色深度

色深度または色深度（スペルの違いを参照）は、ビット深度とも呼ばれ、単一のピクセルの色を示すために使用されるビット数、または単一のピクセルの各色成分に使用されるビット数です。ピクセルを参照する場合、この概念はピクセルあたりのビット数（bpp）と定義できます。色成分を参照する場合、この概念は成分あたりのビット数、チャネルあたりのビット数、色あたりのビット数（これら3つはすべてbpcと略記）、およびピクセル成分あたりのビット数、色チャネルあたりのビット数、またはサンプルあたりのビット数（bps）と定義できます。^{[1] [2] [3]}現代の標準では成分あたりのビット数が使用される傾向がありますが、^{[1] [ 2] [4] [5]}歴史的に深度の低いシステムではピクセルあたりのビットがより頻繁に使用されていました。

色深度は色表現の 1 つの側面に過ぎず、各原色の量をどの程度正確に表現できるかを表します。もう 1 つの側面は、表現できる色の範囲の広さ (色域)です。色精度と色域の両方の定義は、色空間内の位置にデジタル コード値を割り当てるカラー エンコーディング仕様によって行われます。

カラーチャンネルにおける分解された強度のビット数は、特に衛星画像の文脈では放射分解能としても知られています。^[6]

• 同じ画像を 5 つの異なる色深度で表示し、結果の (圧縮された) ファイル サイズを示します。8 以下では適応パレットが使用されるため、一部のシステムで提供されるものよりも品質が高くなる可能性があります。
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  24 ビット.png 16,777,216 色
  98 KB
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  8 bit.png 256色
  37 KB (−62%)
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  4 bit.png 16色
  13 KB (−87%)
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  2 bit.png 4色
  6 KB (−94%)
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  1 bit.png 2色
  4 KB (−96%)

色深度が比較的低い場合、保存される値は通常、カラーマップまたはパレット(ベクトル量子化の形式)へのインデックスを表す数値です。パレット自体で使用できる色は、ハードウェアによって固定されている場合もあれば、ソフトウェアによって変更可能な場合もあります。変更可能なパレットは、疑似カラーパレットと呼ばれることもあります。

古いグラフィック チップ、特に家庭用コンピュータやビデオ ゲーム コンソールで使用されているチップでは、スプライトやタイルごとに異なるパレットを使用する機能を備えていることが多く、同時に表示される色の最大数を増やしながら、当時は高価だったメモリ (および帯域幅) の使用を最小限に抑えています。たとえば、ZX Spectrumでは、画像は 2 色形式で保存されますが、これらの 2 つの色は 8×8 ピクセルの長方形ブロックごとに個別に定義できます。

パレット自体には色深度（エントリあたりのビット数）があります。最高のVGAシステムでは色を選択できるパレットは18ビット（262,144色）のみでしたが^{[7] [8] [9] [10]}、すべてのカラーMacintoshビデオハードウェアでは24ビット（1600万色）のパレットが提供されていました。24ビットパレットは、最近のハードウェアやファイル形式ではほぼ普遍的です。

代わりに、ピクセル値から色を直接判別できる場合は、「直接色」です。パレットが消費するメモリが、すべてのピクセルの直接色に必要なメモリを超えてしまうため、1 ピクセルあたり 12 ビットを超える深度ではパレットが使用されることはほとんどありませんでした。

2 色、通常は白黒の直接カラー。1 が黒、0 が白を意味することもあり、これは現代の標準とは逆です。初期のグラフィック ディスプレイのほとんどはこのタイプで、X ウィンドウ システムはこのようなディスプレイ用に開発され、これは3M コンピューター用に想定されていました。1980 年代後半には、解像度が最大 300 dpi (当時のレーザー プリンターと同じ) のプロ仕様のディスプレイがありましたが、カラーの方が人気がありました。

通常は固定パレットから選択した 4 色。グレースケールの初期のNeXTstation、カラーの Macintosh、Atari ST の中解像度。

8 色、ほとんどの場合、フル輝度の赤、緑、青のすべての組み合わせ。ZX SpectrumやBBC Microなど、テレビ ディスプレイを備えた初期の家庭用コンピューターの多く。

通常は固定パレットから選択される 16 色。IBM CGA (最低解像度)、EGA 、および高解像度の最小公分母VGA標準で使用されます。Color Macintosh、Atari ST 低解像度、 Commodore 64、およびAmstrad CPCも 4 ビット カラーをサポートしていました。

オリジナルの Amiga チップセットで使用される、プログラム可能なパレットの 32 色。

64 色。マスター システム、拡張グラフィックス アダプター、TRS-80 カラー コンピューター 3 用の GIME、Pebble Time スマートウォッチ (64 色電子ペーパー ディスプレイ)、およびリファレンス VGA 回路を使用する Parallax Propellerで使用されます。

256 色 (通常は完全にプログラム可能なパレットから): ほとんどの初期のカラー Unix ワークステーション、Super VGA、カラーMacintosh、Atari TT、Amiga AGA チップセット、Falcon030、Acorn Archimedes。Xと Windows はどちらも、各プログラムが独自のパレットを選択できるようにするための複雑なシステムを提供していましたが、フォーカスのあるウィンドウ以外のウィンドウでは間違った色が表示されることがよくありました。

いくつかのシステムでは、直接色システム用のパレットにカラーキューブを配置していました（そのため、すべてのプログラムで同じパレットが使用されていました）。通常、人間の目は赤や緑よりも青の成分に敏感ではないため（目の受容体の3分の2はより長い波長を処理します^[11]）、青のレベルは他のレベルよりも少なくなっています。一般的なサイズは次のとおりです。

• 6×6×6 (ウェブセーフカラー)、残りの 40 色はグレー ランプまたはプログラム可能なパレット エントリに使用できます。
• 8×8×4。RとGの3ビット、Bの2ビットで、乗算を使わずに色から正しい値を計算できます。 1990年代前半から中頃にかけて、 MSX2システムシリーズのコンピューターなどで使用されました。
• 6×7×6 のカラー キューブ。残り 4 色はプログラム可能なパレットまたはグレーに使用できます。
• 6×8×5 の立方体で、プログラム可能なパレットまたはグレー用に 16 色を残します。

4,096 色。通常は完全にプログラム可能なパレットから選択されます (ただし、16×16×16 カラー キューブに設定されることもよくあります)。一部のSilicon Graphicsシステム、Color NeXTstationシステム、およびHAMモードのAmigaシステムでは、この色深度が採用されています。

RGBA4444 は、カラー キューブと 16 段階の透明度を提供する 16 bpp 表現であり、モバイル グラフィックスで一般的なテクスチャ形式です。

ハイカラーシステムでは、各ピクセルに2バイト（16ビット）が格納されます。ほとんどの場合、各コンポーネント（R、G、B）には5ビットが割り当てられ、さらに未使用のビットが1つ（またはマスクチャネル用、またはインデックスカラーへの切り替え用）割り当てられます。これにより、32,768色を表現できます。ただし、未使用ビットをGチャネルに再割り当てする代替割り当てにより、65,536色を表現できますが、透明度はありません。^[12]これらの色深度は、携帯電話などのカラーディスプレイを備えた小型デバイスで使用されることがあり、写真画像を表示するのに十分であると見なされることがあります。^{[13]場合によっては、色ごとに4ビットが使用され、アルファ用に4ビットが追加され、4,096色になります。この標準を使用した最初のハードウェアには、}シャープ X68000とIBMのExtended Graphics Array（XGA） がありました。

「ハイカラー」という用語は、最近では 24 ビットを超える色深度を意味するために使用されています。

最も安価なLCDのほとんどすべて（典型的なツイストネマティックタイプなど）は、より高速な色遷移時間を実現するために18ビットカラー（64×64×64 = 262,144の組み合わせ）を提供し、ディザリングまたはフレームレート制御のいずれかを使用してピクセルあたり24ビットの真の色に近似するか、^[14] 6ビットの色情報を完全に捨てます。より高価なLCD（通常はIPS）は、24ビット以上の色深度を表示できます。

24 ビットでは、ほとんどの場合、R、G、B のそれぞれ 8 ビット (8 bpc) が使用されます。2018 年現在、24 ビットの色深度は、ほぼすべてのコンピューターと電話のディスプレイ^{[引用が必要]と、}画像保存形式の大部分で使用されています。ピクセルあたり 32 ビットのほとんどの場合、24 ビットが色に割り当てられ、残りの 8 ビットはアルファ チャネルまたは未使用になります。

2 ^{24 は}16,777,216 色の​​バリエーションになります。人間の目は最大 1000 万色を識別でき、^{[15]ディスプレイの}色域は人間の視覚の範囲よりも狭いため、これは知覚できるよりも詳細にその範囲をカバーする必要があることを意味します。ただし、ディスプレイは人間の知覚空間に色を均等に分配しないため、人間は隣接する色の変化を色の縞模様として見ることができます。モノクロ画像では 3 つのチャネルすべてを同じ値に設定するため、256 つの異なる色のみになります。一部のソフトウェアでは、グレー レベルをカラー チャネルにディザリングしてこの値を増やしますが、最近のソフトウェアでは、これはサブピクセル レンダリングによく使用され、色の位置がわずかに異なる LCD 画面の空間解像度を高めます。

DVDビデオとブルーレイディスク規格は、4:2:0クロマサブサンプリングによるYCbCrで色あたり8ビットのビット深度をサポートしています。^{[16] [17]} YCbCrはロスレスでRGBに変換できます。

MacOSでは24ビットカラーを「数百万色」と呼んでいます。トゥルーカラーという用語は、この記事でダイレクトカラーと呼んでいるものを意味するために使用されることがあります。^[18]また、24以上のすべての色深度を指す場合にもよく使用されます。

ディープカラーは10億色以上の色で構成されています。^[19] 2 ³⁰は1,073,741,824です。通常、これは赤、緑、青のそれぞれ10ビット（10 bpc）です。同じサイズのアルファチャンネルが追加されると、各ピクセルは40ビットを使用します。

以前のシステムでは、32 ビットワードに 3 つの 10 ビット チャネルを配置し、2 ビットを未使用 (または 4 レベルのアルファ チャネルとして使用)にしていました。たとえば、Cineon ファイル形式はこれを使用していました。一部のSGIシステムには、ビデオ信号用の 10 ビット (またはそれ以上) のデジタル/アナログ コンバーターがあり、このように保存されたデータを解釈して表示するように設定できます。BMPファイルでは、これを形式の 1 つとして定義しており、 Microsoftでは「HiColor」と呼ばれています。

1コンポーネントあたり10ビットのビデオカードは、1990年代後半に市場に登場し始めました。初期の例としては、Macintosh用のRadius ThunderPowerカードがあり、これには30ビット画像の編集をサポートするQuickDrawおよびAdobe Photoshopプラグインの拡張機能が含まれていました。 ^{[20]一部のベンダーは、} FRCパネルを備えた24ビットの色深度を30ビットパネルと呼んでいますが、真のディープカラーディスプレイはFRCなしで10ビット以上の色深度を備えています。

HDMI  1.3仕様では、30ビットのビット深度（および36ビットと48ビットの深度）が定義されています。[ ^21] その点では、 2006年以降に製造されたNvidia Quadroグラフィックスカードは30ビットのディープカラーをサポートし^[22]、Pascal以降のGeForceおよびTitanカードはStudioドライバーと組み合わせるとサポートされ^[23]、Radeon HD 5900シリーズのHD 5970などの一部のモデルも同様です。^{[24] [25]} ATI FireGL V7350グラフィックスカードは、40ビットと64ビットのピクセル（アルファチャネル付きの30ビットと48ビットの色深度）をサポートしています。^[26]

DisplayPort仕様では、バージョン1.3で「 VESAディスプレイストリーム圧縮」により24bppを超える色深度もサポートされています。これは、予測DPCMとYCoCg-R色空間に基づく視覚的にロスのない低遅延アルゴリズムを使用し、解像度と色深度の向上と消費電力の削減を可能にします。」^[27]

WinHEC 2008で、マイクロソフトはWindows 7で30ビットと48ビットの色深度と、広色域のscRGBをサポートすることを発表しました。^{[28] [29]}

高効率ビデオコーディング（HEVCまたはH.265）は、4:2:0クロマサブサンプリングでサンプルあたり8ビットまたは10ビットを可能にするメイン10プロファイルを定義します。^{[2] [4] [5] [30] [31]}メイン10プロファイルは、消費者向けアプリケーション用にHEVCに10ビットプロファイルを追加することを提案した提案JCTVC-K0109に基づいて、2012年10月のHEVC会議で追加されました。^[5]この提案では、これによりビデオ品質が向上し、UHDTVで使用されるRec. 2020色空間がサポートされると述べられています。^[5] HEVCの2番目のバージョンには、サンプルあたり8ビットから16ビットのビット深度を可能にする5つのプロファイルがあります。^[32]

2020年現在、OnePlus 8 Pro、Oppo Find X2 & Find X2 Pro、Sony Xperia 1 II、Xiaomi Mi 10 Ultra、Motorola Edge+、ROG Phone 3、Sharp Aquos Zero 2など、一部のスマートフォンが30ビットの色深度を使い始めています。 ^[要出典]

カラー チャネルごとに 12 ビットを使用すると、36 ビット、つまり 68,719,476,736 色が生成されます。同じサイズのアルファ チャネルを追加すると、ピクセルごとに 48 ビットになります。

色チャンネルあたり 16 ビットを使用すると、48 ビット、つまり 281,474,976,710,656 色が生成されます。同じサイズのアルファ チャンネルを追加すると、ピクセルあたり 64 ビットになります。

Adobe Photoshopなどの画像編集ソフトウェアは、中間結果の量子化を減らすために、かなり早い段階で 1 チャネルあたり 16 ビットを使い始めました (つまり、演算を 4 で割ってから 4 を掛けると、8 ビット データの下位 2 ビットが失われますが、16 ビットを使用すると 8 ビット データは失われません)。さらに、デジタル カメラは、生データで 1 チャネルあたり 10 ビットまたは 12 ビットを生成できます。16 ビットはそれより大きい最小のアドレス指定可能な単位であるため、これを使用すると生データの操作が容易になります。

いくつかのシステムでは、これらのビットを解像度を上げるためではなく、0～1の範囲外の数値に使い始めました。1より大きい数値は、ハイダイナミックレンジイメージング（HDRI）のように、ディスプレイが表示できるよりも明るい色に使用されました。負の数値は、すべての可能な色をカバーするように色域を広げ、負のフィルタ係数によるフィルタリング操作の結果を格納するために使用できます。Pixar Image Computerは、[-1.5、2.5)の範囲の数値を格納するために12ビットを使用し、整数部分に2ビット、小数部分に10ビットを使用しました。Cineonイメージングシステムは、 10ビットのプロフェッショナルビデオディスプレイを使用し、ビデオハードウェアを調整して、値95が黒、685が白になるようにしました。^[33]増幅された信号はCRTの寿命を縮める傾向がありました。

ビット数が増えると、光を線形値として保存するようになり、その数値は直接的に光の量に対応します。線形レベルにより、コンピュータ グラフィックスの計算がはるかに簡単になります。ただし、線形カラーでは、白に近いサンプルが不釣り合いに多くなり、黒に近いサンプルが減るため、16 ビット線形の品質は 12 ビットsRGBとほぼ同等になります。

浮動小数点数は、サンプルを半対数的に間隔をあけて線形光レベルを表すことができます。浮動小数点表現では、大幅に広いダイナミック レンジと負の値も使用できます。ほとんどのシステムは、最初はチャネルあたり 32 ビットの単精度をサポートしていましたが、これはほとんどのアプリケーションに必要な精度をはるかに超えていました。1999 年に、Industrial Light & Magic は、チャネルあたり 16 ビットの半精度浮動小数点数をサポートするオープン スタンダードイメージ ファイル形式OpenEXR をリリースしました。1.0 に近い値では、半精度浮動小数点値は 11 ビット整数値の精度しかないため、一部のグラフィックスの専門家は、拡張されたダイナミック レンジが必要ない状況では半精度を拒否しています。

事実上、すべてのテレビ ディスプレイやコンピューター ディスプレイは、赤、緑、青の 3 つの原色の強度を変化させることによって画像を形成します。たとえば、明るい黄色は、青の寄与がなく、赤と緑の寄与がほぼ等しいことによって形成されます。

画像の保存と操作には、従来の三角形を拡張する別の方法があります。画像コーディングを架空の原色を使用するように変換できます。これは物理的には不可能ですが、三角形を拡張してはるかに広い色域を囲む効果があります。同等でより簡単な変更は、カラー チャネルで負の数を許可して、表される色が原色によって形成される色三角形の外に拡張できるようにすることです。ただし、これらは画像エンコーディングで表すことができる色を拡張するだけで、どちらのトリックもディスプレイ デバイスで実際にレンダリングできる色 域を拡張しません。

補助色はディスプレイの色域を広げることができる。なぜなら、 CIE 1931色空間など、3原色を頂点とする三角形の内側に限定されなくなるからである。テキサス・インスツルメンツのBrilliantColorなどの最近の技術は、典型的な赤、緑、青のチャンネルに、シアン、マゼンタ、黄色の最大3原色を追加している。^[34]シアンは赤チャンネルの負の値で示され、マゼンタは緑チャンネルの負の値で、黄色は青チャンネルの負の値で示され、本来は架空の負の数値を色チャンネルで使用できることを裏付けている。

三菱やサムスン（その他）は、一部のテレビでBrilliantColor を使用して、表示可能な色の範囲を拡張しています。 ^{[引用が必要]} シャープの Aquosシリーズのテレビでは、通常の RGB ピクセル コンポーネントに黄色のサブピクセルを追加するQuattronテクノロジが導入されています。ただし、拡張された色域を許可または使用する形式やメディアは、現在のところ非常にまれです。^{[引用が必要]}

人間は圧倒的に三色型または二色型色覚者^[b]であるため、4 番目の「原色」を追加しても実用的な利点はないと思われるかもしれません。しかし、人間は3 色の光を混ぜて表示できるよりも広い範囲の色を見ることができます。色の不足は、RGB ディスプレイの青緑の飽和色調 (図の馬蹄形の左上の灰色の部分) で特に顕著です。ほとんどの人間は、どのカラー ビデオ スクリーンでも表示できるよりも鮮やかな青緑を見ることができます。