私たちがスマートフォンやパソコンで見ている画像や動画は、すべてデジタルデータとして表現されています。
写真、イラスト、動画などは本来連続的な情報ですが、コンピュータではそのまま扱うことができません。
そのため、画像は、音と同じように、標本化、量子化、符号化という処理を通してデジタルデータとして表現されます。
この記事では、情報Ⅰで学ぶ「画像のデジタル表現」の基本を解説します。
画像のデジタル表現とは
アナログ情報とデジタル情報の違い
現実世界の画像は、明るさや色が連続的に変化するアナログ情報（アナログデータ）です。
しかしコンピュータは、0と1の組み合わせで情報を扱うデジタル機器です。
そのため、画像をコンピュータで扱うためには、連続的な情報を数値として表現する必要があります。
このように、画像を数値データであるデジタルデータとして表す仕組みを画像のデジタル表現といいます。
画像をデータとして表す考え方
デジタル画像では、画像を細かい点の集まりとして扱います。
この点のことを画素（ピクセル）といいます。
画像は多数の画素が並んで構成されており、それぞれの画素に色や明るさの値が記録されています。
画像のデジタル化の流れ
画像のデジタル化は、上の図のように、元の画像を標本化→量子化→符号化することで行われます。
- 標本化…画像を画素という区画に分割する。
- 量子化…画素ごとに、色や明るさを何段階かに分けた数値に変換する。
- 符号化…量子化で得られた数値を2進数にする。
以下、詳細に説明していきます。
標本化とは
標本化の意味
標本化とは、連続的な画像を一定の間隔で区切り、画素として取り出す処理です。
言い換えると、画像を格子状に区切り、それぞれの位置の情報を取り出すことです。
音の場合と同様に、アナログデータを離散値にしていると考えればいいです。
画素（ピクセル）との関係
標本化によって得られる最小単位の点を画素（ピクセル）といいます。
1枚の画像は、多数の画素が縦横に並んだ構造になっています。
画素の位置は、画像座標系のXY座標で表されます。
標本化と解像度の関係
標本化の細かさは、解像度に関係します。
解像度とは、画像を構成する画素の数を表す指標です。
例えば、1920×1080や1280×720のように、横と縦の画素数で表します。
解像度が高いほど、より細かい画像を表現できます。
上の図のように、解像度が低いほど粗い画像になります。なお、dpiは、解像度の単位で、1インチ当たりのドット数を表します。
量子化とは
量子化の意味
量子化とは、画素の明るさや色を、限られた段階の数値で表す処理です。
現実の明るさは連続的ですが、コンピュータでは決められた段階でしか表現できません。
そのため、最も近い数値に置き換える処理を行います。
階調との関係
量子化によって表現できる明るさの段階を階調といいます。
例えば、8ビットの場合 → 256階調のように表されます。
階調が多いほど、なめらかな色や明るさを表現できます。
上の図は、左からカラー画像、モノクロ256階調画像、2値画像（階調2）を並べたものです。
量子化によって表現がどう変わるか
階調が少ない場合
- 明るさの変化が不自然になる
- 色の境界が目立つ
などの現象が起こることがあります。
そのため、画像の品質には階調の数が大きく関係します。
符号化とは
符号化の意味
符号化とは、量子化された数値をコンピュータが扱える2進数（0と1）に変換する処理です。
この処理によって、画像はデジタルデータとして保存や処理ができるようになります。
コンピュータで画像を扱えるようにする仕組み
符号化されたデータは
- 画像ファイルとして保存する
- 画面に表示する
- ネットワークで送信する
などの用途で利用されます。
解像度と階調を整理する
解像度が高い画像の特徴
解像度が高い画像は
- 画素数が多い
- 細かい部分まで表現できる
という特徴があります。
ただし、その分データ量も大きくなります。
階調が多い画像の特徴
階調が多い画像は
- 明るさの変化がなめらかになる
- 色の表現が豊かになる
という特徴があります。
ただし、その分データ量も大きくなります。
解像度と階調の違い
解像度と階調は、画像の品質を決める別の要素です。
| 項目 | 意味 |
|---|---|
| 解像度 | 画素の数 |
| 階調 | 明るさや色の段階数 |
解像度は「細かさ」、階調は「なめらかさ」に関係します。
動画のデジタル表現
フレームとは
動画は、静止画像を連続して表示することで動いているように見せています。
この1枚1枚の静止画像をフレームといいます。
動画とは、まさにパラパラ漫画の仕組みそのものです。パラパラ漫画を構成する1枚1枚の紙がフレームに該当します。
フレームレートとは
1秒間に表示されるフレームの数をフレームレートといいます。
フレームレートは通常、fps（frames per second）という単位で表されます。
例えば、30fps、60fpsなどがあります。
数値が大きいほど、動画の動きはなめらかになります。
確認問題
【問題1】デジタル画像を構成する最小単位の点を何というか。
【問題2】量子化された数値を0と1の2進数に変換する処理を何というか。
【問題3】動画を構成する1枚の静止画像を何というか。
【問題4】画像の細かさを表す指標で、画素数によって決まるものを何というか。
答え：【問題1】画素（ピクセル） 【問題2】符号化 【問題3】フレーム 【問題4】解像度
まとめ
画像や動画は、標本化・量子化・符号化といった処理によってデジタルデータとして表現されています。
また、画像の品質には解像度や階調が関係し、動画ではフレームやフレームレートといった要素が重要になります。
これらの仕組みを理解することで、コンピュータがどのように画像や動画を表現しているのかを理解することができます。