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

• アナログ音声信号をディジタル化する場合、元のアナログ信号の波形に、より近い波形を復元できる組合せはどれか。

  正解：ウ

  要点：サンプリング周期が短く量子化段階が多いほど原波形に忠実

  アナログ信号のディジタル化は、一定間隔で波形の値を読み取る標本化（サンプリング）と、その値を段階的な数値に置き換える量子化からなる。サンプリング周期が短いほど時間方向で波形を細かく捉えられ、量子化の段階数が多いほど振幅方向の誤差が小さくなる。したがって周期が短く段階数が多い組合せが最も原波形に近い再現となる（その分データ量は増える）。

  出典：平成21年度 春期 ITパスポート試験 問66（IPA）

• ある音をコンピュータのファイルにデータとして記録するとき、符号化ビット数を8ビットとしている。符号化ビット数を16ビットに変更し、同じ音を同じサンプリング周波数…

  正解：音の振幅をより細かく記録できる。

  要点：量子化ビット数は振幅の細かさ、周波数は標本化で決まる

  符号化ビット数（量子化ビット数）は、音の大きさをどれだけ細かい段階に分けて数値化するかを決める。8ビットでは256段階だが16ビットにすると65,536段階になり、振幅をより忠実に記録できる。ただしデータ量は増え、記録できる周波数の上限を決めるのはサンプリング周波数のほうである。

  出典：平成22年度 春期 ITパスポート試験 問60（IPA）

• 音声信号をディジタル化する。図の時刻1から時刻5のタイミングで標本化を行い、4段階に量子化（標本点に最も近い段階を選択）を行った。その後2ビットで符号化を行った…

  正解：時刻1で振幅約01、時刻2付近で00近くまで下がり、時刻3.7付近で11まで滑らかに立ち上がった後、時刻5にかけて01まで下がる曲線

  要点：符号列は各標本時刻の振幅段階を順に並べたもの

  符号は時刻1から順に振幅の段階を表すので、求める信号は01、00、10、11、01という順に値をとる波形になる。すなわち低めの値から始まって時刻2でいったん最小になり、その後上昇して時刻4で最大に達し、時刻5では再び下がる形である。時刻ごとの標本点の高さを符号と照らし合わせれば判別できる。

  出典：平成22年度 春期 ITパスポート試験 問88（IPA）

• 情報の表現方法に関する次の記述中の[a]〜[c]に入れる字句の組合せはどれか。 情報を、連続する可変な物理量（長さ、角度、電圧など）で表したものを[a]データと…

  正解：a: アナログ　b: ディジタル　c: ディジタル

  要点：連続量はアナログ、離散値はディジタル。CDはディジタル

  連続的に変化する物理量でそのまま情報を表すのがアナログ、標本化と量子化を経て離散的な数値で表すのがディジタルである。CDは音声を数値化して記録する媒体なので、格納されるのはディジタルデータとなる。

  出典：令和3年度 秋期 ITパスポート試験 問89（IPA）