令和7年秋期試験午後問題　問4

問4　システムアーキテクチャ

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エッジコンピューティングに関する次の記述を読んで，設問に答えよ。
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　E社は，小学生向けのサッカー教室を運営するスポーツクラブである。このスポーツクラブには約20個の教室があり，教室ごとにサッカーチームを運営している。普段の練習は，地域の公園や小学校のグラウンドを借りて行っているが，3か月に1回の練習試合では，サッカー用のグラウンドがある総合運動場に遠征している。
　サッカー教室に通う小学生の保護者からは"練習試合の様子をPCやスマートフォン(以下，スマホという)で見たい"との要望があり，E社では練習試合の動画を配信することを考えた。そこで，E社はシステム開発会社のH社とともに，練習試合の動画を保護者のPCやスマホヘライブ配信するシステム(以下，新システムという)のプロトタイプを作成してPoCを行うことにした。

〔新システムへの要件〕
　H社のQ君は，E社に所属するサッカー教室のコーチや保護者に，新システムに関する要望のヒアリングを行い，新システムへの要件をまとめた。Q君がまとめた新システムへの要件を表1に示す。
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〔ハードウェアの調査〕
　Q君は，観覧席に設置した機器による動画処理が必要である点，費用を抑えられる点から，エッジコンピューティングで利用するボードコンピュータの調査を行った。
　Q君が選定したボードコンピュータには，複雑な命令セットをもつCPUではなく単純な命令セットをもつaのCPU，画像認識などで利用するGPU，動画を圧縮・伸長する専用チップが搭載されている。また，外部インタフェースとして，キーボードやマウスを接続するインタフェース，ディスプレイを接続するb，カメラモジュールを接続するカメラインタフェース，モバイル通信装置を接続するインタフェースを装備している。
　Q君は，ボードコンピュータの動作に必要な1時間当たりの電力量を測定した。その結果，何も処理をしていない起動状態で1,500mWh，これに加えて各装置の使用率が100%の場合，CPUは2,000mWh，GPUは3,000mWh，動画を圧縮・伸長する専用チップは400mWh，モバイル通信装置は500mWh，カメラモジュールは100mWh であった。また，電力量は装置の使用率に比例することが分かった。

〔動画圧縮方式の検討〕
　新システムで，グラウンド全体を撮影しつつ，ボールの位置を中心にズームアップして配信することを考えると4K解像度(3,840×2,160ピクセル)で撮影することが求められる。4K解像度，24bpp(bits per pixel)，60fps(frames per second)の動画を無圧縮で伝送する場合，cGビット／秒(以下，bpsという)の通信帯域が必要となる。しかし，観覧席で安定的に利用できる4Gのモバイル通信の上り側の実効速度は数十Mbps程度であり，通信帯域が不足する。また，4K解像度の動画の一部を切り取ってFHD解像度(1,920×1,080ピクセル)の動画として伝送する場合にも通信帯域は十分ではない。
　このことから，モバイル通信を用いて動画を配信するためには，動画の圧縮などの対応策が必要である。代表的な動画の圧縮方式にはdがあり，専用チップであるeを使用して動画を圧縮する。専用チップであるeを利用することには，①ソフトウェアで圧縮する場合と比較してメリットがある。

〔新システムのプロトタイプの設計〕
　Q君は新システムのプロトタイプの設計を行った。新システムのプロトタイプのイメージを図1に，新システムのプロトタイプで行う処理の流れを図2に，処理の詳細を表2に示す。
　Q君は，②ボール位置の検出処理と動画の切出し処理はクラウドサービスではなくボードコンピュータで行い，保護者のPCやスマホへの動画配信はクラウドサービスを経由する設計とした。
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〔新システムのプロトタイプのテスト〕
　Q君は，観覧席に新システムのプロトタイプを設置し，実効容量が5,000mWhのモバイルバッテリーを接続してテストを開始した。試合開始から全ての処理は正常に動作し，ボードコンピュータの温度と配信速度も安定していたが，③試合の終盤に電力不足によってボードコンピュータが停止する問題が発生した。
　この問題の原因を調査したところ，ボール位置の検出処理で利用するGPUの使用率が高かったので，GPUが処理するデータ量を低減する対応を検討した。データ量を低減する複数の方法のうち，広いグラウンドから小さなボールを検出する必要がある点，ボールが高速に移動する点を考慮し，ボール位置の検出処理の前に④撮影した動画のデータ量を小さくする処理を追加した。この結果，追加した処理に必要な電力量と比較し，GPUの使用率の低減によって削減される電力量の方が多く，動画を試合終了まで配信できるようになった。
　その後，Q君は新システムのプロトタイプを完成させ，練習試合のライブ配信のPoCを開始した。
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設問1

本文中のa，bに入れる適切な字句を解答群の中から選び，記号で答えよ。
a，b に関する解答群
  • CISC
  • DCジャック
  • HDMI
  • RISC
  • RJ45

解答例・解答の要点

a：エ
b：ウ

解説

本問では総合運動場の観覧席で発生したデータをその場で処理し、クラウドサーバに送るシステムが題材となっています。エッジコンピューティングは、クラウドサービス中心の処理構成にするのではなく、データ発生場所近くに処理を分散させることで、通信負荷や遅延の問題を軽減する設計方針です。総合運動場という場所の特性上、有線LANやWi-Fiが存在しないためモバイル通信が必要、さらに電源の確保が困難でバッテリー駆動が必要という制約を考慮する必要があります。

ボードコンピュータとは、手のひらサイズの1枚のプリント基板上に、CPU・メモリ・ストレージ・通信機能・センサー・入出力ポートなどを搭載した小型のコンピュータです。安価・省スペース・低消費電力であることが特徴であり、本問のようなIoTシステムや電子工作など多様な目的に使用されます。「ラズパイ」の愛称で知られるRaspberry Piもボードコンピュータの一つです。

〔aについて〕
空欄aの説明には、「複雑な命令セットをもつCPUではなく，単純な命令セットをもつ」とあります。この記述から、CPUの命令セットの方式を問うていることがわかります。解答群のうち該当するのはCISCとRISCです。
CISC（Complex Instruction Set Computer：シスク）
複雑で多機能な命令セットでコンピュータを構成する設計方法。PC向けCPUのx86系が代表例
RISC（Reduced Instruction Set Computer：リスク）
CPUに与える命令を比較的単純化し、固定長を基本として、専用の論理回路で高速に実行できるようにした命令セットでコンピュータを構成する設計方法。組込みやモバイル向けのARMが代表例
本文中の説明に合致するのはRISCであるため、空欄aには「ア：RISC」が当てはまります。

本問では、観覧席に設置するボードコンピュータとして、小型で省電力な構成が前提となっています。CISCは高機能ですが回路が複雑になりやすく、消費電力や実装規模が大きくなる傾向があるため、RISCアーキテクチャのCPUを採用したと考えられます。

∴a＝エ：RISC

〔bについて〕
文脈より、空欄bにはディスプレイを接続するためのインタフェース名が入るとわかります。ただし、この記述だけでは具体的な規格を一意に決めることはできません。解答群の内容から消去法で判断する形となります。
DCジャック
直流電源を供給するための電源入力端子で、ACアダプタやバッテリーなどの接続に用いられる
HDMI（High-Definition Multimedia Interface）
映像と音声を1本のケーブルで同時に伝送できるインタフェースで、ディスプレイ接続に用いられる
RJ45（Registered Jack 45）
有線LAN接続に用いられるコネクタ規格
3つのうちディスプレイ接続に使用可能なのはHDMIだけです。したがって、空欄bには「ウ：HDMI」が当てはまります。

∴b＝ウ：HDMI
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設問2

〔動画圧縮方式の検討〕について答えよ。
  • 本文中のcに入れる適切な数値を答えよ。1Gbpsは109bpsとし答えは小数第1位を四捨五入し，整数で求めよ。
  • 本文及び表2中のd，eに入れる適切な字句を解答群の中から選び，記号で答えよ。
  • 本文中の下線①について，どのようなメリットかを解答群の中から選び, 記号で答えよ。
d，e に関する解答群
  • H.265
  • MP3
  • PNG
  • WebP
  • エンコーダ
  • デコーダ
解答群
  • GPUをボール位置の検出処理などの他の処理に利用できる。
  • 音声と動画を合わせて一つのファイルに圧縮できる。
  • ハードウェアを用いた方が動画のデータ量を小さくできる。
  • 保護者のスマホの種類に応じた多くの圧縮形式の動画が作成できる。

解答例・解答の要点

  • c：12
  • d：ア
    e：オ
  • ア

解説

  • 〔cについて〕
    動画のデータ量は、画素数×色深度×フレームレートで計算します。各要素を整理します。※画素＝ピクセル
    • 画素数　3,840×2,160＝8,294,400画素
    • 色深度（1画素あたりのビット量） 24ビット／画素
    • フレームレート　60フレーム／秒
    以上より、動画1秒あたりのビット数は、

    　8,294,400[画素]×24[ビット]×60[フレーム]＝11,943,936,000[ビット]

    解答単位はGビット／秒です。1Gbpsは109bpsであるため、Gビット単位に変換して、

    　11,943,936,000ビット＝11.943936Gビット
    （小数第1位を四捨五入）12Gビット

    ∴c＝12

    FHD解像度に落とすとデータ量は4分の1に減りますが、それでも3Gビット／秒なのでモバイル通信では通信帯域が不足します。

  • 〔dについて〕
    空欄dには動画の圧縮方式が入ります。解答群のうち圧縮方式に該当するものを整理します。
    H.265
    動画を圧縮するための規格。正式名称を「HEVC：High Efficiency Video Coding」といい、従来の圧縮方式であるH.264/AVCと比較して2倍の圧縮率を誇る。4K/8Kのストリーミングサービスやネットワークカメラなどにおいて、高解像度動画を効率よく配信するための技術として利用されている
    MP3（MPEG Audio Layer-3）
    音声の圧縮方式。音声ファイルや動画内の音声データの圧縮に広く使用されている
    PNG（Portable Network Graphics：ピング）
    静止画像の圧縮方式。可逆圧縮が可能、背景透過が可能などの特徴があり、従来からWebで使用されている
    WebP（Web Picture：ウェッピー）
    Googleが開発した次世代の画像フォーマットであり、主に静止画像の圧縮に使用される。JPEG・PNGより高い圧縮率をもち、ブラウザサポートも広がっているため、AVIFとともに今後の普及が期待される
    解答群のうち動画圧縮に使用される方式はH.265だけです。したがって、空欄dには「ア：H.265」が当てはまります。

    ∴d＝ア：H.265

    〔eについて〕
    空欄eには、動画の圧縮処理を行う装置（チップ）名が入ります。残るエンコーダ又はデコーダが解答候補となります。

    データの変換処理では、データを一定の規則に従って符号に変換する処理をエンコード（符号化）、符号化されたデータを元の形に戻す処理をデコード（復号）といいます。これを装置名に対応させると、エンコーダは符号化側の装置、デコーダは復号側の装置となります。圧縮処理においては、エンコーダは元データを圧縮し、デコーダが圧縮データを伸長して再生できる状態に戻す役割を担います。

    本文では「eを使用して動画を圧縮する」とあるため、該当するのは「エンコーダ」です。したがって、空欄eには「オ：エンコーダ」が当てはまります。

    ∴e＝オ：エンコーダ

  • 設問では、動画圧縮をソフトウェアで行う場合と比べて、専用チップで行う利点を問うています。選択肢を順に検討します。
    • 正しい。ソフトウェアでの圧縮では、圧縮処理そのものをCPUで実行し、必要に応じてGPUも計算に使います。この場合、CPUやGPUの処理能力が圧縮に割り当てられ、ボール位置の検出や切出しといった他の処理に回せる余力が減ります。
      一方、動画圧縮を専用チップで行えば、圧縮処理をチップ側に任せられます。その分だけCPUやGPUの計算資源に余力がでるため、GPUをボール位置の検出処理などの他の処理に利用できます。
    • 表1の要件No.2では「音声は配信しない」とあります。本問の要件と合致しないため不適切です。
    • 同じ符号化方式（コーデック）と設定であれば、ハードウェアかソフトウェアかによってデータ量は本質的に変化しません。
    • 専用チップを用いた場合、圧縮方式はその装置が対応しているものに限定されます。この点は利点ではなく制約になります。
    ∴ア：GPUをボール位置の検出処理などの他の処理に利用できる。
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設問3

本文中の下線②について，Q君がこの設計としたのはどのような制約からか。20字以内で答えよ。

解答例・解答の要点

モバイル通信の帯域が不足する制約 (16文字)

解説

表1の要件No.3にあるように、本問では「ボールの位置を中心にズームアップして配信する」ことが求められます。クラウド側でボール位置の検出と動画の切出しを行う場合、解析のために、ボードコンピュータからクラウドに対し、加工前の高解像度の動画をそのまま送信しなければなりません。

一方、表1の要件No.5では「有線LANやWi-Fiの設備もないのでモバイル通信を用いる必要」であることが示されています。設問2(1)で計算したとおり、加工前のデータをモバイル通信で伝送することは現実的ではなく、もし実行しても、遅延や途切れなどにより安定したリアルタイム配信とはなりません。このため、エッジ側で前処理を行い、通信量を削減する構成を選択したと考えられます。

∴モバイル通信の帯域が不足する制約
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設問4

〔新システムのプロトタイプのテスト〕について答えよ。
  • 本文中の下線③について，試合開始から試合終了までに必要な電力量を答えよ。答えはmWh単位とし，整数で求めよ。
  • 本文中の下線④について，どのような処理を追加したか。15字以内で答えよ。

解答例・解答の要点

  • 6,510
  • 動画のbppを下げる。 (11文字)

解説

  • 必要な電力量は「起動状態の消費電力＋各装置の消費電力」の合計として求めることができます。

    本文より、ボードコンピュータ本体の起動状態の電力量は、1時間当たり1,500mWhです。各装置の電力量は、各装置の使用率が100％の場合の電力量に、表2の平均使用率を乗じて計算します。
    • CPU　2,000×0.8＝1,600mWh
    • GPU　3,000×0.9＝2,700mWh
    • 動画圧縮用専用チップ　400×0.9＝360mWh
    • モバイル通信装置　500×0.5＝250mWh
    • カメラモジュール　100×1.0＝100mWh
    合計すると、1,500＋1,600＋2,700＋360＋250＋100＝6,510mWh

    試合時間は60分であり、ちょうど1時間に相当します。1mWhは「1mWを1時間使用したときの電力量」を表すため、上記の計算結果をそのまま必要電力量として解答できます。モバイルバッテリーの実効容量は5,000mWhですから電力不足に陥るのも当然です。

    ∴6,510

  • 設問2(1)で計算したとおり、動画のデータ量は、画素数、色深度（bpp）、フレームレート（fps）の3つの要素で決まります。このため、データ量を削減には、これらのいずれかを低下させる必要があります。

    まず、解像度（画素数）を下げる方法は、小さなボールを検出する必要がある本問の事例では適当ではありません。画素数を下げるとボールが占める画素数が減り、背景に埋もれて検出しにくくなるおそれがあるためです。ボールを検出できなかった場合、動画全体を映すことになるため視聴品質の著しい低下を招きます。

    次に、bppを下げる方法があります。本処理ではボールの位置の検出さえできれば良く、色数は重要ではないため、bppを下げることで計算量を少なくできます。具体的にはグレースケール化やパレット化、RGBのまま各成分のビット数を減らす方法がありますが、表2の"ボール位置の検出"では「ボールは白色と黒色から成る」とあるため、少なくともグレースケール化をしても、あらかじめ学習させたボールの画像情報により同程度の精度で検出可能と考えられます。よって、データ量削減方法の一つとして有効です。

    最後の、処理するフレーム間隔を下げる方法は、ボールへの追従精度が悪くなる可能性があるため適当ではありません。ボールの検出を数フレームに1回にすれば計算量は減りますが、ボールは高速で移動するため、実際のボール位置とは異なる場所を映してしまうなど、視聴品質が低下する懸念があります。

    以上より、データ量を下げるために選択すべき方法は、「bppを下げる」こととなります。

    ∴動画のbppを下げる。
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