アナログとデジタルとは?

コンピューターの世界は、すべてデジタルの世界です。

液晶ディスプレイに映し出されてる文字、色、音声などすべてがデジタルであり、実際の色や音声を すべて0と1で再現しています。

例えば、デジタルカメラを使ってシャッターを押した瞬間に、デジタル化されて写真として再現されています。

  • アナログ・・連続的、連続量を他の連続量で表す
  • デジタル・・離散的、連続量を離散的に表す

標本化

アナログ情報をデジタル情報に変換することを、A/D変換といいます。A/D変換では、標本化、量子化、符号化という過程があります。

例えば、ある音の波形があったとします。

音

これを時間軸・横軸に対して一定の間隔で区切ります。この区切ることを標本化、サンプリングといいいます。一秒間に標本化する回数をサンプリング周波数といいます。

サンプリング

例えば、CDに記録されている音楽では44.1kHz、一秒間に44100回サンプリングされた音が記録されています。

写真やスキャナであるならば、区画に分割します。これが 画素ピクセルになります。

写真やスキャナ

標本化が細かいほど、元の音や色に近付いていきます。

量子化

量子化とは、標本化によって得られた地点・区画を何段階で表現するか決めることです。

音であれば縦軸を何段階にするか、画像であれば画素を何段階にするかということになります。

量子化

デジタルデータでは、2進数の何ビットを割り当てるかなります。

8ビットなら8桁、28で256段階、16ビットなら16桁、216で65536段階など。割り当てるビット数を、量子化ビット数といいます。

数値が大きいほど、音であれば元の波形を再現し、画像であれば色を割り当てていくことができます。またビット数が多いほど、データ量は増えます。

例えば、音楽CDなら16ビット 65536段階、写真なら24ビット 16,777,216段階のようになります。

量子化したデータを、ひとつのファイルとしてコンピューターで扱えるようにするために最後に符号化、つまり0と1のみで構成します。

可逆圧縮と非可逆圧縮

符号化されたデータは、そのままではまだ容量が大きいため圧縮が行われます。

音声ならMP3、画像ならJPEGという拡張子がありますが、この拡張子は、圧縮形式を表してます。つまりMP3JPEGという方法で圧縮が行われているため、拡張子もそのままMP3やJPEGとなっています。JPGもJPEGに含まれます。

圧縮には、可逆圧縮と非可逆圧縮があります。

可逆圧縮は、一度圧縮しても元の符号化された状態に戻すことができます。一方、非可逆圧縮は、一度圧縮すると元の符号化されたデータに戻すことはできません。

MP3やJPEGは、非可逆圧縮になります。

圧縮は、人間の知覚に基づいた手法や数学的手法により行われます。

標本化や量子化など離散的データへの変換、非可逆圧縮による削減などデジタルデータは容量と知覚のバランスを考慮してつくられているということがいえます。

エンコードとデコード

エンコードは、0と1の2進数のデータ、デジタルデータにすることです。標本化、量子化の後に行う符号化は、エンコードともいいます。あるファイルを別の形式のファイルに変換することもエンコードといいます。つまり、元の状態がアナログであれデジタルであれ、0と1で構成する、再構成することはエンコードになります。

2進数に限らず一定の規則に基づいて数値化することを、コーディングといったりします。

デコードは、0と1のエンコードされたデータを元の状態、理解できるデータに戻すことです。復号化ともいいます。圧縮ファイルの復元、音声ファイルの再生など広い意味で使われます。