点ではその通りだね、では「劣化しない」という観点で見るとどうだろう？

それから、LINEってアップデートがよくあるよね？あたらい機能が追加されたり、スタンプが追加されたり。これらもデジタルの「組み合わせや変更が容易」って特性のおかげなんだよ。

こうしてデジタルの「速さ」「劣化しない」「組み合わせや変更の容易さ」を理解すると、今の時代にどれだけデジタル技術が社会を変えているかがわかるだろう？

こうしたデジタルの特性を活用して、仕事や生活の仕組みを根本から変えることを「DX」、つまり「デジタルトランスフォーメーション」って言うんだよ。

それがA/D変換だよ。Aはアナログ、Dはデジタルの頭文字を取ったんだ。この変換には、標本化、量子化、符号化っていう手順があるんだ。まずは標本化から説明しようか。

標本化は、連続しているアナログ信号をどの点で区切ってデジタルデータにするかを決める作業なんだ。これを「サンプリング」とも言うよ。

そうだね、サンプリングの数が多いほど、元の音や画像に近いデジタルデータができる。でも、その分データ量も増えるんだ。

実は、標本化定理というのがあって、元の信号の最高周波数の2倍以上の周波数でサンプリングすれば、元のアナログ信号に復元できるんだよ。

周波数は「１秒間にどれだけ波が繰り返すか」を表すんだよ。単位はHz（ヘルツ）だ。

その通り。シャノンの定理は波の数の倍の間隔で標本化すれば、波の形をしっかり捉えられるといっているんだ。

次に「量子化」だね。これは、サンプリングした値を整数にすることを指すんだ。要するに、四捨五入みたいなものだね。

うん、実際は単純な作業だけど、この量子化でデータの精度が変わってくるんだ。整数にすることで、元のアナログ信号とズレることがあるからね。これを「量子化ノイズ」というものなんだ。

一つの方法は、量子化の段階で扱うデータの「ビット数」を増やすことなんだ。ビット数が多いほど、表現できる数値が細かくなって、元のアナログ信号に近いデータが作れるんだよ。でもビット数を増やすと、その分データ量も多くなってしまうんだ。

「量子」っていう言葉は、英語で「Quantum（クオンタム）」という言葉から来ているんだ。この言葉は「小さい単位」や「区切られたもの」という意味なんだよ。

そうそう。その通り！デジタル化の「量子化」も、アナログ信号の連続したデータを小さな単位、つまり「区切られた段階」に分けて、整数として表すということなんだ。

そして最後が「符号化」だよ。量子化で整数にした値を2進数に変換するんだ。10進数を0と1の2進数にする作業だね。

その通り！この符号化によって、アナログ信号が完全にデジタルデータになるんだ。これでコンピュータでも扱えるようになるんだよ。

そうだね。例えば、CDの音楽データは44.1kHzでサンプリングしてるんだ。これは、人間が聞こえる範囲である20kHzをカバーするために、その2倍以上の周波数でサンプリングしてるんだよ。

そうだね。それに画像の場合は、スマホやデジカメで撮影するときに使われる「CCD」や「CMOS」というイメージセンサーが、光を電気信号に変換しているんだよ。

さて、今までの授業内容をもとに、試験問題を解いてみようか。「次の文章の空欄（ク）～（コ）に入れるのに最も適当なものを選べ」という問題だよ。頑張ってみよう！

まず「手順2では（ク）」の部分だね。ここは手順2で何が行われているかを考えてみようか。

そうだね、いい感じだよ。じゃあ、選択肢のうちのどれかな？

その通り！ではこのことをなんという処理と呼ぶか思えているかな？

この言葉は「小さい単位」や「区切られたもの」という意味なんだけど。

正解、（ケ）の答えは「量子」だね。

さて、最後の「手順1から3のような方法でデジタル化された画像データは、（コ）」の部分に進もうか。このデジタル化されたデータにはどんなメリットがあるんだろうね？

正解！デジタルデータの一番の強みは、コピーを繰り返しても劣化しないことだよ。

圧縮には大きく分けて「可逆圧縮」と「非可逆圧縮」という2種類があるんだ。可逆圧縮は、圧縮しても元のデータを完全に復元できるけど、非可逆圧縮は、データを小さくするために一部の情報を削除しているんだ。

そうなんだ。例えば、デジカメで使われる、JPEGは非可逆圧縮を使っていて、圧縮すると元のデータには完全には戻せないんだよ。でも、圧縮したデータでも画質をそれほど気にしないなら便利だよね。