２０１７年度 春学期・（ 火II ）● 様々なデータ圧縮方法

情 報・ 連長（ランレングス）圧縮（Run Length Encoding）

１０. デジタル画像

圧縮

第５回目

Ｃ５Ｂ２Ａ７Ｂ４Ｃ２Ｂ６Ａ４ＣＣＣＣＣＢＢＡＡＡＡＡＡＡＢＢＢＢＣＣＢＢＢＢＢＢＡＡＡＡ

第５回目 「マルチメディアデータ」（続き）「マルチメディアデータ」

データの読み取り

10. デジタル画像（続き）
11. デジタル音声
12. デジタル動画

・ ＬＺ７７ ： 1977年にジェイコブ・ジブとエイブラハム・レンペルが開発した。以前に同じデータ列が現れていたら、その場所と長さに置き換える。1978年に、文字列を動的に符号化しながら辞書化するLZ78に改良された。

「ＩＣＴを活用した問題解決」
13. ICTを活用した問題解決

ＣＣＤＣＣＢＢＡＡＡＤＡＡＢＢＣＣＢＢＢＢＢＢＡＡＡＤＢＣＣ
データの読み取り

１６個前から６個分

東京学芸大学 自然科学系
宇宙地球科学分野 講師
講義資料は、http://astro.u-gakugei.ac.jp/~nishiura
西浦 慎悟
 「西浦クンの講義室」に縮小版（PDFファイル）を置く予定● 最初に

１０. デジタル画像

・ ＬＺＳＳ ： １９８２年にジェイムズ・ストレーとトーマス・スツィマンスキルによってＬＺ７７から改良・考案された。データ列が一致するか否かを符号化することで圧縮率を向上している。

第５回目

・ ハフマン符号（Huffman coding） ： 1952年にデビット・ハフマンが開発した符号化方式。データ圧縮に使用される。文字列を符号化する際に、出現回数が多い文字に短いビット列、出現回数が少ない文字に長いビット列を与えることで、データ量を削減する。

第５回目

１１. デジタル音声● 音声のデジタル化
アナログ音声音量

ＤＡＥＢＣＢＡＣＢＢＢＣ  文字５種類  １文字３ビット

サンプリング音量

 ３ビット×１２文字列 ＝ ３６ビットが必要
文字個数符号

Ａ２１１０

時間

合計２５ビットが必要

Ｂ５０

Ｃ

３１０

Ｄ

１１１１０Ｅ１

１１１１

約７０％の圧縮音
量・ ＬＺＷ ： テリー・ウェルチがLempel-Ziv法（ＬＺ７８）を改良したもの。名称は開発者のLempel、Ziv、Welchの頭文字に由来する。GIFやTIFFで使用されている。

１１. デジタル音声

第５回目● 標本化定理（sampling theorem）
1928年にハリー・ナイキストによって予想され、1949年にクロード・E・シャノンと染谷勲によって独立に証明された。サンプリング定理、ナイキストの定理、ナイ
キスト・シャノンの定理、シャノン・染谷の定理、などとも呼ばれる。
アナログ・データをデジタル化する際には、波形の最大周波数の２倍以上の周波数でサンプリングしなければ、元の波形の再構成ができない、というもの。

時間
サンプリング周波数 ： 単位時間あたりのサンプリングの頻度。大きいほどアナログ音声に近いものになるが、データ量も多くなる。サンプリング・レートやサンプル・レートともいう。
量子化ビット数 ：通常の音楽ＣＤでは４４．１kHz。人音を離散化する際 間の可聴域の問題で、50～60kHzのビット数。音楽Ｃ 以上のサンプリング周波数は、事実Ｄでは１６ビット上意味を持たない。
（65535段階）。

時間

１１. デジタル音声

ＰＣＭ（= pulse code modulation、パルス符号変調）： アナログ音声をデジタル音声に変換する手法の一つ。音楽ＣＤなどで使用されている。サンプリング周波数は44.1kHz、量子化16ビットによる表現がなされる。一般に、拡張子「.wav」のWAVフォーマット・ファイルで扱われる。無圧縮のデジタル音声と捉えてよい。
ファイルサイズ大 （エンコーダー）

エンコード

ファイルサイズ小

無圧縮データ
元のデータ

第５回目● デジタル音声とデータ圧縮

圧縮データ
デコード（デコーダー）

時間

音量

ＭＰ３（= MPEG-1 Audio Layer-3）： 音声データの非可逆圧縮方式。拡張子は「.mp3」。元々はビデオ圧縮企画のMPEG-1の音声部分として開発された。
サンプリングデータから再現したデータ

１） 人間の可聴域外の周波数のデータを削減。

元のデータが再現できない！

２） 大きな音の直前・直後の近い周波数の小さい音は、聴覚心理的に聞こえにくいため、それら音声データを削減（周波数マスキング）。

ナイキスト周波数（Nyquist frequency） ： サンプリング周波数の1/2の周波数のことをいう。これをこえる周波数成分は、ただしく再現できず、ノイズを生じる原因となり得る。

３） 上記１）、２）などの後、さらに圧縮。

1１１. デジタル音声

第５回目

WMA（= Windows Media Audio）： マイクロソフト社が開発した音声コーデック。拡張子は「.wma」。1999年4月に最初のバージョンが発表された。
RealAudio ： リアルネットワークス社が開発した音声フォーマット。ダイヤルアップから低速通信まで様々な音声品質で対応する。拡張子は「.ram」「.ra」「.rm」など。1995年に最初のバージョンが発表された。
ＡＡＣ（= Advanced Audio Coding） ： 先進的音響符号化。1997年にMoving Picture
Experts Group (=MPEG)において規格化された音声圧縮方式。拡張子は「.aac」「.avi」「.m4a」「.mov」「.wav」など。

第５回目

１２. デジタル動画● 動画のデジタル化

複数の静止画を連続させることで動いているように見せる。
デジタル画像のサイズを考慮すれば、デジタル動画のサイズは膨大なものになる。
フレーム・レート（frame rate）： 単位時間あたりに処理するフレーム数（コマ数）のことで、fps (frames per second)で表現する。一般に 60 fps 以上であれば滑らかな動きが表現できるとされる。参考までに、テレビアニメでは一般に 24 fpsで作成される。

● 「コーデック」と「コンテナ・フォーマット」
コーデック ： データ圧縮の形式やそのアルゴリズム、プログラムを指す。
コンテナ ： データの圧縮形式を識別しつつ、複数のデータを格納できるファイル形式のこと。例えば、WAVファイルは、事実上PCMデータ「も」格納できるコンテナ・フォーマットのことである。
時間

コンテナ
動の画視・聴音声

デコー
ダー

動画圧縮形式
音声圧縮形式

圧縮動画

アナログ動画をデジタル画像化する際に、「サンプリング周波数が低い」、または、「コンピュータの処理能力が及ばない」場合に、動きがぎこちなくなり、コマ落ちが生じる。

圧縮音声

１２. デジタル動画● デジタル動画の圧縮

１２. デジタル動画

第５回目

・ 基本はまず、デジタル画像の圧縮技術を応用。
・ 各コマの中で、前後でほとんど変わらない部分はそのまま使い、大きく変わる部分だけを用いる。

第５回目

前後の画像から、その間の画像を予測・再現することでデータ量を減らす。

時間
時間
画像間の画像を予測

前後の画像をチェック
圧
縮

動画中の「キーとなる画像」と「その差分データ」を用いて、さらに各種の圧縮を施す。
３コマで共通の部分

１２. デジタル動画● デジタル動画の形式

 激しく画像が変わる映像では、圧縮率や映像の再現性が低下する。

３コマで異なる部分

第５回目

AVI（= Audio Video Interleave）： 動画のコンテナ形式の一つで、AVIファイルなどと呼ばれ、拡張子は「.avi」。無圧縮動画のコンテナとして使用されることも多いが、様々なコーデックで圧縮された動画にも対応している。AVI 2.0以前のバージョンでは、2GBを超えるデータは扱えない。

１３. ＩＣＴを活用した問題解決
ＩＣＴ ＝ Information and Communication Technology
・何を知っているか？

MPEG-1 ： Moving Picture Experts Group (= MPEG) が作成した動画の標準規格。CD１枚（700MB）に１時間程度の動画を記録することを目標とした。ビデオCDで利用されている。
拡張子は「.mpg」など。
MPEG-2 ： MPEGが作成した動画の標準規格。画質はS-VHSビデオ程度とされ、DVDビデオ、デジタル放送などで利用されている。拡張子は「.mpg」など。アメリカのMPEG LA社が特許を管理している。

・何ができるか？

MPEG-4 ： MPEGが作成した動画の標準規格。
WMV（= Windows Media Video） ： マイクロソフトが開発したビデオ・コーデック。1998年の最初の発表時にはMPEG4コーデックを搭載していたが、後に独自コーデックを搭載するようになった。これによる動画ファイルの拡張子は「.wmv」や「.avi」。

問題

QuickTime ： アップルが開発するマルチメディア技術、コンテナ形式の総称。拡張子は「.mov」
や「.qt」。MacOS Xに搭載されている Quick Time X は、従来のQuickTimeとは別システムとなっている。
Flash Video ： インターネットでの動画配信を目的に開発されたコンテナ形式。マクロメディア社が開発したものを、アドビシステムズ社が買収した。拡張子は「.flv」や「.f4v」など。

第５回目「知っていること」「できること」を組み合わせて、問題を解決し、意思決定の材料にする

ＩＣＴをいかに活用するか？
解決① 問題の明確化② 情報の収集・分析③ 解決策の創出・評価・選択④ 解決策の実施と結果の評価⑤ 問題解決の再計画
注） 「結局、考えるのは人間である」ことを忘れないこと

2

１３. ＩＣＴを活用した問題解決

・ 順番を決めて意見を出す。
「パス」や「ｘｘと同じ」、「意見はない」はタブー

・ 質疑応答によって、出た意見を具体的なものにする。

１３. ＩＣＴを活用した問題解決

文章例） 観測による天文学研究の場合

そして、また、さらに、加えて、しかし、であるにもかかわらず、しかしながら、だから、それ故に、というのも・ タイトル、著者、共著者・ （概要 / アブストラクト）・ イントロダクション（先行研究 / 問題提起 / 目的）
細かく正確な文章よりも、一枚の「図」や「表」の方が伝わりやすい。

プレゼンテーションでは「分量」を重視する。場合によっては「過度な正確さ」よりも「簡潔さ」「分りやすさ」を優先するべき時がある。

・ 参考文献第５回目● 本授業における「ＩＣＴを活用した問題解決」の演習「わかりやすく伝える」ためのプレゼンとレポート

・ 考察

１３. ＩＣＴを活用した問題解決

第５回目● 結果発表および結果報告・ 結果（１） 意見・アイディア・データを一つのカードにつき１件のみ記す。
（２） 関連性のあるカードをまとめて小グループ化し、簡単な見出しをつける。
（３） 互いに近い小グループどうしを、中グループ・大グループにまとめる。
（４） 大グループを論理的な関連性によって結び付ける。
（５） 各大グループ内の中・小グループ間の関係を明らかにする。「原因と結果」「反対・対立」「関係あり」など。
（６） 大グループに対して、各自で１～５の点数を付け、総得点が高いものに注目し、テーマとする。

概念地図（Concept Map） 概念間の関係を矢印でつなぎ、上方から下方に分岐・展開することで概念間の関係を視覚化・明確化する。

 次の段階 ： 出た意見の整理

・ 画像解析とデータ分析

ＫＪ法 文化人類学者の川喜田二郎が考案した、データをまとめるための手法。
名称は、考案者のイニシャルに由来する。

マインド・マップ テーマの中心となるキーワードやイメージを中央に配置し、そこから放射状にキーワードやイメージをつなぎ広げることで思考を展開する。なお、この呼称はイギリスのThinkBuzan社が商標登録している。

当初の意見はシンプルな形で出す

・ 観測

第５回目

● 意見・アイディアの整理

ブレインストーミング（Brainestorming）
BS法、集団思考、集団発想法、課題抽出などともいう。1953年、アレックス・Ｆ・オズボーンが著書の中で、会議方式の名称として使用した。
（１） 「他者を批判しない」  自由な意見を妨げない。
（２） 「自由奔放」  思いついた意見を躊躇せず出す。
（３） 「質より量」  様々な観点から、少しでも多くの意見を出す。
（４） 「連想と結合」  他の意見を改変・結合することで新しい意見を作り出す。

・ サンプルと観測機器

１３. ＩＣＴを活用した問題解決

第５回目● 問題解決を目標とした協調作業

次の文章［位置付け］ 学士（大卒）レベルの情報活用能力育成の総括として、問題解決という枠組みの中で、個々の情報通信技術（アプリケーション）の効果的な活用を演習を通して学ぶ。
（本学「情報ガイドライン」より引用）「情報」では、履修者をチームに分け、それぞれにテーマを与え、グループ活動としてそのテーマに取り組み、１３週目、１４週目にチームごとにその報告を行う。

段落
そして、また、さらに、加えて、しかし、であるにもかかわらず、しかしながら、だから、それ故に、というのも次の段落

週内容

火Ⅱ

５週目

チーム分け・テーマ決定

５ / １6

１３週目

発表１

７ / １1

１４週目

発表２

７ / １8

 「デザイン」「レイアウト」にも留意する。

１３. ＩＣＴを活用した問題解決

第５回目● ５週目（本授業）

ＩＣＴを活用した問題解決（テーマ）

第５回目・ チーム分け ： １チーム５～６名、計８チーム  くじ引きで決定する・ テーマ分け： １チーム１テーマ  くじ引きで決定する・ チームメンバー間で、連絡・情報交換を密にして課題を遂行し、最終的なプレゼンテーションを完成させる。
・ 必要に応じて、担当者（西浦）に疑問点や質問などを相談● １３および１４週目
・ 最終報告 ： １チームあたり発表時間１２分＋質疑応答３分
 発表順番は、１３週目の最初にくじ引きで決定する。

① プレゼン・ツールにはMicrosoft PowerPoint もしくは、その互換ソフトを用い、発表後、ファイルを担当者に提出すること。

与えられた「天体画像」に関して、
１） それが、どのような天体なのか？
２） その「天体画像」が、どのようにして得られたものなのか？
３） その「天体画像の色」は何を意味しているのか？
４） その「天体画像」から、その天体のどのような特徴・性質が分るのか？
を紹介・説明するＷＥＢページを作成せよ。
 最終報告では、「天体について調べた内容」だけではなく、それを「どのようにして調査し、WEBページを作成、紹介・説明したか」について報告すること。

② 発表報告は、必ずチームの全員が行う。代表者のみの発表は認めない。
③ 評価は発表内容にもよるが、基本的には「結果」ではなく「ＩＣＴの適切な利用が出来たか否か」を最重要視する。

（事前学習/調査として） 「天体」や「天体画像」と「色」「擬似カラー」などのキーワードを組み合わせて下調べするとよいかもしれない。

3