令和7年度秋期応用情報技術者試験午後問題問4 エッジコンピューティングの設計と制約

この問題は2025(R7)秋応用情報技術者午後に出題されたものです。出題時点の法令・制度に基づく内容のため、現行の内容と一致しない場合があります。

本ページの問題文・選択肢は、原本の体裁を Web 表示用に正規化しています（改行・記号・数式・図表参照の調整）。設問の趣旨および正解に影響する変更は加えていません。

学習ガイド

サッカー教室の練習試合を動画配信するサービスを、小型ボードコンピュータによるエッジコンピューティングで設計する問題です。動画の圧縮方式の選定、転送データ量や消費電力量の計算、そしてなぜエッジ側で処理するのかという設計根拠まで、ハードウェアとネットワークの制約を数値で扱う力が試されます。この記事では、制約条件を先に書き出し、各計算・各選択がどの制約への応答なのかを明示しながら解説します。

この記事で押さえる論点

ハードウェア構成(GPU・エンコーダー)の役割を理解する
動画のデータ量・転送量・電力量を制約条件から見積もる
エッジ側で処理する設計判断の根拠(ネットワーク制約)を説明する

出題情報

出題: 2025(R7)秋応用情報技術者午後問4
配点: 20点満点
模範解答: 公表(設問ごとに掲載)

出題趣旨・採点講評(IPA 公表)

昨今、小型かつ安価で利用できるボードコンピュータが普及しつつあり、これらを用いたエッジコンピューティングによる様々なサービスが開始されている。本問では、サッカー教室における練習試合の動画配信サービスを題材として、コンピュータのハードウェアに関する基本的な理解と、ハードウェア制約やネットワーク制約を意識したシステムの設計能力について問う。

問4では，サッカー教室における動画配信サービスを題材に，コンピュータのハードウェアに関する基本的な理解と，ハードウェア制約やネットワーク制約を意識したシステムの設計能力について出題した。全体として正答率は平均的であった。

問題本文

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。

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やスマホへ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。

要件No.	要件
1	ハーフタイム，アディショナルタイムなどを含む試合開始から試合終了までの時間（60分）について配信する。
2	音声は配信しない。
3	撮影専門のスタッフを用意することは困難なので，カメラを観覧席に設置したままで自動的に撮影する。
4	グラウンド全体を撮影すると選手が小さくなってしまうので，ボールの位置を中心にズームアップして配信する。
5	使用予定の観覧席では電源の確保が困難であり，バッテリー駆動が必要である。また，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がある。

〔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， c G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。

処理名称	処理内容	処理装置名称	処理装置平均使用率(%)
動画の撮影	ボードコンピュータに接続したカメラで 4K 解像度, 24bpp, 60fps の動画を撮影する。	カメラモジュール	100
ボール位置の検出	あらかじめ学習させたボールの画像情報を用いて, 画像認識技術によって撮影した動画の各フレーム中のボールの位置を検出する。なお, 練習試合で利用するボールは白色と黒色から成るボールである。	ボードコンピュータ GPU	90
動画の切出し	ボールの位置を検出できた場合には, ボールの位置を中心とした FHD 解像度の動画を切り出す。できなかった場合には, 動画全体を FHD 解像度に縮小する。	ボードコンピュータ CPU	80
動画の圧縮	動画を圧縮する。	ボードコンピュータ e	90
クラウドサービスへ送信	モバイル通信を用いて, 圧縮した動画をクラウドサービスへ送信する。	モバイル通信装置	50
動画受信	ボードコンピュータが送信した動画を受信する。	クラウドサービス	-
動画配信	インターネットを用いて, 動画を保護者の PC やスマホへ配信する。	クラウドサービス	-

〔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。

設問と解答・解説

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。

(1)

本文中の空欄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。

ア CISC
イ DCジャック
ウ HDMI
エ RISC
オ RJ45

模範解答

選択肢エ: RISC

配点 2点

解説

小型かつ安価で利用できるボードコンピュータのCPUアーキテクチャには、低消費電力で効率的に動作する RISC（Reduced Instruction Set Computer）が広く採用されています。RISCは命令セットを単純化・均一化することで、ハードウェアの回路規模を小さくし、高速な処理と省電力を実現しています。

各選択肢の解説

ア (CISC): Complex Instruction Set Computerの略で、1つの命令で複雑な処理を行えるように設計されたアーキテクチャです。一般的にPC向けのCPUなどで使われますが、消費電力が大きくなる傾向があります。
イ (DCジャック): 直流電源（DC）を供給するためのコネクタです。CPUのアーキテクチャではありません。
ウ (HDMI): 映像と音声をデジタル信号で伝送するためのインターフェース規格です。
エ (RISC): 正解です。
オ (RJ45): イーサネット（LAN）ケーブルを接続するためのコネクタの規格です。

(2)

本文中の空欄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。

ア CISC
イ DCジャック
ウ HDMI
エ RISC
オ RJ45

模範解答

選択肢ウ: HDMI

配点 2点

解説

ボードコンピュータの映像を外部ディスプレイに出力するための端子として、現代の機器で最も一般的に使用されているのは HDMI（High-Definition Multimedia Interface）です。1本のケーブルで映像信号、音声信号、制御信号をデジタルで転送できるという特徴があります。

各選択肢の解説

ア (CISC): CPUのアーキテクチャの一種であり、映像出力端子ではありません。
イ (DCジャック): 電源を供給するための接続端子です。
ウ (HDMI): 正解です。映像や音声を出力するための規格です。
エ (RISC): CPUのアーキテクチャの一種です。
オ (RJ45): 有線LAN接続に用いられるコネクタです。

設問2

〔動画圧縮方式の検討〕について答えよ。

(1)

本文中の空欄c に入れる適切な数値を答えよ。1Gbpsは $10^9$ bpsとし，答えは小数第1位を四捨五入し，整数で求めよ。

模範解答

配点 2点

解説

動画の転送にかかる時間は、データ量と通信速度に基づいて計算されます。問題文中において、 $1 \text{ Gbps} = 10^9 \text{ bps}$ と定義されています。通信速度（bps）とデータ量（ビットまたはバイト）の単位を揃えて計算することがポイントです。
例えば、データ量が与えられている場合、次のような式で転送時間を計算します。
$\text{転送時間 (秒)} = \frac{\text{データ量 (ビット)}}{\text{通信速度 (bps)}}$
計算結果の小数第1位を四捨五入し、整数で解答すると「12」となります。

誤答となる主な原因

バイトとビットの変換忘れ: データ量がバイト(Byte)で与えられている場合、 $1 \text{ Byte} = 8 \text{ bit}$ として計算する必要があります。
単位の接頭辞の誤り: G（ギガ）や M（メガ）のオーダーを正確に計算できていない場合、桁数に誤りが生じます。

(2)

本文及び表2中の空欄d 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。

ア H.265
イ MP3
ウ PNG
エ WebP
オエンコーダ
カデコーダ

模範解答

選択肢ア: H.265

配点 2点

解説

動画のデータサイズを圧縮するための規格として、現在広く普及しており、高い圧縮率を誇るのが H.265（HEVC: High Efficiency Video Coding）です。限られたネットワーク帯域で高画質な動画を配信するサービスにおいて適した圧縮方式です。

各選択肢の解説

ア (H.265): 正解です。高効率な動画圧縮規格です。
イ (MP3): 音声データを圧縮するための規格であり、動画圧縮の規格ではありません。
ウ (PNG): 静止画像を可逆圧縮するための規格です。
エ (WebP): Webサイト向けに開発された静止画像フォーマットです。
オ (エンコーダ): データ圧縮「処理を行う装置やソフトウェア」のことですが、圧縮規格の名前ではありません。
カ (デコーダ): 圧縮されたデータを元のデータに復元する装置やソフトウェアです。

(3)

本文及び表2中の空欄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。

ア H.265
イ MP3
ウ PNG
エ WebP
オエンコーダ
カデコーダ

模範解答

選択肢オ: エンコーダ

配点 2点

解説

動画データなどを特定の形式に圧縮（符号化）する処理、またはその処理を行う回路やソフトウェアのことを エンコーダ と呼びます。ボードコンピュータ上で動画をH.265形式にするために必要な要素です。

各選択肢の解説

ア (H.265): 圧縮「規格」の名称であり、処理を行う機能そのものを指す言葉ではありません。
イ (MP3): 音声圧縮規格です。
ウ (PNG): 静止画像のフォーマットです。
エ (WebP): 静止画像のフォーマットです。
オ (エンコーダ): 正解です。データを圧縮（エンコード）するものです。
カ (デコーダ): 圧縮されたデータを復元（デコード）する機能のことであり、動画を圧縮・作成する側の処理ではありません。

(4)

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。

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。
イ音声と動画を合わせて一つのファイルに圧縮できる。
ウ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。
エ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。

模範解答

選択肢ア: 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。

配点 2点

解説

ハードウェアエンコーダ（エンコード専用のハードウェア回路）を用いる最大のメリットは、CPUや GPU のような汎用的な演算リソースをエンコード処理から解放できる点にあります。動画のエンコードは計算負荷が非常に高いため、専用回路に任せることで、GPUを本来行うべきボール位置の検出処理といった画像認識（AI処理）にフル活用できるようになります。

各選択肢の解説

ア: 正解です。エンコード処理を専用ハードウェアにオフロードすることで、GPUの計算資源を別の処理に充てることができます。
イ: 音声と動画の多重化（マルチプレクサの役割）は、ハードウェアエンコーダに限定されたメリットではありません。
ウ: ハードウェアで処理してもソフトウェアで処理しても、同じ圧縮規格（H.265など）と同じ設定を用いれば、出力される動画のデータ量に本質的な違いはありません。
エ: ハードウェアエンコーダは特定の圧縮形式（H.265など）の処理に特化していることが多く、むしろソフトウェアエンコーダの方が多様な形式に柔軟に対応できます。

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。

模範解答

モバイル通信の帯域が不足する制約

採点基準(配点 3点)

知識・理解度（内容）(2点)

2点: 「モバイル通信」などのネットワーク環境と、「帯域が不足する」といった制約の内容の双方が正確に記述されている。
1点: 「モバイル通信」または「帯域の不足」のいずれか一方のみに言及している。
0点: 言及がないか、制約の認識として誤りがある。

論理性（構造）(1点)

1点: 日本語として意味が通じる文章であり、制約の理由として成立している。
0点: 文章の繋がりが不自然であるか、意味が破綻している。

解説

エッジコンピューティングにおいて、カメラなどの端末側（エッジ）で大量の生データを取得しても、それらをすべてクラウドに送信しようとすると、モバイル通信の帯域幅（アップロード速度） がボトルネックとなります。このネットワーク制約を回避するため、エッジ側でデータ処理（圧縮や必要な情報の抽出）を行ってから送信する設計が必要です。

高得点のポイント

「モバイル通信」や「ネットワーク」といった通信経路の性質に言及していること。
通信経路の「帯域が不足する」という制約の核心を捉えていること。

設問3は，正答率が平均的であった。モバイル通信のネットワーク帯域を考慮した設計を問うた。エッジコンピューティングでは，ハードウェア制約やネットワーク制約を考慮した設計を行うことが，必要不可欠であるので，是非理解しておいてほしい。

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。

(1)

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。

模範解答

6510

配点 2点

解説

電力量（mWh: ミリワット時）は、消費電力（W または mW）と使用時間（h: 時間）の積で求められます。
$\text{電力量 (mWh)} = \text{電力 (mW)} \times \text{時間 (h)}$
試合開始から終了までにかかる時間と、システムが消費する平均電力を本文や図表から読み取り、適切に掛け合わせて計算します。単位変換（W から mW、分から時間）に注意して計算を実行することで「6510」という数値が導き出されます。

誤答となる主な原因

試合時間を「分」のまま計算してしまい、「時間 (h)」に換算するのを忘れている。
電力の単位を mW (ミリワット) ではなく W (ワット) のまま計算している。

(2)

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。

模範解答

動画のbppを下げる。

採点基準(配点 3点)

知識・理解度（内容）(2点)

2点: 動画の「bpp（色深度）」を「下げる（または減色する）」処理であることを明確に記述している。
1点: データ量や画質を下げることに言及しているが、「bpp」や「色深度」といった具体的なパラメータ名が欠けている。
0点: 追加された処理の記述がないか、全く無関係な記述となっている。

論理性（構造）(1点)

1点: 追加した処理の内容として、意味が通じる文章である。
0点: 文章の繋がりが不自然であるか、意味が破綻している。

解説

動画のデータ量は、解像度、フレームレート（fps）、および色深度（bpp: bits per pixel）の掛け合わせで決まります。ボール位置の検出など特定の画像認識用途においては、フルカラーのような高い色深度は不要である場合が多く、モノクロ化や減色処理によって bppを下げる ことで、認識精度を保ちながらデータ量や処理負荷を劇的に削減することが可能です。

高得点のポイント

動画のデータ量を削減する具体的な方法として、「bpp（色深度）を下げる」または「減色する」という処理に明確に言及していること。

設問4(2)は，正答率が低かった。画像認識技術によるボール位置の検出に必要な情報を問うた。動画のデータ量は大量になりやすいが，利用目的に応じて不必要な情報を除去することでデータ量を削減できる。動画の基本的な特性（解像度，bpp，fps）について理解を深めてほしい。