令和元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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ホームセキュリティシステムの実証実験に関する次の記述を読んで，設問1～3に答えよ。
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　C社は，関東地区に事業を展開する住宅メーカーである。C社の住宅は，最新の住宅機器を採用していることが人気を呼び，販売数を伸ばしている。C社は，近年増大している顧客のセキュリティニーズに応えるために，ホームセキュリティシステム(以下，新システムという)の商品化を検討することにした。この商品化の検討は，C社商品企画部のE君が担当することになった。

〔新システムの要件〕
　E君は，住宅展示場の来場者向けアンケートによって，住居におけるセキュリティニーズの収集を行った。このアンケート結果から，新システムの要件を次のように定義した。
  • 玄関上部の側壁に監視カメラを設置し，玄関付近及び敷地内を監視する。
  • 監視カメラで撮影した動画データは，後で確認できるように7日間保持する。
  • 敷地内に人が侵入した場合には，居住者のスマートフォンに通知する。

〔実証実験場所の確認〕
　E君は，新システムの商品化に向けて，新システムの実証実験をD地区にある住宅展示場で行うことにし，住宅展示場内に設置する監視カメラの設置現場を調査した。図1に，監視カメラの設置予定場所から撮影した画像サンプルを示す。
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　E君は，実証実験で，図1と同じ画像を撮影できるように監視カメラを設置し，道路を除く玄関，庭，通路で動く物体(以下，動体という)を検知したら通知することにした。通知に当たって，実証実験では，スマートフォン向けアプリケーションソフトウェアの開発は行わず，C社メールサーバが管理する展示場スタッフの電子メール(以下，メールという)アドレス宛てにメールを送信することにした。

〔新システムの実現方法の検討〕
　E君は，新システムには，撮影した動画データを保存する記録機能と動体を検知してメールを送信する動体検知機能が必要であると考えた。また，この二つの機能の設置場所の候補として，監視カメラ，監視サーバ，インターネット上のクラウドサービスの三つを挙げ，表1に示す三つの新システムの方式案を検討した。
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〔動画データのサイズ確認〕
　E君は，監視カメラが撮影した動画データのサイズを確認するために，利用予定の監視カメラを調査した。監視カメラの調査結果(抜粋)を表2に示す。
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　この監視カメラで撮影した動画データを監視カメラ以外の機器へ伝送する場合，動画データを圧縮することで，狭いネットワーク帯域でも伝送できる。動画データの圧縮符号化方式の一つであるaでは，フレーム間の差分を効率よく圧縮する方法などを用いて，高い圧縮率を実現している。
　E君は，①新システムが撮影する動画の特徴から，動画データの圧縮率は高くなると予想し，無圧縮時と比較して1%に圧縮できると想定した。この結果，必要なネットワーク帯域はbMビット／秒となり，7日分の圧縮された動画データはcGバイトとなる。

〔クラウドサービスと監視サーバの調査〕
　E君は，クラウドサービスと監視サーバの調査を行った。E君が調査したクラウドサービスと監視サーバの調査結果(抜粋)を表3に示す。
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　E君は，表2と表3の調査結果から，②新システムの実現方式を選定し，新システムの構築とテストを行った。

〔実証実験で検出された不具合〕
　住宅展示場で新システムの実証実験が開始され，1か月が経ったとき，展示場スタッフのFさんから"自分だけメールが受信できなくなった。"と連絡があった。E君が新システムのログを確認したところ，③"容量不足によってメールが受信できない"というメールがC社メールサーバから新システム宛てに返信されていた。
　その後E君は，メールの問題の原因を突き止めた後，実証実験を完了させ，商品化に向けた次のステップに進んだ。
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設問1

〔動画データのサイズ確認〕について，(1)～(4)に答えよ。
  • 表2及び本文中のa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，新システムが撮影する動画の特徴とは何か。15字以内で述べよ。
  • 本文中のbに入れる適切な数値を答えよ。答えは小数第2位を四捨五入して，小数第1位まで求めよ。ここで，動画データの伝送に伴うオーバーヘッドは無視できるものとし，1Mビットは106ビットとする。
  • 本文中のcに入れる適切な数値を設問1(3)の結果を利用して計算し，答えよ。答えは小数第1位を四捨五入して，整数で求めよ。ここで，1Gバイトは109バイトとする。
a に関する解答群
  • AAC
  • H.264
  • WMA
  • ZIP

解答例・解答の要点

  • a：イ
  • 動画に動きが少ない (9文字)
  • b：6.6
  • c：499

解説

  • 〔aについて〕
    各語句はどれもデータの圧縮符号化形式です。
    AAC（Advanced Audio Coding）
    MP3の後継として策定され、デジタル地上放送やワンセグで使用されている音声圧縮符号化形式。
    H.264（MPEG-4 AVC）
    ワンセグ放送などの低速・低画質のものからデジタルハイビジョンTVクラスの高ビットレート用途に至るまで、幅広く利用されることを想定した動画の圧縮符号化に関する規格。2019年現在、動画圧縮コーデックの標準規格。ワンセグ、テレビ会議システム、インターネット放送、Blu-Ray Disc、YouTube等の動画共有サービスなど様々な場面で使用されている。
    WMA（Windows Media Audio）
    マイクロソフトが開発した音声圧縮符号化形式。
    ZIP
    複数のファイルを1つのファイルにまとめつつファイルサイズを小さくするアーカイバ方式の1つ。
    動画の圧縮フォーマットは「H.264」だけです。

    ∴a＝イ：H.264

  • 動画の差分とは、フレームごとの画像の差異のことです。以前と変化した部分だけを記録し、視覚的に影響が出ない範囲で変化しない情報を間引くことで動画ファイルのデータ量を削減します。H.264は、1回ごとの差分情報の量を小さくするなどの改良を行うことで、従来から使用されてきたMPEG-2と比較して2倍以上の圧縮効率を実現しています。

    本問の監視カメラは定点観測であり、住宅敷地及び隣接する道路の一部が撮影対象となっています。少し考えればわかるように、基本的には動画には動きがなく、監視領域内を人や動物が通過しない限り静止画のようなものです。フレーム間の画像の差分が少ないのでH.264での高い圧縮率が期待できます。

    ∴動画に動きが少ない

  • 〔bについて〕
    以下の条件をもとに1秒間に転送されるデータ量を計算します。
    • 解像度：1280×720
    • フレームレート：30フレーム／秒
    • 1ピクセル当たりのビット数：24ビット
    • 圧縮率：1％
    まず、1フレームのデータ量は「ピクセル数×1ピクセル当たりのビット数」で計算できます。ピクセル数は「1280×720＝921,600」、1ピクセル当たりのデータ量は24ビットなので、

    　921,600ピクセル×24ビット＝22,118,400ビット

    この画像が1秒間に30フレーム生成されるので、1秒間のデータ量（無圧縮）は、

    　22,118,400ビット×30フレーム＝663,552,000ビット

    圧縮後は元のデータ量の1％に減るので、

    　663,552,000ビット×1％＝6,635,520ビット＝6.63552Mビット
    　(小数第2位を四捨五入して) 6.6Mビット／秒

    伝送に伴うオーバーヘッドは無視できるとしているため、ペイロード部分のデータ量がそのまま解答になります。

    ∴b＝6.6

  • 〔cについて〕
    1秒間のデータ量（圧縮後）が6.6Mビットなのですから、その7日分のデータ量を考えます。

    1時間は3,600秒なので、1日は「3,600秒×24時間＝86,400秒」、7日間は「86,400秒×7日＝604,800秒」です。これを6.6Mビットに乗じて、

    　6.6Mビット×604,800秒＝3,991,680Mビット

    Gバイト単位での解答を求められているため、

    　3,991,680Mビット＝498,960Mバイト＝498.96Gバイト
    　(小数第1位を四捨五入して) 499Gバイト

    ∴c＝499
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設問2

本文中の下線②について，(1)，(2)に答えよ。
  • E君が選定した方式は，どの方式か。表1中の方式番号で答えよ。
  • (1)で選定しなかった方式について，方式番号とその方式を選定しなかった理由を，それぞれ30字以内で述べよ。

解答例・解答の要点

  • 方式2
  • 方式番号：方式1
    理由：動体検知範囲の設定ができないから (16文字)
    方式番号：方式3
    理由：メモリカードに7日分の動画データを記録できないから (25文字)

解説

  • 方式2は、ストレージ容量（=600Gバイト、表3より）が、7日分の動画データ量である499Gバイトを超えており、検知画像範囲の設定機能があるなどシステム要件を満たしています。後述するように、他の2つの方式ではシステム要件を満たせないので方式2しか選択肢がありません。

    ∴方式2

  • 〔方式1について〕
    「敷地内に人が侵入した場合に，居住者のスマートフォンに通知する」というシステム要件があります。実証実験で、「道路を除く玄関、庭、通路内で動く物体を検知したら通知する」と説明されているように、検知範囲から道路などの指定範囲を除く必要があります。
    方式1ではクラウドサービスに動体検知機能と記録機能を持たせていますが、表3を見ると、クラウドサービスには検知画像範囲の設定機能がありません。検知画像範囲の設定ができないのであれば本システム要件を満たせません。これが方式1を選定しなかった理由となります。

    ∴動体検知範囲の設定ができないから

    〔方式3について〕
    方式3では監視カメラに記録機能を持たせています。設問1で計算した通り、7日分の動画データはおよそ499Gバイトになりますが、表2の監視カメラの仕様を見ると動画記録メディアであるメモリカードには最大128Gまでしか記録できません。これでは7日間の動画データを保持するというシステム要件を満たせません。これが方式3を選定しなかった理由となります。

    ∴メモリカードに7日分の動画データを記録できないから
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設問3

本文中の下線③について，何の容量が不足したか，表1中の字句を用いて30字以内で述べよ。

解答例・解答の要点

C社メールサーバのFさんのメールボックスの空き容量 (25文字)

解説

C社メールサーバからは「容量不足によってメールが受信できない」旨のエラーが通知されている、メールを受信できないのはFさんだけという2点からメールサーバ上のFさんに固有の何らかの容量が不足しているものと判断できます。

新システムの実証実験が行われている住宅展示場は、場所柄、通常の住宅と異なり玄関付近に従業員や来客の往来が相当数あることが推察されます。新システムは敷地内に人が侵入した場合にメールで通知する仕様になっているので、仮に1日100組の来客があれば入店・退店の2回だけをカウントしても200通のメールが送られることになります。

メールサーバは受信したメールを利用者ごとにメールボックスで管理します。メールボックスには管理者により容量が割り当てられていますが、大量のメール通知により容量を使い切ってしまったものと考えられます。メールボックスに空き容量がないと本問のように新たなメールを受信できなくなってしまいます。Fさんに不具合が生じたのは当初のメールボックスの空き容量が少なかったというだけで、いずれは展示場の他のスタッフも同じ障害に遭遇していたはずです。

表1の字句を用いてという指定があるので「C社メールサーバ」を入れると、不足していた容量は「C社メールサーバのFさんのメールボックスの空き容量」という解答になります。

∴C社メールサーバのFさんのメールボックスの空き容量
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