情報処理応用B第02回/InfoAdv02

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1. 情報処理応用B 第2回 情報の表現（文字，音声，画像） 藤田 一寿
2. 講義の予定 第1回 ガイダンス 第2回 情報の表現（画像，音声，文字コード） 第3回 ハードウェア・産業構造 第4回 ソフトウェアの種類・ライセンス・特許 第5回 インターネットとビジネス 第6回 コンピュータネットワークの仕組み 第7回 情報セキュリティ 第8回 IoTとビッグデータ 第9回 人工知能１ -人工知能時代の到来- 第10回 人工知能2 -人工知能を実現するには- 第11回 人工知能3 -人工知能の技術- 第12回 人工知能4 -人工知能を使いこなす上で 必要な能力- 第13回 人工知能5 -人工知能研究者はどこに進 めばよいのか- 第14回 人工知能6 -プロンプトエンジニアリン グ- 第15回 人工知能7 -人工知能のリスク-
3. 情報の表現
4. 目的 • データ量の定義と計算を学ぶ． • コンピュータにおける文字，音声，画像の表現方法について学ぶ．
5. コンピュータでの情報表現 • コンピュータは0と1しか扱えない． • コンピュータが扱うあらゆる情報は0と1で表現されている． • 文字，音声，画像などの情報をコンピュータで扱うためには０，１す なわち２進数で情報を表す必要がある． 1001110100101 変換 変換 スマホの中の音声 1001110100101 PCの中の文書
6. データ量
7. データ量 • コンピュータでは，あらゆるデータが2進数で表されている． • その為，コンピュータで扱うデータの量は2進数を扱うのに便利なよう に決められている． 殆どの場合データ量は情報量ではない！！ 興味がある人は情報理論を学ぼう．
8. データ量の単位 • ビット (bit) • データが2進数何桁で表されるかを表す量 • あるデータが001で表されるのならば3ビットとなる． • バイト (byte) • 8ビットで表されているデータの量を1バイトとする． • 例：1Gバイトのファイルは，8000000000個の2進数で出来ている． データ通信20Gバイト→1ヶ月に160000000000個の2進数を受信できる． WiFi 54Mbps→1秒間に54000000個の2進数を受信できる．
9. データ量と補助単位（接頭辞） • コンピュータでは，我々が普段使う補助単位で表されたものと，コン ピュータ特有のルールで定められた補助単位を使う場合がある．どち らを表しているか場合によって異なるので注意を払う必要がある． (金谷・服部, 基礎から学ぶ医療情報)
10. おまけ：ハードディスクやSSDの容量 • 2TB (Bはbyte)と書かれているハードディスクを購入したが， Windowsでは2TBと認識されていなかった．しかも，Windowsでは容 量が少なく表記されている． • メーカーや店が詐欺をしている? • メーカーは1000GB = 1TBで計算していたが，Windowsでは1024GB = 1TBで計算しているので，Windowsではメーカー表記の容量より少なくな る． • 2,000,000,000,000/1024/1024/1024/1024 = 約1.8TB
11. データの圧縮・展開 • データを小さくすることを圧縮，圧縮したデータをデータをもとに戻 すことを展開という． • 圧縮：データを小さくすること． • 展開：圧縮されたデータをもとに戻すこと． • 可逆圧縮：元のデータに戻せる圧縮． • 非可逆圧縮：元のデータに戻せない圧縮．音楽，画像，動画などが対象． • 圧縮ファイルの形式例 • zip • WindowsやMacOSの標準圧縮形式． • 通常この形式以外を使うことはない． ファイル 圧縮 ファイル 圧縮 展開，解凍 データ量を小さくする データを元に戻す 発展：データ量＞=情報量だから，データには余剰な部分がある． それを少なくすることでデータ量が減らせる（圧縮できる）．
12. 文字の表現
13. 文字の表現 • コンピュータで文字を表現するためには，文字と２進数の対応を決め る必要がある． • 各人，各組織が勝手に文字と２進数の対応を決めると，他の人，他の組織 の人が読めなくなる． • 共通のルールが必要になる． • 各文字に割り当てられる２進数表現，もしくは，文字と２進数の対応 関係（コード体系）のことを文字コードという． 文字 文字コード 0 0110000 A 1000001 z 1111010 文字 2進数 一対一に対応させる 例
14. ASCIIコード（アスキーコード） • ASCII (American Standard Code for Information Interchange)コード はANSI (American National Standard Institute: 米国規格協会)により 開発された7ビットの文字コード． • 文字コードは8ビット（1バイト）で表現され，残り1ビットは世界中 で使用される様々な文字を割り当てて利用される． 文字 文字コード カッコ内16進 0 0110000 (30) A 1000001 (41) z 1111010 (7a)
15. 日本語の文字コード • JIS漢字コード • 16ビット（2バイト）で表させるため2バイトコード（2バイト文字）と呼 ばれる事がある． • Shift-JIS • Windowsで使われていた経緯からよく用いられる日本語文字コードの一つ である． • EUC-JP • UNIX系のシステムでよく用いられていた．
16. UTF-8 • ASCIIコードに世界中の文字を加えたもの． • 現在最も標準的な文字コード • 日本ではUTF-8かShift-JISをよく目にする．
17. 文字化け • 文字コードはたくさんあるため，ファイルの製作者が指定した文字 コードとファイルを開く人が指定した文字コードが異なると，ファイ ル製作者の意図した文章が表示されない． • 誤った文字コードでファイルを開いた場合，図のように意味をなさな い文字の羅列で表示される．これを文字化けという． • なぜ文字化けが起こるのか • ソフトウェアごとに標準の文字コードが異なる． • UTF-8への以降の過渡期のため様々な文字コードで書かれたファイルが混 在している． Aを000として文 章を書こう． 000を送る 000は0だから， あの人0を送っ てきた．
18. 音声の表現
19. 音声の表現 • 音声は波として表現できるアナログ情報． • 音は大きさとその時間変化で表される． • 音声をデジタル信号に変換するためには離散化する必要がある． • 離散化とは，連続の数値（連続値）を不連続の数値（離散値）に変換する こと • 音声をコンピュータで扱えるようにするには，標本化，量子化，符号 化という３つの処理を行う． (金谷・服部, 基礎から学ぶ医療情報)
20. 音のデータに変化する流れ 標本化 符号化 音を時間方向に離散化す る． 一定時間ごとに音の大き さの数値を保存する． 大きさ 時間 大きさ 時間 大きさ 時間 サンプリング 量子化 大きさ 時間 0000 0010 0100 0110 0100 0000 0001 0010 0010 0011 0100 0101 0110 音の大きさの数値を離散 化する． 時間と大きさの数値を2 進数に変換する．
21. 典型的な音声データ • サンプリング周波数：44.1kHz • 1秒間あたりの44100個の数値で音声を表現 • 約0.000023秒ごとに音を分解 • 人の聞こえる上限の周波数（約20kHz）の2倍 • サンプリング周波数は音源の上限周波数の2倍必要（標本化定理） • 量子化ビット数：16bit（2B） • 65536段階で音の大きさを記述 • チャンネル数：2ch（ステレオ） 65536段階に 分ける． 1秒間あたり44100の数値がある． 大きさ 時間
22. ハイレゾリューション（ハイレゾ）オーディオ • ハイレゾ・オーディオとは • CD音源よりサンプリング周波数か量子化数が多い音源もしくはそれを再生する 機器のこと • 人間の聞こえない音も再生，録音できるもの • 定義は曖昧 • 日本オーディオ協会による定義 • アナログ機器 • 録音マイクの高域周波数性能： 40kHz以上が可能であること。 • アンプ高域再生性能: 40kHz以上が可能であること。 • スピーカー・ヘッドホン高域再生性能: 40kHz以上が可能であること。 • デジタル機器 • 録音フォーマット: FLAC or WAVファイル96kHz/24bitが可能であること • 入出力I/F: 96kHz/24bitが可能であること。 • ファイル再生： FLAC/WAVファイル96kHz/24bitに対応可能であること。（自己録再機は、FLACまたは WAVのどちらかのみで可とする） • 信号処理: 96kHz/24bitの信号処理性能が可能であること。 • デジタル・アナログ変換: 96kHz/24bitが可能であること。 (https://kakaku.com/kaden/article/high-resolution-audio/)
23. ハイレゾオーディオ • ハイレゾ＝高音質ではないことに注意 • ハイレゾはただ可聴領域をこえた高周波数を含む音を含むというだけ • ハイレゾでは 高周波数の音 （ギザギザの音）をギザギザのまま表現で きる． • ハイレゾで音が滑らかになることはない． • 高周波数成分を持たないほうが滑らかになる． • より高周波数成分を含めるということは，時間変化の激しい波を表現でき るようになるということ． ローレゾの音声 ハイレゾの音声 ギザギザを表現できず なめらかな波になる ギザギザを表現できる． 原音
24. 音声ファイルの種類 • 非圧縮音声フォーマット • 圧縮していない． • データ量がものすごく大きい． • wavなど • 非可逆圧縮音声フォーマット • 圧縮されている． • 圧縮されているデータは元の音声データに戻らない． • 簡単に言えば，人が音声から得られる情報に影響を与えない音を削除しデータ量 を減らす． • mp3，m4aなど • 可逆圧縮音声フォーマット • 圧縮されている． • 圧縮されているデータは元の音声データに戻すことが出来る． • 圧縮率は非可逆圧縮されたものより低い • FLAC，Apple Losslessなど ファイル 圧縮 ファイル 圧縮 データ量を小さくする 元のファイルに戻らない：非可逆圧縮 元のデータに戻る：可逆圧縮
25. 音声ファイル • WAV • 非圧縮音声フォーマット． • MP3 (MPEG-1 Audio Layer-3) • 音声を圧縮して保存する形式． • 人間の聴覚心理を利用した圧縮がされている．非可逆圧縮． • mp4/m4a • MPEG-4規格の一部． • 非可逆圧縮． • MIDI • 音声そのものではなく，デジタル楽器の演奏データを保存することができ るファイル形式．
26. 画像の表現
27. 画像をコンピュータで扱うには • コンピュータは連続した数値を扱えない． • 画像全体を小さな四角の集まり（ピクセル / 画素）で表現する． • つまり，場所情報は離散値（整数）で表すことになる．
28. 画像をコンピュータで扱うには • 画像全体を小さな正方形の集まり（ピクセル）で表現する． • ピクセルごとに色の情報を持っている． • しかし，コンピュータでは色も連続値で表現できない． • コンピュータでは色も離散値で表さなければならない．
29. 画像データ • 画像は小さな正方形の集まりで表現される． • この正方形は格子状に並んでいる． • この正方形のことを画素もしくはピクセルと呼ぶ． • 各画素は色情報を持っている． • 色も離散値で表される． 画素（ピクセル） A デジタル化
30. 画像のデジタル化の流れ 標本化（サンプリング） 量子化
31. 音のデータに変化する流れ (CG-ARTS, ディジタル画像処理) 元画像 標本化 空間をピクセル で分ける． 場所を離散化す る． 量子化 色の濃淡を離散 値に変換する
32. カラー画像と色
33. そもそも色とはなんだろう？
34. 光のスペクトル 入射光（様々な振動数 の光で構成される） 入射光が振動数ごとに分解される スペクトルを見ることで，入射光にどのような光が入っているかがわかる．(白い光はすべての色を含んだ光)
35. 何故物に色は付いているのか 目 反射 光 青、赤を吸収 白い光 緑の光が反射 光は白く見える 物は緑に見える
36. 目の構造 • 瞳孔 • 光の量を調節する．カメラの絞りと同様の役割． • 水晶体 • 焦点を合わせる．カメラのレンズと同様の役割． • 網膜 • 網膜にある視細胞が光を活動電位に変換する．カメ ラの光センサーと同じ役割をする． • 視細胞 • 桿体細胞と錐体細胞がある． • 桿体細胞は弱い光でも働くが色の区別はできない． • 錐体細胞は特定の周波数の光に応答し，色覚の基礎と なる．
37. 目の色に対する特性 (Neuroscience 3rdEd) 人間の目の網膜には，赤，緑， 青それぞれの色に対応したセン サーがある． 青 緑 赤
38. 光の三原色 • ３種類の色を混ぜて様々な色（光）をつくる（加法混色）． • 人は赤，緑，青の色を捉えるセンサを持つため，赤，緑，青を混ぜて 色をつくる． • 光は混ぜることで，白に近づく． • 赤，緑，青を光の三原色という． • 赤，緑，青の英語の頭文字から RGBカラーと呼ばれる．
39. カラー画像の構成 (CG-ARTS, ディジタル画像処理) R G B 画素を拡大 （実際にディスプレイ を拡大すると１画素に つき３色見える） 赤，緑，青の強さをあらわす画像がある． それら一組でカラー画像になる． 3つの画像を同時に表示することで，人間に は色がついて見える．
40. 画像ファイルの種類 • Windows Bitmap (bmp) • Windowsの標準的な画像ファイル形式 • 基本的に無圧縮で保存するため，ファイルサイズが大きくなる． • JPEG (ジェイペグ，Joint Photographic Experts Group) • 非可逆圧縮のため，画像は圧縮され画質が劣化する． • 静止画像の主流な画像形式． • 自然画像の記録に向いている． • PNG (ピング，Portable Network Graphics) • 可逆圧縮のため，画像は圧縮されているが画質に劣化がない． • 透過度の情報も保存できる． • GIF (ジフ) • 256色以下の画像を扱うことができる． • 可逆圧縮のため，画像は圧縮されているが画質に劣化がない．256色に減色されて いる時点で劣化しているが… • アニメーションの保存もできる． ファイ ル 圧縮 ファイ ル 圧縮 データ量を小さくする 元のファイルに戻らない：非可逆圧縮 元のデータに戻る：可逆圧縮
41. 画像や音楽で非可逆圧縮が用いられるのはなぜか？ • 非可逆圧縮では，圧縮したファイルはもとに戻らない． • Wordファイルが非可逆圧縮されると，圧縮前に書かれていた文章は読 めなくなる． • 文章などでは非可逆圧縮は使えない． • 画像や音楽は人間が分かれば良い． • 画像や音楽の中身が分かる程度にデータが劣化しても問題ない． • もちろん劣化しないほうが良いが，画像や音楽はデータ量が大きいので質 よりデータの削減を優先．
42. その他
43. 2D CGと3D CG • 2次元コンピュータグラフィックス (2D CG) • CGのうち、2次元（平面）の対象領域に画像を描くこと，または，2次元平 面上に描かれたCGのこと（IT用語辞典バイナリ）． 紙→画面内のキャンバス 色を塗る→画面内のキャンバスの色を変える
44. 3DCGの簡単な原理 • 3次元コンピュータグラフィックス (3D CG) • CG（コンピュータグラフィックス）のうち，コンピュータ上で立体空間の 情報を生成し，仮想的な3次元の世界を投影したCGのこと（IT用語辞典バ イナリ）． • 立体を作成し（モデリング），その立体の配置や素材，光源などを設定し， それに基づき画像を生成する(レンダリング)． モデリング レンダリング 例え：コンピュータ内で フィギュアを作る 例え：コンピュータ内のフ ィギュアの写真を取る．
45. 3D プリンタ • 3Dデータ（CADデータ）から速く安くものを作ることができる． • 3Dプリンタは数万円から購入できる． • 自作も可能 • 樹脂だけではなく，金属も扱える． • コンクリートを用い家を建てた例も． 学生作 (キャノンマーケティングジャパン)
46. 画像処理の流れ 2次元データ 実空間 3次元データ 物体 画像 3Dスキャナ 3Dプリンタ レンダリング デジタルカメラ スキャナ ディスプレイ プリンタ モデリング ペイント ソフトなど
47. VR・AR・MR • 仮想現実 (Virtual Reality: VR) • コンピュータの中に作られた仮想的な世界を，あたかも現実のように体験 させる技術 (ASCII.jpデジタル用語辞典) • 拡張現実 (Augmented Reality: AR) • 人が知覚する現実環境をコンピュータにより拡張する技術、およびコン ピュータにより拡張された現実環境そのもの（wikipedia） • 複合現実 (Mixed Reality: MR) • 現実空間と仮想空間を咬合し，現実のモノと仮想のモノがリアルタイムで 影響し合う新たな空間を構築する技術 (wikipedia) • VR，ARのビジネスは歴史が古く，昔から「サービスが出ては，話題 になり，そして消える」を繰り返し，なかなか普及しない．
48. 例 • セカイカメラ • ARのサービス．スマホのカメラの画像に情報をのせる． • 2009年商用サービス開始 • 2014年全サービス終了 https://www.itmedia.co.jp/news/articles/1312/17/news086.html https://www.itmedia.co.jp/mobile/articles/1004/12/news065.html
49. 例 2015年発売 スマートグラス．工場のマニュアル表示に使う．
50. 例 • スマートグラスでぶどうの剪定作業を支援 • 剪定すべき粒をスマートグラスで支援する． • 熟練者と同レベルの精度 (総務省資料： https://www.soumu.go.jp/main _content/000728561.pdf)
51. 例 • バーチャルボーイ • 1995年発売 • ヘッドマウントディスプレイで表示される３Dのゲームができる．
52. 例 https://www.youtube.com/watch?v=opsyzzHMJ3o 2020年発売
53. https://www.youtube.com/watch?v=gZ9IsB72nVk 2025年発表
54. メタバース • コンピュータの中に構築された、3次元の仮想空間やそのサービス （wikipedia） • 仮想空間サービスの言い換えに過ぎず，昔から存在している． • Second Life (2003年サービス開始) • デジタルコンテンツをユーザが作ることが出来る． • 作ったコンテンツを売り買いすることが出来る． • 土地の売り買いレンタルが出来る． • Second Life内通貨はドルに変換可能 • FF14は現在最も普及しているメタバースとも言える． • Apexもメタバースと言えるかもしれない． • Apexで同窓会？
55. 演習
56. 演習 • 音声などのアナログデータをディジタル化するために用いられるPCM において，音の信号を一定の周期でアナログ値のまま切り出す処理は どれか．（基本情報技術者平成29年春期） 1. 暗号化 2. 標本化 3. 符号化 4. 量子化
57. 演習 • 音声などのアナログデータをディジタル化するために用いられるPCM において，音の信号を一定の周期でアナログ値のまま切り出す処理は どれか．（基本情報技術者平成29年春期） 1. 暗号化 2. 標本化 3. 符号化 4. 量子化 小テストで出る．
58. 演習 • 3Dプリンタの特徴として、適切なものはどれか。（ITパスポート平成 31年春期） 1. 3D効果がある画像を、平面に印刷する。 2. 3次元データを用いて、立体物を形する。 3. 立体物の曲面などに、画像を印刷する。 4. レーザによって、空間に立体画像を表示する。
59. 演習 • 3Dプリンタの特徴として、適切なものはどれか。（ITパスポート平成 31年春期） 1. 3D効果がある画像を、平面に印刷する。 ホログラムです． 2. 3次元データを用いて、立体物を形する。 3. 立体物の曲面などに、画像を印刷する。 4. レーザによって、空間に立体画像を表示する。
60. 演習 • AR(Augmented Reality)の説明として，最も適切なものはどれか。（基本 情報技術者平成30年春期） 1. 過去に録画された映像を視聴することによって，その時代のその場所に いたかのような感覚が得られる。 2. 実際に目の前にある現実の映像の一部にコンピュータを使って仮想の情 報を付加することによって，拡張された現実の環境が体感できる。 3. 人にとって自然な3次元の仮想空間を構成し，自分の動作に合わせて仮 想空間も変化することによって，その場所にいるかのような感覚が得ら れる。 4. ヘッドマウントディスプレイなどの機器を利用し人の五感に働きかける ことによって，実際には存在しない場所や世界を，あたかも現実のよう に体感できる。
61. 演習 • AR(Augmented Reality)の説明として，最も適切なものはどれか。（基本 情報技術者平成30年春期） 1. 過去に録画された映像を視聴することによって，その時代のその場所に いたかのような感覚が得られる。 2. 実際に目の前にある現実の映像の一部にコンピュータを使って仮想の情 報を付加することによって，拡張された現実の環境が体感できる。 3. 人にとって自然な3次元の仮想空間を構成し，自分の動作に合わせて仮 想空間も変化することによって，その場所にいるかのような感覚が得ら れる。 VRです． 4. ヘッドマウントディスプレイなどの機器を利用し人の五感に働きかける ことによって，実際には存在しない場所や世界を，あたかも現実のよう に体感できる。 VRです．
62. 出席確認