ピクセル

デジタル画像処理において、ピクセル（略称：px）、ペル^（[1]）、または画素（ピクチャーエレメント^[2]）は、ラスター画像内のアドレス指定可能な最小の要素、またはドットマトリックス 表示装置内のアドレス指定可能な最小の要素である。ほとんどのデジタル表示装置において、ピクセルはソフトウェアで操作できる最小の要素である。

各ピクセルは元の画像のサンプルです。通常、サンプルの数が多いほど元の画像のより正確な表現が得られます。各ピクセルの強度は可変です。カラー画像システムでは、色は通常、赤、緑、青、またはシアン、マゼンタ、黄、黒などの 3 つまたは 4 つの成分強度で表されます。

いくつかの文脈（カメラセンサーの説明など）では、ピクセルは、複数のコンポーネント表現の単一のスカラー要素（カメラセンサーのコンテキストではフォトサイトと呼ばれますが、センサー 「センサー要素」が使用されることもあります）を指します^[3]。一方、他の文脈（MRIなど）では、空間位置のコンポーネント強度のセットを指す場合があります。

初期の消費者向けコンピューターのソフトウェアは必然的に低解像度でレンダリングされ、大きなピクセルが肉眼で見える状態でした。このような制限下で作成されたグラフィックは、特にビデオ ゲームに関連して、ピクセル アートと呼ばれることがあります。しかし、現代のコンピューターとディスプレイは、以前よりも桁違いに多くのピクセルを簡単にレンダリングできるため、メガピクセル (100 万ピクセル) などの大きな単位を使用する必要があります。

ピクセルという言葉は、 pix（「pictures」から来ていて、短縮形は「pics」）とel（「element」の略）を組み合わせたものです。「 el」を使った類似語には、 voxel ^[4] 「ボリュームピクセル」やtexel 「テクスチャピクセル」などがあります。^[4] pix という言葉は、1932年にバラエティ誌の見出しに、映画に関するpicturesの略語として登場しました。 ^[5] 1938年までに、「pix」はフォトジャーナリストによって静止画を指すのに使われるようになりました。^[6]

「ピクセル」という言葉は、1965年にJPLのフレデリック・C・ビリングスリーが初めて発表したもので、宇宙探査機から月や火星までスキャンされた画像の画素を表すために使われた。 ^{[7]ビリングスリーは、}パロアルトのゼネラルプレシジョンのリンク部門のキース・E・マクファーランドからこの言葉を聞いたが、マクファーランドは、この言葉の起源は知らないと言った。マクファーランドは、単に「当時使われていた」（ 1963年頃）とだけ言った。^[6]

「画素」という概念はテレビの黎明期にまで遡り、例えばポール・ニプコウの1888年のドイツ特許では「 Bildpunkt」（ドイツ語でピクセル、文字通り「画像点」）として使われていた。さまざまな語源によると、画素という用語自体が初めて出版されたのは1927年のWireless World誌であったが^[8]、1911年にはすでにさまざまな米国特許で使用されていた。^[9]

1972年にはすでに、ピクセルを画像セルと説明している著者もいる。 ^[10]グラフィックスや画像・ビデオ処理では、ピクセルの代わりにペルがよく使われる。^{[11]たとえば、IBMは}オリジナルのPCのテクニカルリファレンスでこれを使用。

ピクシレーション（ 2番目のiで綴られる）は、映画の始まりにまで遡る無関係の映画製作技術であり、俳優に1フレームごとにポーズをとってもらい、写真を撮ってストップモーションアニメーションを作成する。「精霊（ピクシー）に憑依する」という意味の古風なイギリスの言葉であるこの用語は、1950年代初頭からアニメーションのプロセスを説明するために使用されており、ノーマン・マクラーレンやグラント・マンローを含むさまざまなアニメーターがこれを普及させたとされている。^[12]

ピクセルは、一般的にデジタル画像の最小の単一コンポーネントと考えられています。ただし、その定義は状況によって大きく異なります。たとえば、ページには「印刷されたピクセル」、電子信号によって運ばれるピクセル、デジタル値によって表されるピクセル、ディスプレイ デバイス上のピクセル、デジタル カメラ(光センサー要素) 内のピクセルなどがあります。このリストは網羅的ではなく、状況に応じて、同義語としてペル、サンプル、バイト、ビット、ドット、スポットなどがあります。ピクセルは、2400 ピクセル/インチ、640 ピクセル/ライン、10 ピクセル間隔などの測定単位として使用できます。

「 1インチあたりのドット数」（dpi）と「1インチあたりのピクセル数」（ppi）という単位は互換的に使用されることもありますが、特にプリンタデバイスでは異なる意味を持ちます。プリンタデバイスの場合、dpiはプリンタのドット（インク滴など）配置の密度の尺度です。^[13] たとえば、高品質の写真画像は、1200 dpiのインクジェットプリンタで600 ppiで印刷できます。^{[14] 2002年以来プリンタメーカーが引用している4800 dpiなどのさらに高いdpi数値は、達成可能な}解像度 の点ではあまり意味がありません。^[15]

画像を表現するのに使用されるピクセル数が多いほど、元の画像に近くなります。画像のピクセル数は解像度と呼ばれることもありますが、解像度にはより具体的な定義があります。ピクセル数は、公称 300 万ピクセルの「3 メガピクセル」デジタル カメラのように 1 つの数字で表すことも、「640 x 480 ディスプレイ」のように 2 つの数字で表すこともできます。「640 x 480 ディスプレイ」は、横方向に 640 ピクセル、上から下に 480 ピクセル ( VGAディスプレイの場合) あり、合計で 640 x 480 = 307,200 ピクセル、つまり 0.3 メガピクセルになります。

デジタル化された画像 (Web ページで使用されるJPEGファイルなど) を形成するピクセル、つまりカラー サンプルは、コンピューターが画像を表示する方法に応じて、画面のピクセルと 1 対 1 で対応している場合とそうでない場合があります。コンピューターでは、ピクセルで構成された画像は、ビットマップ画像またはラスター画像と呼ばれます。ラスターという言葉は、テレビのスキャンパターンに由来し、同様のハーフトーン印刷および保存技術を 説明するために広く使用されています。

便宜上、ピクセルは通常、規則的な 2 次元グリッドに配置されます。この配置を使用すると、同じ操作を各ピクセルに個別に均一に適用することで、多くの一般的な操作を実装できます。他のピクセル配置も可能で、一部のサンプリング パターンでは、画像全体の各ピクセルの形状 (またはカーネル) が変更されることもあります。このため、あるデバイスで画像を取得して別のデバイスで表示するときや、画像データを 1 つのピクセル形式から別のピクセル形式に変換するときは注意が必要です。

例えば：

• LCD 画面では通常、赤、緑、青のコンポーネントがわずかに異なる場所でサンプリングされる、ずらしたグリッドが使用されます。 サブピクセル レンダリングは、これらの違いを利用して LCD 画面上のテキストのレンダリングを改善するテクノロジです。
• カラー デジタル カメラの大部分はベイヤー フィルターを使用しており、ピクセルの規則的なグリッドが形成され、各ピクセルの色はグリッド上の位置によって決まります。
• クリップマップは階層的なサンプリング パターンを使用します。各ピクセルのサポートのサイズは、階層内の位置によって異なります。
• 歪んだグリッドは、宇宙から見た地球の画像など、基礎となる形状が非平面である場合に使用されます。^[16]
• 非均一グリッドの使用は、従来のナイキスト限界を回避しようとする活発な研究分野である。^[17]
• コンピュータ モニタ上のピクセルは通常「正方形」です (つまり、水平と垂直のサンプリング ピッチが等しい)。他のシステムのピクセルは多くの場合「長方形」です (つまり、水平と垂直のサンプリング ピッチが等しくない、つまり長方形です)。これは、Rec. 601デジタル ビデオ規格のアナモルフィック ワイドスクリーン形式など、さまざまなアスペクト比を持つデジタル ビデオ形式と同じです。

コンピューターのモニター (およびテレビ セット) には、通常、固定のネイティブ解像度があります。これはモニターとサイズによって異なります。過去の例外については以下を参照してください。

コンピュータはピクセルを使用して画像を表示できます。多くの場合、これはGUI を表す抽象的な画像です。この画像の解像度はディスプレイ解像度と呼ばれ、コンピュータのビデオ カードによって決まります。フラット パネル モニタ(およびテレビ セット)、たとえばOLEDモニタやLCDモニタ、E-inkもピクセルを使用して画像を表示し、ネイティブ解像度を持ち、(理想的には) ビデオ カードの解像度と一致している必要があります。各ピクセルは3 組で構成され、これらの 3 組の数によってネイティブ解像度が決まります。

歴史的に利用できた古いCRTモニターでは、解像度を調整できる可能性がありましたが (それでも現代のモニターの解像度よりは低い)、一部のモニター (またはテレビ セット) ではビーム スイープ レートが固定されていたため、ネイティブ解像度が固定されていました。ほとんどの CRT モニターではビーム スイープ レートが固定されておらず、ネイティブ解像度がまったくありません。代わりに、同様にサポートされている一連の解像度があります。フラット パネル (OLED や LCD など) で可能な限り鮮明な画像を生成するには、コンピューターの表示解像度がモニターのネイティブ解像度と一致していることを確認する必要があります。

天文学で使用されるピクセル スケールは、検出器 (CCD または赤外線チップ) 上で 1 ピクセル離れた天空の 2 つの物体間の角度距離です。ラジアンで測定されるスケールsは、先行する光学系のピクセル間隔pと焦点距離fの比率で、s = p / fです (焦点距離は、焦点比と関連するレンズまたはミラーの直径の積です)。

sは通常ピクセルあたりの秒角単位で表され、1 ラジアンは (180/π) × 3600 ≈ 206,265 秒角に等しく、焦点距離はミリメートルで表され、ピクセル サイズはマイクロメートルで表され、マイクロメートルはさらに 1,000 倍されるため、式はs = 206 p / fと引用されることが多いです。

ピクセルで表現できる異なる色の数は、ピクセルあたりのビット数 (bpp) によって異なります。1 bpp の画像では、各ピクセルに 1 ビットが使用されるため、各ピクセルはオンまたはオフになります。ビットが増えるごとに使用できる色の数が倍増するため、2 bpp の画像では 4 色、3 bpp の画像では 8 色になります。

• 1 bpp、2 ¹ = 2色（モノクロ）
• 2 bpp、2 ² = 4色
• 3 bpp、2 ³ = 8色
• 4 bpp、2 ⁴ = 16色
• 8 bpp、2 ⁸ = 256色
• 16 bpp、2 ¹⁶ = 65,536 色 (" Highcolor " )
• 24 bpp、2 ²⁴ = 16,777,216 色 (" Truecolor ")

ピクセルあたり 15 ビット以上の色深度の場合、深度は通常、赤、緑、青の各コンポーネントに割り当てられたビットの合計です。通常 16 bpp を意味するHighcolor は、通常、赤と青にそれぞれ 5 ビット、緑に 6 ビットあります。これは、人間の目は他の 2 つの原色よりも緑のエラーに敏感だからです。透明度を必要とするアプリケーションの場合、16 ビットは赤、緑、青にそれぞれ 5 ビットずつに分割され、透明度に 1 ビットが残ります。24 ビット深度では、コンポーネントあたり 8 ビットを使用できます。一部のシステムでは、32 ビット深度を使用できます。つまり、24 ビットの各ピクセルには、不透明度を表すために 8 ビットが追加されます(別の画像と組み合わせるため)。

多くのディスプレイや画像取得システムは、異なるカラー チャネルを同じ場所で表示または感知することができません。そのため、ピクセル グリッドは単色領域に分割され、離れた場所から見たときに表示または感知される色に影響します。LCD、LED、プラズマ ディスプレイなどの一部のディスプレイでは、これらの単色領域は個別にアドレス指定可能な要素であり、サブピクセル(主にRGBカラー) と呼ばれています。^[18]たとえば、LCD では通常、各ピクセルを垂直に 3 つのサブピクセルに分割します。正方形のピクセルが 3 つのサブピクセルに分割される場合、各サブピクセルは必然的に長方形になります。ディスプレイ業界の用語では、サブピクセルはハードウェアの観点から基本的なアドレス指定可能な要素であるため、ピクセルと呼ばれることが多く、サブピクセル回路ではなくピクセル回路が使用されます。

ほとんどのデジタル カメラの画像センサーは、ベイヤー フィルターパターンを使用するなど、単色のセンサー領域を使用しており、カメラ業界では、これらはサブピクセルではなく、ディスプレイ業界と同様にピクセルと呼ばれています。

サブピクセルを備えたシステムの場合、2 つの異なるアプローチを取ることができます。

• サブピクセルは無視され、フルカラーピクセルは最小のアドレス指定可能なイメージング要素として扱われる。
• サブピクセルはレンダリング計算に含めることができ、より多くの分析と処理時間が必要になりますが、場合によっては明らかに優れた画像を生成できます。

後者のアプローチはサブピクセル レンダリングと呼ばれ、ピクセル ジオメトリの知識を使用して3 つの色付きサブピクセルを個別に操作し、カラー ディスプレイの見かけの解像度を高めます。CRT ディスプレイは、シャドウ マスクと呼ばれるメッシュ グリッドによって決まる赤、緑、青のマスクされた蛍光体領域を使用しますが、表示されるピクセル ラスターと位置合わせするには困難な調整手順が必要になるため、CRT ではサブピクセル レンダリングは使用されません。

サブピクセルの概念はサンプルに関連しています。

グラフィック、ウェブデザイン、ユーザーインターフェースでは、異なるピクセル密度に対応するために、「ピクセル」は画面上の実際のピクセルではなく固定長を指すことがあります。CSSなどの一般的な定義では、「物理的な」ピクセルは1 ⁄ 96インチ（0.26 mm）です。これにより、特定の要素がどの画面解像度で表示されても同じサイズで表示されます。^[19]

ただし、「物理」ピクセルと画面上の論理ピクセルの間には、さらに調整が必要になる場合があります。画面はさまざまな距離で表示されるため (電話、コンピューターのディスプレイ、テレビなど)、望ましい長さ (「基準ピクセル」) は、基準表示距離 (CSS では 28 インチ (71 cm)) に応じてスケーリングされます。さらに、実際の画面ピクセル密度が 96 dpi の倍数になることはめったにないため、論理ピクセルが実際のピクセルの整数になるように、丸めが適用されることがよくあります。これにより、レンダリング アーティファクトを回避できます。これらの 2 つの手順の後に取得される最終的な「ピクセル」は、他のすべての絶対測定 (たとえば、「センチメートル」) の基準となる「アンカー」になります。^[20]

視聴者から 56 インチ (140 cm) 離れた場所に 30 インチ (76 cm) の 2160p テレビを設置した実例:

• スケーリングされたピクセル サイズを1 ⁄ 96インチ × (56/28) = 1 ⁄ 48インチ (0.53 mm)として計算します。
• テレビのDPIを2160 / (30 in / √ 9^2 + 16^2 × 16) ≈ 82.61 dpiと計算します。
• 論理ピクセルあたりの実ピクセル数を1 ⁄ 48インチ × 82.61 dpi ≈ 1.721 ピクセルとして計算します。

ブラウザは、1.721 倍のピクセル サイズを使用するか、2 倍の比率に丸めるかを選択します。

メガピクセル( MP ) は百万ピクセルです。この用語は、画像内のピクセル数だけでなく、デジタルカメラの画像センサー要素の数やデジタルディスプレイの表示要素の数を表すためにも使用されます。たとえば、2048 × 1536 ピクセルの画像 (完成した画像ピクセルは 3,145,728 個) を作成するカメラは、通常、センサー要素の行と列をいくつか追加して使用し、報告された数値が「有効」ピクセル数か「合計」ピクセル数かに応じて、「3.2 メガピクセル」または「3.4 メガピクセル」であると言われることがよくあります。^[21]

ピクセル数は、写真の「解像度」と呼ばれることもあります。この解像度の測定値は、センサーの幅と高さをピクセル単位で掛け合わせることで計算できます。

デジタル カメラは、電荷結合素子(CCD) または相補型金属酸化膜半導体(CMOS) イメージ センサーのいずれかの感光性電子部品を使用します。これらは多数の単一センサー要素で構成され、各要素は測定された強度レベルを記録します。ほとんどのデジタル カメラでは、センサー アレイは、ベイヤー フィルター配列の赤、緑、青の領域を持つパターン化されたカラー フィルター モザイクで覆われているため、各センサー要素は光の 1 つの原色の強度を記録できます。カメラは、デモザイクと呼ばれるプロセスを通じて、隣接するセンサー要素の色情報を補間して、最終画像を作成します。これらのセンサー要素は、最終的なカラー画像の 1 つのチャネル (赤、緑、青のいずれか) のみを記録するにもかかわらず、多くの場合「ピクセル」と呼ばれます。したがって、各センサーの 3 つのカラー チャネルのうち 2 つを補間する必要があり、N メガピクセルの画像を生成するいわゆるN メガピクセルカメラは、同じサイズの画像がスキャナーから取得できる情報の 3 分の 1 しか提供しません。したがって、原色の割り当てに応じて、特定の色のコントラストが他の色よりもぼやけて見える場合があります (ベイヤー配列では、緑には赤や青の 2 倍の要素があります)。

DxO Labsは、カメラを特定のレンズと組み合わせたときにカメラが生成するシャープネスを測定するために知覚メガピクセル（P-MPix）を発明しました。これは、カメラのセンサーのみに基づいたカメラ製品に対してメーカーが示すMPとは対照的です。新しいP-MPixは、写真家がカメラのシャープネスを評価する際に考慮すべき、より正確で適切な値であると主張しています。[ ^22] 2013年半ばの時点で、ニコンD800に取り付けられたシグマ35mm f / 1.4 DG HSMレンズが、最高のP-MPixを測定しました。しかし、23 MPという値は、D800の36.3 MPセンサーの3分の1以上を覆い隠します^{[説明が必要] 。 [23] 2019年8月、Xiaomiは世界初の64 MPカメラを搭載した}スマートフォンとしてRedmi Note 8 Proをリリースしました。^[24] 2019年12月12日、サムスンは64MPカメラを搭載したSamsung A71をリリースしました。^{[25] 2019年後半、Xiaomiは108MP 1/1.33インチセンサーを搭載した初のカメラ付き携帯電話を発表しました。このセンサーは、1/2.3インチセンサーを搭載したほとんどの}ブリッジカメラよりも大きいです。^[26]

マイクロフォーサーズシステムカメラでは、メガピクセルを追加する新しい方法が導入されました。このカメラは16MPセンサーのみを使用しますが、2回の露出でセンサーを半ピクセルずつシフトすることで、64MP RAW（40MP JPEG）画像を生成できます。三脚を使用してインスタンス内で水平マルチショットを撮影すると、複数の16MP画像が統合された64MP画像に生成されます。^[27]

• ピクセルは小さな四角形ではありません: コンピュータ グラフィックスの先駆者 Alvy Ray Smith による Microsoft メモ。
• 「ピクセルと私」、2016 年リチャード F. ライオンによるコンピュータ歴史博物館での講演
• 正方形ピクセルと非正方形ピクセル: 最新のビデオ規格 (480i、576i、1080i、720p) のピクセル アスペクト比に関する技術情報とソフトウェアへの影響。