量子化とは？

量子化の意味

アナログ信号をデジタル化する過程で、標本化によって取り出した信号の値（振幅）を、あらかじめ決められた段階数の数値に近似して割り当てる処理。何段階に分けるかを示す値を量子化ビット数と呼び、ビット数が多いほど元の信号との誤差が小さくなり音質や画質が向上するが、データ量も増加する。標本化と量子化を経て2進数のデータに変換する処理を符号化と呼び、この一連の流れによってアナログ情報がコンピュータで扱えるデジタルデータになる。

量子化の具体例

音楽CDでは音の強さを16ビット（65,536段階）で量子化しており、段階が細かいほど元の滑らかな音の波形に近づく。

量子化は試験でどう引っ掛けられる？

量子化ビット数を上げても標本化周波数が低いままでは高音域の情報を再現できない。両者は別々のパラメータであることに注意。

量子化と関連する用語

• 標本化（サンプリング）
• MP3
• 解像度

量子化が出た過去問

• 標本化，符号化，量子化の三つの工程で，アナログをディジタルに変換する場合の順番として，適切なものはどれか。

  正解：標本化，量子化，符号化

  要点：A/D変換は標本化→量子化→符号化の順

  A/D変換は、まず連続した信号を一定間隔で切り取って離散的な値の列にし（標本化）、次にその値を有限段階の数値に丸め（量子化）、最後にその数値をビット列で表す（符号化）という順で進む。標本化定理で扱う周期の話が最初、丸め誤差（量子化誤差）が次、データ表現が最後と対応づけると覚えやすい。

  出典：平成28年度 秋期 基本情報技術者試験 午前 問5（IPA）

• 音声のサンプリングを1秒間に11,000回行い，サンプリングした値をそれぞれ8ビットのデータとして記録する。このとき，512×10^6バイトの容量をもつフラッシ…

  正解：775

  要点：録音容量＝標本化周波数×量子化バイト数×秒数で換算する

  1回の標本が8ビット＝1バイトなので、1秒当たりのデータ量は11,000バイトになる。512×10^6バイトを11,000で割ると約46,545秒であり、60で割ると約775.8分。最大何分かを問われているので775分となる。

  出典：平成28年度 秋期 基本情報技術者試験 午前 問25（IPA）

• PCM方式によって音声をサンプリング（標本化）して8ビットのディジタルデータに変換し，圧縮せずにリアルタイムで転送したところ，転送速度は64,000ビット／秒で…

  正解：125

  要点：標本化周波数＝転送速度÷量子化ビット数。間隔はその逆数

  1回の標本化で8ビットのデータが生じ、それを圧縮せずに毎秒64,000ビットで送っているので、1秒あたりの標本化回数は64,000÷8＝8,000回である。サンプリング間隔はその逆数なので1÷8,000秒＝0.000125秒となる。マイクロ秒は100万分の1秒なので、0.000125秒は125マイクロ秒である。

  出典：平成28年度 春期 基本情報技術者試験 午前 問4（IPA）

• 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。

  正解：標本化

  要点：PCMは標本化→量子化→符号化の順に処理する

  PCMは標本化・量子化・符号化の3段階でアナログ信号をディジタル化します。このうち標本化は、一定の周期でアナログ波形の値をそのまま取り出す処理です。取り出した値を離散的な段階値に丸めるのが量子化、それを2進数のビット列にするのが符号化です。

  出典：平成29年度 春期 基本情報技術者試験 午前 問24（IPA）

• 音声のサンプリングを1秒間に11,000回行い、サンプリングした値をそれぞれ8ビットのデータとして記録する。このとき、512×10^6バイトの容量をもつフラッシ…

  正解：775

  要点：音声データ量＝標本化周波数×量子化ビット数÷8×秒数

  1秒あたりのデータ量は、標本化回数11,000回に1回分8ビット＝1バイトを掛けて11,000バイトとなる。記録できる秒数は512×10^6÷11,000で約46,545秒である。これを60で割ると約775.8分となり、記録できるのは最大775分である。

  出典：令和1年度 春期 基本情報技術者試験 午前 問25（IPA）