動画配信の帯域幅計算：フレームレートとデータ量の関係を理解する
私は基本情報技術者試験の取得を目指しており、前回の画像メモリ容量計算に続いて、今回は「動画像配信における帯域幅計算」について詳しく解説していきます。
動画配信の帯域幅計算は、ネットワーク設計やマルチメディア通信の基礎となる重要な概念です。学習を進める中で、「なぜフレーム数を掛ける必要があるのか」「ビット毎秒という単位の意味は何か」といった疑問に直面しました。
基本情報技術者試験では、マルチメディア関連の計算問題が頻出されるため、これらの概念をしっかり理解することは試験対策としても重要です。
目次
はじめに
動画配信の帯域幅計算は、基本情報技術者試験で確実に得点したい分野の一つです。画像メモリ容量計算の応用版として出題されることが多く、基本的な考え方を理解すれば確実に正解できます。
実際に過去問を解いてみると、動画の解像度、色深度、フレームレートの関係、そして必要な通信帯域幅の計算方法にはパターンがあることが分かりました。一度理解してしまえば、類似問題も迷わず解けるようになります。
しかし、単純に公式を暗記するだけでは応用が利きません。「なぜフレーム数を掛けるのか」「データ圧縮しない理由は何か」「より効率的な計算方法はないか」といった本質的な理解が重要です。
動画像配信の基礎知識
動画を構成する要素
動画は、連続した静止画像（フレーム）を高速で表示することで動きを表現します。
フレームとフレームレート
フレーム：動画を構成する1枚1枚の静止画像
フレームレート：1秒間に表示するフレーム数（fps = frames per second）
一般的なフレームレート
- 映画：24fps
- テレビ（日本）：30fps
- ゲーム：60fps〜120fps
動画データ量の構成要素
動画の総データ量 = 1フレームのデータ量 × フレーム数 × 動画の長さ（秒）
通信帯域幅を求める場合は、「1秒間に転送すべきデータ量」を計算する必要があります。
帯域幅の概念
ビット毎秒（bps）の意味
bps（bits per second）：1秒間に転送できるビット数
動画配信では、1秒間に30フレーム送信する必要がある場合、その30フレーム分のデータをすべて1秒以内に転送する必要があります。
フレームレートとデータ量の関係
静止画像と動画の関係
前回の記事で学習した画像メモリ容量計算の知識が、動画計算の基礎となります。
1フレーム（静止画像）のデータ量 = 総ピクセル数 × 1ピクセルあたりのビット数
動画のデータレート = 1フレームのデータ量 × フレームレート
フレームレートによる帯域幅の変化
| フレームレート | 1秒間のフレーム数 | 必要帯域幅の倍率 |
|---|---|---|
| 15fps | 15フレーム | ×15 |
| 24fps | 24フレーム | ×24 |
| 30fps | 30フレーム | ×30 |
| 60fps | 60フレーム | ×60 |
フレームレートが高いほど滑らかな動画になりますが、その分必要な帯域幅も大きくなります。
問題解析：800×600ピクセル、24ビットフルカラー、30fps
出題問題（基本情報技術者試験 平成26年度春期 問25より）
800×600ピクセル、24ビットフルカラーで30フレーム/秒の動画像の配信に最小限必要な帯域幅はおよそ幾らか。ここで、通信時にデータ圧縮は行わないものとする。
ア 350kビット/秒 イ 3.5Mビット/秒 ウ 35Mビット/秒 エ 350Mビット/秒
問題の要素分解
与えられた条件を整理します。
画面解像度：800×600ピクセル
色深度：24ビットフルカラー
フレームレート：30フレーム/秒
データ圧縮：行わない
求めるもの：最小限必要な帯域幅（ビット/秒）
基本的な計算方法
ステップ1：1フレームの総ピクセル数を計算
総ピクセル数 = 横のピクセル数 × 縦のピクセル数
= 800 × 600
= 480,000ピクセル
ステップ2：1ピクセルあたりのビット数を確認
24ビットフルカラー → 1ピクセルあたり24ビット
24ビットフルカラーの意味
24ビットフルカラーは、RGB（Red, Green, Blue）の3つの色成分を使って色を表現する方式です。
24ビット = 8ビット（R：赤） + 8ビット（G：緑） + 8ビット（B：青）
各色：2⁸ = 256階調
総色数 = 赤の階調数 × 緑の階調数 × 青の階調数
= 256 × 256 × 256
= 16,777,216色
これが「1,677万色」や「フルカラー」と呼ばれる理由です。人間の目で識別可能な色数をほぼカバーできるため、写真や動画の表現に十分な色深度とされています。
ステップ3：1フレームの総ビット数を計算
1フレームのビット数 = 総ピクセル数 × 1ピクセルあたりのビット数
= 480,000ピクセル × 24ビット/ピクセル
= 11,520,000ビット
この計算の意味
1枚の静止画像を表現するために必要なデータ量です。これが動画の1フレーム分に相当します。
ステップ4：1秒間の総ビット数（帯域幅）を計算
1秒間のビット数 = 1フレームのビット数 × フレームレート
= 11,520,000ビット × 30フレーム/秒
= 345,600,000ビット/秒
この計算の意味
1秒間に30フレームを配信する必要があるため、1フレーム分のデータを30倍する必要があります。
ステップ5：最終的な単位変換
345,600,000ビット/秒 = 345.6Mビット/秒
最も近い選択肢：エ 350Mビット/秒
最終答案
答え：エ 350Mビット/秒
よくある間違いと対策
頻出する計算ミスのパターン
パターン1：フレームレートの掛け忘れ
間違い例：1フレーム分のデータ量だけ計算
480,000 × 24 = 11,520,000ビット → 11.52Mビット/秒
正しい計算：
480,000 × 24 × 30 = 345,600,000ビット/秒 = 345.6Mビット/秒
なぜこの間違いが起こるのか
静止画像の計算に慣れていると、動画特有の「時間の概念」を忘れがちです。動画配信では「1秒間に何フレーム送るか」が重要なポイントです。
対策
- 問題文の「○フレーム/秒」を必ずチェック
- 最終的な単位が「○○/秒」になることを確認
- 1フレーム分の計算後、必ずフレームレートを掛ける
理解度チェック方法
学習が進んだら、以下の質問に瞬時に答えられるか確認してください。
-
640×480ピクセル、16ビット、15fpsの動画の帯域幅は？
- 答え：73,728,000ビット/秒
-
24ビットフルカラーで表現できる色数は？
- 答え：16,777,216色
-
1Mビット/秒は何kビット/秒？
- 答え：1,000kビット/秒
-
フレームレートが2倍になると帯域幅はどうなる？
- 答え：2倍になる
これらの質問に迷わず答えられるようになれば、基本的な理解は十分です。
まとめ
動画配信の帯域幅計算は、基本情報技術者試験において確実に得点したい重要分野です。学習を通じて理解したポイントをまとめると以下の通りです。
基本概念の確実な理解
- 総ピクセル数 = 横のピクセル数 × 縦のピクセル数
- 動画は連続した静止画像（フレーム）の集合体
- フレームレートは1秒間に表示するフレーム数（fps）
- 24ビットフルカラー = RGB各8ビット（16,777,216色）
帯域幅計算の基本式
- 1フレームのデータ量 = 総ピクセル数 × 1ピクセルあたりのビット数
- 動画の帯域幅 = 1フレームのデータ量 × フレームレート
- 最終的な単位は「ビット/秒」（bps）
フレームレートの重要性
- 動画配信では「時間の概念」が不可欠
- フレームレートが高いほど滑らかだが帯域幅も増大
- 1秒間に必要なすべてのフレームを転送する必要
よくある間違いの回避
- フレームレートの掛け忘れを防ぐ
- 静止画像計算との違いを意識
- 最終単位が「○○/秒」になることを確認
- ビットとバイトの変換ミスに注意
初学者にとっては複雑に感じられる内容ですが、画像メモリ容量計算の知識を基礎として、動画特有の「時間軸」の概念を加える発想で理解できます。特に「なぜフレームレートを掛けるのか」という本質的な理解と、「計算の各段階で何を求めているか」を意識することが重要です。
この記事の内容に誤りがあればコメントでご指摘いただけますと幸いです。また、学習や理解を深めるための独自のコツ、直感的に理解できるたとえ話やテクニックなど、皆様の経験に基づく知見をぜひ共有していただければと存じます。