画像のデジタル化を体験しよう

画像のデジタル化とは

スマートフォンで撮った写真も、教科書に載っている図も、コンピュータの中ではすべて数値の集まりとして扱われています。現実の光や色は、明るさが少しずつ変化する「連続した量（アナログ）」です。一方、コンピュータが扱えるのは0と1で表された「とびとびの値（デジタル）」だけです。この連続した情報を、コンピュータで扱える数値に変換する作業を画像のデジタル化といいます。

デジタル化は、標本化・量子化・符号化という3つの手順で行われます。上のツールでは、この3つがそれぞれ画像にどんな影響を与えるのかを、実際に値を変えながら確かめられます。

1. 標本化（サンプリング）

標本化は、画像を細かい格子（マス目）に区切り、一定の間隔ごとに明るさを取り出す作業です。この1マスが画素（ピクセル）にあたります。

マス目を細かくするほど、取り出す点の数が増え、元の画像に近い滑らかな絵になります。逆に粗くすると、情報が間引かれてブロックのような見た目になります。上のツールでサンプル数を4×4まで下げると、りんごの形がほとんど分からなくなることが確かめられます。

2. 量子化

量子化は、取り出した明るさを、あらかじめ決めた段階のうち最も近い値に置きかえる作業です。現実の明るさは無段階に変化しますが、それをそのまま記録することはできないため、たとえば「16段階」のように区切って数値に対応させます。

段階の数が多いほど元の明るさに近くなり、少ないほど大まかになります。段階を2つまで減らすと、明るいか暗いかの2値だけになり、写真は白黒のシルエットのようになります。

3. 符号化

符号化は、量子化で求めた段階の値を2進数に変換する作業です。コンピュータは0と1しか扱えないため、たとえば段階値の5は「101」、12は「1100」というように置きかえられます。

ここで重要なのが、1つの画素に何ビット使うかという点です。nビットあれば2のn乗通りの値を表せます。白と黒の2色だけなら1ビット（0か1）で足りますが、16色を区別するには4ビット、256段階の明るさを表すには8ビット必要になります。

データ量の計算

デジタル化した画像のデータ量は、次の式で求められます。

たとえば縦16点・横16点のどっと絵の場合、白黒2色（1ビット）なら 16 × 16 × 1 ＝ 256ビットです。8ビットで1バイトなので、256 ÷ 8 ＝ 32バイトになります。

同じ大きさの絵でも16色（4ビット）で表すと、16 × 16 × 4 ＝ 1024ビット、つまり128バイトとなり、データ量は4倍に増えます。画素を細かくしても、色数を増やしても、データ量は増えていきます。画質とデータ量のバランスをどう取るかは、画像を扱ううえで常につきまとう問題です。

色をどう表すか

カラー画像の場合は、光の三原色である赤（R）・緑（G）・青（B）の組み合わせで色を表します。それぞれを8ビット（256段階）で表す方式が広く使われており、1画素あたり24ビット、表せる色は約1677万色になります。これはフルカラーと呼ばれます。

上のツールでカラーモードに切り替え、ビット数を下げていくと、表現できる色数が減って画像が不自然になる様子が確かめられます。RGBそれぞれを1ビットにすると、表せる色は8色だけになります。

使い方

• 画像をデジタル化：サンプル数と階調のスライダーを動かすと、デジタル画像の見え方が変わります。右側の画像をクリックすると、その画素の明るさ・段階値・2進数が表示されます。自分の画像を読み込んで試すこともできます。
• どっと絵をつくる：マスをクリック・ドラッグして色をぬると、右側に符号（0/1、または0〜Fの番号）が表示されます。白黒と16色を切り替えると、同じ絵でもデータ量が変わることが確かめられます。

スマートフォンやタブレットでも指で操作できます。授業での提示、自習、復習など、自由にお使いください。