インデックスカラー

コンピューティングにおいて、インデックスカラーとは、コンピュータのメモリとファイルストレージを節約し、ディスプレイの更新とファイル転送を高速化するために、デジタル画像の色を限定的に管理する技術です。これはベクトル量子化圧縮の一種です。

このように画像をエンコードすると、色情報は画像ピクセルデータによって直接運ばれるのではなく、カラールックアップテーブル（CLUT）またはパレットと呼ばれる別のデータに格納されます。パレットは色仕様の配列です。配列内のすべての要素は色を表し、配列内の位置によってインデックスが付けられます。各画像ピクセルには色の完全な仕様は含まれず、パレット内のインデックスのみが含まれます。この手法は、色が間接的に処理される ため、疑似カラー^[1]または間接色^[2]と呼ばれることもあります。

フレームバッファとカラールックアップテーブルを備えた8ビットインデックスカラーを使用した初期のグラフィックス表示システムには、ショウプのSuperPaint（1973年）や、1975年にKajiya、Sutherland、Cheadleによって説明されたビデオフレームバッファなどがあります。^{[3] [4]}これらは256 RGBカラーのパレットをサポートしていました。SuperPaintはシフトレジスタフレームバッファを使用し、Kajiyaらのシステムはランダムアクセスフレームバッファを使用していました。

以前のシステムのいくつかでは 3 ビット カラーが使用されていましたが、通常はビットを CLUT へのインデックスとしてまとめて扱うのではなく、独立した赤、緑、青のオン/オフ ビットとして扱っていました。

パレット自体は限られた数の異なる色を格納します。最も一般的なケースは 4、16、または 256 です。これらの制限は多くの場合、ターゲット アーキテクチャのディスプレイ アダプタ ハードウェアによって課せられるため、これらの数値が正確に 2 の累乗 (バイナリ コード) であるのは偶然ではありません。2 ²  = 4、2 ⁴  = 16、2 8 ^{= 256 です。256 の値は 1 つの 8}ビット バイト に収まりますが(インデックス付きのカラー ピクセル 1 つも 1 バイトを占有します)、16 (4 ビット、ニブル )以下の色のピクセル インデックスは 1 バイトにまとめることができます (16 色を使用する場合は 1 バイトあたり 2 ニブル、4 色を使用する場合は 1 バイトあたり 4 つの 2 ビット ピクセル)。場合によっては、1 ビット (2 色) の値を使用して、最大 8 ピクセルを 1 バイトにまとめることができます。このような画像は、インデックス付きカラー画像ではなく、 バイナリ画像（ ビットマップ画像またはバイレベル画像と呼ばれることもあります）と見なされます。

透明色による シンプルなビデオオーバーレイを意図している場合、パレットエントリが1つこの目的のために特別に予約されており、使用可能な色として無視されます。MSXシリーズなどの一部のマシンでは 、透明色がハードウェアによって予約されていました。^[5]

パレット サイズが 256 エントリを超えるインデックス カラー イメージはまれです。実用的な制限は、ピクセルあたり約 12 ビット、4,096 の異なるインデックスです。インデックス 16 bpp 以上を使用すると、カラー パレット サイズ (バイト単位) が生のイメージ データ自体よりも大きくなるため、インデックス カラー イメージの性質の利点が得られません。また、便利な直接 RGB Highcolorモードは、 15 bpp以上 から使用できます 。

画像に微妙な色合いが多数ある場合は、 色の量子化を使用して画像を近似するために、限られた色のレパートリーを選択する必要があります。このようなパレットは、画像を正確に表現するには不十分な場合が多く、 グラデーションなどの再現が難しい特徴は、ブロック状または帯状 (色の縞模様)として表示されます。このような場合、通常はディザリングを使用します。これは、異なる色のピクセルをパターン状に混合し、近くのピクセルをぼかすという人間の視覚の傾向を利用して、視覚的に元の画像に近い結果をもたらします。

以下は、典型的なインデックス付き 256 色の画像とそのパレット (スウォッチの長方形として表示) です。

特定のインデックス付きカラー イメージのカラー パレット マップ内で色がどのようにエンコードされるかは、ターゲット プラットフォームによって異なります。

初期のパーソナルコンピュータや家庭用コンピュータの多くはハードウェアパレットが非常に限られており、生成できる色のセットは非常に少なかった。このような場合、各ピクセルの値はこれらの色のいずれかに直接マッピングされた。よく知られている例としては、Apple II、Commodore 64、IBM PC CGAがあり、これらにはすべて、16色の固定セットを生成できるハードウェアが含まれていた。これらの場合、画像は各ピクセルを4ビットでエンコードし、使用する色を直接選択できる。ただし、ほとんどの場合、ディスプレイハードウェアは、それらの色のサブセットのみを1つの画像で使用できる追加モードをサポートしており、これはメモリを節約するのに便利な手法である。たとえば、CGAの320×200解像度モードでは、一度に16色のうち4色しか表示できなかった。パレットは完全に独自のものであったため、あるプラットフォームで生成された画像を別のプラットフォームで直接適切に表示することはできない。

この時代における他のマシンは、より大規模な色セットを生成できたが、一般的には 1 つの画像に使用できるのはそれらのサブセットのみであった。例としては、 Atari 8 ビット マシンの 256 色パレットや、 ReGISグラフィック モードのVT241端末の 4,096 色が挙げられる。これらの場合、画像に一度に表示される色数は、Atari と VT241 では最大 16 色であり、総色数のごく一部しか表示されないのが一般的であった。一般的に、これらのシステムは色数の少ない他のシステムと同じように動作したが、重要な違いは、ビデオ メモリの量が限られているため、パレットの色が多すぎてピクセル データに直接エンコードできない点であった。代わりに、各ピクセルのデータが CLUT のエントリを指すカラールックアップ テーブル(CLUT)を使用し、CLUT はプログラム制御で設定された。つまり、画像を正しく再現するには、画像 CLUT データを生の画像データとともに保存する必要があるということです。

YPbPrなどのコンポーネント ビデオカラーに基づくハードウェア パレットは、1980 年代半ばに、より柔軟なRGB カラー モデルに置き換えられました。このモデルでは、赤、緑、青の 3 つの原色をさまざまな量で混合することで、特定の色を取得できます。異なる色の合計数は、原色あたりのレベル数と特定のハードウェア実装 ( 9 ビット RGB では512 の組み合わせ、12 ビット RGB では4,096 の組み合わせなど) によって異なりますが、このモデルでは、デジタル/アナログ コンバーター(DAC) で色を生成できるため、ハードウェア設計が簡素化されます。また、ソフトウェアでは、使用されるレベルあたりの数を抽象的に処理し、デバイスに依存しない方法で RGB カラーを管理できます。インデックス付きイメージ ファイルのパレット内に RGB 形式で格納された色を使用すると、ハードウェア実装で使用される色深度に関係なく、任意のイメージを (適切な変換によって) このようなシステムで表示できます。

現在、インデックス カラー画像を扱うディスプレイ ハードウェアと画像ファイル形式は、ほぼ例外なく RGB 形式で色を管理しており、事実上の標準エンコードはいわゆるトゥルーカラーまたは24 ビット RGBで、16,777,216 種類の色が可能です。ただし、インデックス カラー画像は、24 ビット RGB カラー エンコードに厳密に制限されているわけではなく、画像パレットはあらゆる種類のカラー エンコードを保持できます。たとえば、PDFファイル形式は、他の色空間、特にCMYKのインデックス カラーをサポートしており、Adobe Distiller は、画像内の色の合計数が 256 以下である場合は、デフォルトで画像をインデックス カラーに変換します。RGB を使用する場合、TIFFおよびPNGファイル形式では、オプションで RGB トリプレットを 16 ビット (コンポーネントあたり 65,536 レベル) の精度で保存でき、ピクセルあたり合計 48 ビットになります。 TIFF 標準の提案された拡張では、非 RGB カラー パレットが許可されていますが^{[6] 、技術的な理由によりソフトウェアでは実装されていません。BMP}ファイル形式のインデックス カラー モードのカラー マップ テーブルは、エントリを RGB 順ではなく BGR 順で格納し、(現在のバージョンでは)処理中に32 ビット ワード アラインメントに準拠するためのパディング用に未使用のバイトが追加されていますが、基本的には 24 ビット RGB カラー エンコーディングのままです。(BMP 形式の以前のバージョンでは、24 ビット カラー マップ テーブル エントリごとに 3 バイトが使用されていましたが、その形式のファイルの多くはまだ流通しているため、BMP ファイルを読み取る多くの最新のプログラムは両方のバリエーションをサポートしています。)

非常に低解像度のグラフィック モードを除き、初期の家庭用およびパーソナル コンピュータでは、「全ピクセル アドレス指定可能」設計、つまり単一のピクセルを利用可能な色のいずれかに独立して変更する機能が実装されることはほとんどありませんでした。これらのコンピュータの制限は、個別の色属性または色 RAM領域を採用することで、属性の衝突効果が発生することに起因していました。また、ビデオ メモリのピクセル ビットやスキャン ラインは、ビデオ ジェネレータ ハードウェアに都合のよい奇妙な方法で配置されるのが一般的でしたが (そのため、コスト競争の激しい市場ではハードウェア コストが節約されました)、グラフィックス プログラムを作成する人にとっては困難になることもありました。インデックスカラーの全ピクセルアドレス指定可能な画像内のピクセルのビットは、ビデオメモリや画像ファイル内で必ずしも連続しているわけではありません (つまり、チャンク構成が常に使用されるわけではありません)。IBM PC 互換機^[7]の拡張グラフィックスアダプタ(EGA) およびビデオグラフィックスアレイ(VGA)の 16 色グラフィックモード やAmigaビデオバッファ^[8]などの 一部のビデオハードウェアは、一連のビットプレーン(プレーナと呼ばれる構成) として配置され、単一ピクセルの関連ビットが複数の独立したビットマップに分割されます。したがって、ピクセルビットは概念的に 3D Z 軸に沿って配置されます (ここでの「深度」の概念は、ピクセル深度の概念とは異なります)。

PICなどの初期の画像ファイル形式では、特定のマシンのビデオ バッファーの メモリ ダンプのみが保存されていました。

グラフィックス インターチェンジ フォーマット(GIF)などの一部のインデックス カラー イメージ ファイル形式では、イメージのスキャン ラインをインターリーブ方式 (線形順序ではない) で配置できます。これにより、イメージのダウンロード中に低解像度バージョンのイメージを画面に表示できるため、コンピューター ユーザーはイメージ全体が届く前の数秒間にその内容を把握できます。次に、4 つの手順で典型的な垂直インターリーブ ダウンロードの例を示します。

ここでわかるように、画像は 4 つのライン グループに分割されています。グループ A には 4 ラインおき、グループ B にはグループ A の直後のライン、グループ C にはグループ B の直後のライン、グループ D にはグループ C のライン (すぐ上) とグループ A のライン (すぐ下) の間にある残りのラインが含まれます。これらは A、C、B、D の順序でファイルに保存されるため、ファイルが送信されると、2 番目に受信されるライン グループ (C) は最初のグループのラインの間に中央に配置され、2 つのライン グループのみで構成される、空間的に最も均一で認識しやすい画像が生成されます。同じ手法をより多くのグループ (たとえば 8 つ) に適用できます。その場合、各ステップで送信される次のグループには、まだ画像データで埋められていない残りのバンドの中心またはその近くにあるラインが含まれます。4 つまたは 8 つのライン グループを使用するこの方法は、1990 年代後半の初期の World Wide Web でよく使用されていました。上の図のように背景 (黒) を表示したままにするのではなく、各行を複製してその下のスペースを次の受信画像行まで埋めることで、部分的な画像を画面に表示することがよくありました。最終結果は、垂直解像度が低下した連続画像となり、画像データの後半部分が到着するにつれて、数秒かけてフル解像度まで増加しました。

インデックス カラーは、メモリ、ストレージ領域、および転送時間を大幅に節約します。トゥルーカラーを使用すると、各ピクセルに 24 ビット、つまり 3 バイトが必要です。一般的な 640​​×480 VGA解像度のトゥルーカラー非圧縮イメージには、640×480×3 = 921,600 バイト (900 KiB) が必要です。イメージの色を 256 色に制限すると、各ピクセルに必要なのは 8 ビット、つまり 1 バイトだけなので、サンプル イメージに必要なのは 640×480×1 = 307,200 バイト (300 KiB) だけで、これにパレット マップ自体を格納するための 256×3 = 768 バイト (RGB と仮定) が加わり、元のサイズの約 3 分の 1 になります。パレットが小さい (4 ビット 16 色、2 ビット 4 色) 場合は、ピクセルをさらに (6 分の 1 または 12 分の 1 に) 詰め込むことができますが、当然ながら色の精度は低下します。

インデックスカラーは、初期のパーソナルコンピュータやディスプレイアダプタのハードウェアで、コスト削減（主に当時高価だったRAM チップの数を減らすことによって）だけでなく、限られた電力のCPU （4 ～ 8 MHz程度）やファイルストレージ（カセットテープや低密度フロッピーディスク）で便利な画像管理のためにも広く使用されていました。1980 年代に疑似カラーパレットを広範に（または排他的に）使用していた著名なコンピュータグラフィックスシステムには、CGA、EGA、 VGA （IBM PC 互換機用）、Atari ST、AmigaのOCSおよびAGAなどがあります。

1990 年代初頭にCompuServeネット上で交換された画像ファイルは、GIF形式でカプセル化されていました。その後、HTML Web ページでは、限られた色の画像を迅速に交換し、限られたストレージ スペースに保存するために、 PNGなどの他のインデックス付きカラーをサポートするファイル形式とともに GIF が使用されるようになりました。

インデックス付きカラー画像をサポートするほとんどの画像ファイル形式は、通常、何らかの圧縮方式もサポートしており、画像をより小さなファイルに保存する機能を強化しています。

インデックス付きカラー画像のカラーパレットを変更することで、たとえばセピア調のカラー画像を作成するなど、興味深いカラー効果や芸術効果を簡単に実現できます。インデックス付きカラー画像の関連パレット要素は独立した性質を持っているため、擬似カラーパレットを使用してグレースケール画像を擬似カラー画像に再マッピングするのに最適です。

透明な色のテクニックにより、シンプルなビデオオーバーレイを簡単に実現できます。

インデックス付きカラー グラフィック モードでディスプレイ アダプタのカラー ハードウェア レジスタ (カラー ルックアップ テーブルまたは CLUT) を操作することにより、画像を再描画せずに、つまり CPU 時間コストを低く抑えて、フルスクリーンのカラー アニメーション効果を実現できます。レジスタ値を 1 回変更するだけで、画面全体に一度に反映されます。カラー マップ アニメーションは、カラー サイクリングとも呼ばれ、デモシーンで広く使用されています。Windows 95、98、ME、および 2000 Professional (すべての PC の最大公約数であるため、VGA 320x200x256 カラー表示モードを使用) の Microsoft Windows ブート ロゴ画面では、画面下部のスクロール グラデーション バーにこの手法が採用されています。画像は静的な画像であり、最初に表示された後はピクセルが書き換えられません。カスタムのブート画面画像では、循環する色をタップして画像の他の部分をアニメーション化できます。

インデックス カラーを使用する主な欠点は、画像ごとに同時に使用できる色のセットが限られていることです。4 色または 16 色の​​小さなパレットは、小さな画像 (アイコン) や非常に単純なグラフィックには適していますが、現実の画像を再現するにはほとんど役に立ちません。色の量子化、アンチエイリアシング、ディザリングなどのいくつかの手法を組み合わせると、許容できるレベルまで元の画像に匹敵するインデックス付きの 256 色の画像を作成できます。

インデックス付きカラー イメージは、独自のカラー パレットに大きく依存しています。よく知られている固定カラー パレット (カラー グラフィックス アダプタ(CGA) のパレットなど) を除き、生の画像データやカラー マップ テーブルは、何らかの中間マッピングを行わないと、異なるイメージ ファイル間で確実に交換できません。また、インデックス付きイメージの元のカラー パレットが失われると、復元がほぼ不可能になります。インデックス付きカラー イメージ (前のオウム) が不適切なカラー パレットに関連付けられた場合に何が起こるかの例を次に示します。

ディスプレイ アダプターのインデックス カラー グラフィック モードには、ハードウェアによって 16 色または 256 色の制限があります。 豊富だが互換性のないパレットを持つインデックス カラー イメージは、スライドショーのように、一度に 1 つしか正確に表示できません。サムネイルのモザイクのように、複数のイメージを一緒に表示する必要がある場合は、共通パレットまたはマスター パレットが使用されることが多く、これにより、できるだけ多くの異なる色相が 1 つのセットに取り込まれ、全体的な正確な色の可用性が制限されます。

次の画像は、 6-8-5 レベルのRGB と 16 の追加グレーの単一の共有マスター パレットを使用してレンダリングされた、4 つの異なるインデックス カラー画像のモザイクです。各画像に使用されている色の範囲が限られていること、および使用されていないパレット エントリの数に注意してください。

多くのインデックス カラー ディスプレイ デバイスは、完全な RGB パレットの 24 ビット制限に達しません。たとえば、IBM PC 互換機の VGA は、16および 256 インデックス カラー グラフィック モードの両方で、262,144 の異なる色を持つ18 ビット RGBパレットのみを提供します。

一部の画像編集ソフトウェアでは、インデックス付きカラー画像ファイルのパレットにガンマ補正を適用できます。一般に、ガンマ補正をカラーマップに直接適用することは、元の RGB カラー値が失われるため、推奨されません。ディスプレイ ハードウェアを使用してガンマ補正を適用するか (最新のディスプレイ アダプタのほとんどはこの機能をサポートしています)、レンダリング ソフトウェアのアクティブな中間ステップとしてカラー管理を使用してガンマ補正を適用する方が適切です。これにより、元のカラー値が保持されます。インデックス付きカラー画像が、いかなる種類のカラー キャリブレーションも備えていないシステム向けであり、クロスプラットフォーム用ではない場合にのみ、カラー テーブル自体にガンマ補正を適用できます。

これらは、インデックス カラー モードをサポートする最も代表的な画像ファイル形式の一部です。これらの一部は他のモード (例: TrueColor) をサポートしていますが、ここではインデックス カラー モードのみをリストします。

注: ほとんどの形式では、特定のビット深度で提供できる最大色数よりも少ない色のカラー テーブルもサポートされます。

* 64 色 (EHB ではなく)、128 色、および 256 色モードは、AGA Amiga チップセットでのみ使用できます。

** 独自の圧縮方式をネイティブでサポートします。

*** オプションの独自の Delta-leaps を備えた RLE。

• 色深度
• パレットのリスト
• ビデオハードウェア別家庭用コンピュータのリスト

• Julio Sanchez および Maria P. Canton (2003)。 『 PCグラフィックス ハンドブック』。CRC Press。ISBN 0-8493-1678-2。 

• インデックスカラー画像の紹介