デジタル化

私たちの身の回りには、温度や音声、光の明るさなど、さまざまな情報があふれています。こうした情報をコンピュータで扱うためには、「デジタル化」という変換が必要です。ここでは、アナログとデジタルの違いを理解したうえで、デジタル化の仕組みを学びましょう。

アナログとデジタル

アナログとは、情報を連続的に変化する物理量で表す方式です。「連続的」とは、途切れることなくなめらかにつながっている、ということです。

たとえば、水銀温度計を思い浮かべてください。温度が上がると水銀の高さがなめらかに変化します。20.0℃と21.0℃の間には、20.1℃、20.15℃、20.153℃……と、いくらでも細かい値が存在します。このように、値が連続して変化するのがアナログの特徴です。

アナログの身近な例としては、次のようなものがあります。

デジタルとは、情報を離散的な（とびとびの）数値で表す方式です。「離散的」とは、値が段階的に区切られていて、中間の値がないことを意味します。

デジタル時計を例にすると、表示は「12:30」から「12:31」に切り替わり、その間の「12:30.5」は表示されません。値が段階的に変化する（とびとびの値をとる）のがデジタルの特徴です。

デジタルの身近な例としては、次のようなものがあります。

試験で出るポイント

「アナログ＝連続」「デジタル＝離散（とびとび）」という対比は頻出です。「情報を連続する可変な物理量で表したものはアナログ、離散的な数値で表したものはデジタル」という定義を正確に押さえましょう。

現実世界の音声や画像などのアナログ情報を、コンピュータが扱えるデジタルデータに変換することをデジタル化（A/D変換、Analog to Digital変換）といいます。

A/D変換は、次の3つのステップで行われます。

この3ステップを、音声のデジタル化（CDに音楽を録音する場合）を例に、順番に見ていきましょう。

標本化（サンプリング）とは、連続的に変化するアナログ信号から、一定の時間間隔で値を取り出す処理のことです。

音声を例にすると、マイクが拾った音の波形は連続的に変化しています。この波形から、たとえば「1秒間に44,100回」というように、決まった間隔で波の高さ（振幅）を読み取ります。このとき取り出された一つひとつの値を「サンプル」と呼びます。

標本化の間隔が短い（＝1秒あたりの回数が多い）ほど、元のアナログ波形をより忠実に再現できます。CDでは1秒間に44,100回のサンプリングを行っており、これを「サンプリング周波数44.1kHz」と表現します。

量子化とは、標本化で取り出した値を、**あらかじめ決められた段階的な数値に丸める（近似する）**処理のことです。

標本化で取り出した値は、まだ「3.72…」のような中途半端な値を含んでいます。量子化では、この値を「4」のように最も近い段階の整数値に置き換えます。段階の数が多い（細かい）ほど、元の値に近い再現ができます。

たとえば、段階を8段階（0〜7）にするか、256段階（0〜255）にするかで、再現の精度が大きく変わります。CDでは65,536段階（16ビット）の量子化を採用しており、きめ細かな音の再現を実現しています。

符号化とは、量子化で得られた数値を、コンピュータが扱える2進数（0と1の列）に変換する処理のことです。

たとえば、量子化の結果が「5」であれば、2進数の「101」に変換します。「3」であれば「011」に変換します。こうして、もともと連続的なアナログ信号が、最終的に0と1の並び（デジタルデータ）に変換されます。

この0と1の列こそが、コンピュータが保存・処理・通信できるデジタルデータです。

デジタル化の精度（元のアナログデータをどれだけ忠実に再現できるか）は、次の2つの要素で決まります。

要素	意味	精度を上げるには
標本化の頻度	1秒間に何回値を取り出すか	回数を増やす（間隔を短くする）
量子化の段階数	何段階の値で表現するか	段階数を増やす（細かくする）

どちらも値を大きくするほど元のアナログデータに近い再現ができますが、その分データ量も増えます。CDの音質が電話の音質よりも優れているのは、標本化の頻度と量子化の段階数がどちらも大きいためです。

試験で出るポイント

A/D変換の3ステップは「標本化 → 量子化 → 符号化」の順番で覚えましょう。それぞれ「一定間隔で取り出す → 段階的な値に丸める → 2進数に変換する」という処理内容とセットで理解しておくことが大切です。