第2回 - グループ自己紹介、コンピュータの原理、情報量の単位

0. Zoom のブレイクアウトルーム練習
1. パスワードの再設定
2. コンピュータは情報をどのように扱っているか
   • コンピュータの原理
   • 数値 (整数) を 0 と 1で表すには
   • 文字を 0 と 1で表すには
   • 画像を 0 と 1で表すには
   • 色を 0 と 1で表すには
   • 音声を 0 と 1で表すには
3. 情報の量と単位
   • 文字を表すのに必要な情報量
   • 画像を表すのに必要な情報量
   • 音声を表すのに必要な情報量
   • 動画の情報量
   • 情報量でよく使う接頭語
4. 本日のまとめ・小課題
   • 小課題1. 文章入力の練習 (4月26日締切)

雑談

本日のお題: 大学時代、どうやって友達を作ったか?

0. Zoom のブレイクアウトルーム練習

Zoom の「ブレイクアウト (breakout) ルーム」とは、 1つのクラスを複数のグループに分けて討論などができる仕組みである。

1. パスワードの再設定

パスワードは何度でも変更できます。 自分のパスワードに自信がない(?)場合は、より強そうなパスワードに変更すべし。

• 注意: 自分のパスワードを他人に使わせないこと!
• 注意: いわゆる「東工大生用アプリ」と宣伝されているものは、 大学が認めたものではありません。 学籍番号・パスワード・マトリックス表などを入力させるアプリは、 悪用されないという保証はないため、推奨できません。
• 間違い: 「自分なんて誰からも狙われないだろう」
• 犯罪者の考えることはみな同じ。
  「自分では直接手を出さない → 他人に罪をかぶせる」
• 自分のパスワード・銀行口座等を人に使わせると、 なりすましの温床になります。
• 犯罪に使われる、コードを盗まれる、「いいね」を売る
  (ハックされたPCの価値)

パスワードを忘れた場合

• ポータルサイトのパスワードを忘れた場合 …
  封筒に書いてある PIN番号を使って、Taki Plaza の教務課でリセットしてもらう。
  Tokyo Tech Portal - 困ったときは

おすすめのパスワードマネージャ

• 複数のサイトで異なるパスワードを全部覚えておくのは大変!
• 解決策1. ブラウザのパスワード管理機能を使う。
  → スマートフォンとPCを両方使うときに不便。
• 解決策2. パスワードマネージャを使うと便利:
  • 複数のサイトのパスワードを登録しておく。
  • ログインするときにパスワードをコピー・ペーストする。
  • 「マスターパスワード」を1つ覚えておけばOK。
• 有料のもの: Dashlane, Keeper, 1Password
• 無料のもの: Bitwarden
  

セリュリティに関する原則

原則として、多くのアプリを使えば使うほどコンピュータは危険にさらされる。 これは PC でもスマートフォンでも同じである (もっともアプリをまったくインストールしていない状態の PC がもっとも安全である)。

調子に乗って沢山のアプリをインストールしすぎると (たとえそれがセキュリティソフトであっても)、 かえってセキュリティは低下していることになる。 必要のないアプリは極力削除すること。

2. コンピュータは情報をどのように扱っているか

• すべてのコンピュータは4つの装置から成り立っている:
• Kids React to Old Computers

2.1. コンピュータの原理

• コンピュータにとって、地球上のすべての機械は ただの入出力装置である (人間を含む)。
  • 炊飯器の場合: 入力装置・出力装置は?
  • エレベータの場合: 入力装置・出力装置は?
• 装置の間で渡されるあらゆる情報 (= 文字・画像・音声・動画など) は、 すべて 2種類の異なる状態 の組み合わせで表される:
  • 電圧の高(5V)／低(0V)
  • 0 と 1

コンピュータで扱うデータ

コンピュータでは、おもに以下のようなデータを扱う:

• 数値
• 文字 / テキスト (text)
• 静止画像
• 音声
• 動画

2.2. 数値 (整数) を 0 と 1で表すには

• 10種類の数字を使う: 10進数 (ふつうの数)
• 8種類の数字のみ使う: 8進数
• 2種類の数字のみ使う: 2進数 … 0 と 1 のみで数を表現する。
  n桁の2進数 = 2ⁿ通りの数を表現可能。
  選択 10進数 8進数 2進数 16進数   動作中 10進数を表示

2.3. 文字を 0 と 1で表すには

• 1文字 = 1つの数値で表わす。
  数値を並べれば文章が表現できる。
• ASCII 方式 (国際規格): A=65, B=66, C=67, ...

  H	E	L	L	O
  72	69	76	76	79

• いろいろな規格:
  • ASCII (英語のみ)
  • JIS X 0208 (日本語)
  • GB 2312 (国标、中国語)
  • KS C 5601 (ハングル)
  • Unicode (すべての言語)

  A	あ	♥
  65	12354	9829

2.4. 画像を 0 と 1で表すには

• 白と黒だけの場合…単に 0 と 1 を並べればよい。

  ひとつの点 = 「ピクセル」

2.5. 色を 0 と 1で表すには

• 色とは何か?
• 桿体細胞 (明るさを認識する)
• 錐体細胞 (色を認識する - 赤、 緑、 青のあたりにピークがある)
  
• R, G, B の各成分をそれぞれ 256段階の数値で表す = 256×256×256種類の色が表現可能
  これをピクセルの数だけ並べれば画像が表現できる。

  R:0 G:0 B:0

  R:0 G:0 B:200

  R:0 G:100 B:200

  R:0 G:200 B:100

  R:200 G:200 B:0

  R:200 G:100 B:100

  R:200 G:0 B:100

  R:200 G:100 B:200

  R:100 G:100 B:200

  R:100 G:0 B:0

  R:200 G:200 B:200

  R:255 G:255 B:255

  ...

  ...

2.6. 音声を 0 と 1で表すには

• 音とは何か?
• 波形の形を数値の列によって表す (サンプリング):
  10, 25, 35, 40, 45, 40, 35, ...
• 人間の可聴領域: 20Hz 〜 20,000Hz。
• CDの音: 1秒間の波形を 44,100個の数値でサンプリングする (サンプリング周波数は 44,100Hz = 44.1KHz)。
  

3. 情報の量と単位

コンピュータやインターネットを使う際には、 「情報の量」を表わす単位が頻繁に使われる。

• ビット (bit) … 1つの 0 または 1 (で表される情報)。
• バイト (byte) … 8つの 0 または 1 (=8ビット)。
• ヘルツ (Hz) … 「1秒間に何回実行可能か」をあらわす単位。
• bps (bits per second) … 「1秒間に何ビット送信するか」をあらわす単位。

3.1. 文字を表すのに必要な情報量

• 1文字 = Unicodeで表すと約24ビット = 3バイト
  文字の情報量 = (文字数) × 3バイト
• メール1000文字 = 3000バイト
• 新約聖書 = 約40万文字 = 120万バイト

3.2. 画像を表すのに必要な情報量

• 白と黒だけの場合 … 単に 0 と 1 をピクセルの数だけ並べればよい。
  白黒の画像を表す情報量 = ((縦ピクセル数) × (横ピクセル数) ÷ 8) バイト
• カラー画像の場合 … R, G, B の各成分をそれぞれ 256段階 (8ビット) の数値で表すため、 24ビット (= 3バイト) あればひとつのピクセルの色が表現可能。
  カラー画像の情報量 = (縦ピクセル数) × (横ピクセル数) × 3バイト
• 文字と比べて、画像は情報量がずっと多い。

3.3. 音声を表すのに必要な情報量

• CD音質の音 (モノラル): 44,100Hz のサンプリング波形の 1成分を 0 〜 65535 (16ビット) で表すと、44KHz×2バイト = 88,000バイト/秒。
  音声の情報量 = (秒数) × (チャンネル数) × 88,000バイト

3.4. 動画の情報量

• 動画というのは、ようは静止画像を並べたものである:
  動画の情報量 = (1コマ分の静止画像の情報量) × (コマ数)
• HD画質で毎秒30コマ:
  1920×1280×3×30 = 186,624,000バイト/秒
• 4K画質で毎秒60コマで1時間の動画:
  3840×2160×3×60×3600 = 5,374,771,200,000バイト
• 動画はケタ違いに情報量が多い。

3.5. 情報量でよく使う接頭語

情報量は大きな数字になりうるので、 普通は「何億バイト」とか「何兆バイト」とは言わずに、 SI単位系の接頭語を使う:

• K (キロ) = 10³ = 1,000
• M (メガ) = 10⁶ = 1,000,000
• G (ギガ) = 10⁹ = 1,000,000,000
• T (テラ) = 10¹² = 1,000,000,000,000
• P (ペタ) = 10¹⁵ = 1,000,000,000,000,000

• m (ミリ) = 10^-3 = 0.001
• μ (マイクロ) = 10^-6 = 0.000 001
• n (ナノ) = 10^-9 = 0.000 000 001

• Ki (キロ) = 2¹⁰ = 1,024
• Mi (メガ) = 2²⁰ = 1,048,576
• Gi (ギガ) = 2³⁰ = 1,073,741,824

いろいろな量のめやす

• 一般的なパソコンの動作周波数 … 1GHz = 10⁹回の処理/秒。
• 1回の処理にかかる時間 … 1ナノ秒 = 10^-9秒。
• メモリの容量 … 4Gバイト。
• ハードディスクの容量 … 500Gバイト。

4. 本日のまとめ・小課題

1. グループ自己紹介をおこなった。
2. パスワードを変更した。
3. コンピュータはすべての情報を 0 と 1 の羅列で扱っている。
4. 文字よりも画像を表すのに必要な情報量は多い。 動画に必要な情報量はさらに多い。

本授業の成績について

• 東工大では、成績は点数 (0〜100点) によってつけられます。
• 本授業の内訳 (単位取得には60点が必要):
  • 履修: 10点
  • 授業参加: 5点×7回 = 35点 (当てられたら質問に答える)
  • 小課題: 5点×5回 = 25点 (本日も小課題があります)
  • クラス共通課題: 10点×3回 = 30点