ピクセル

デジタル画像処理において、ピクセル（略称px）、pel [ ^{1 ] 、}または画素^{[ 2 ]}は、ラスター画像の最小アドレス指定可能な物理要素、またはディスプレイ装置やドットマトリクスプリンタの最小制御可能な要素です。ほとんどのデジタルディスプレイ装置では、ピクセルはソフトウェアで操作できる最小要素です。

画像要素という概念はテレビの黎明期から存在しており、1888年のドイツ特許には「Bildpunkt」として登場し、「ピクセル」という用語は1911年以降、様々な米国特許で使用されている。

ピクセルは規則的な二次元グリッド状に配置され、各ピクセルは元の画像のサンプルとして機能します。サンプル数が多いほど、元の画像をより正確に表現できます。各ピクセルの強度は可変です。カラーイメージングシステムでは、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つの成分の強度で表現され、これらの成分を組み合わせて幅広い色スペクトルを生成します。

カメラセンサーの説明など一部の文脈では、ピクセルは多成分表現の単一のスカラー要素（カメラセンサーの文脈ではフォトサイトと呼ばれるが、センセル「センサー要素」が使用されることもある）^{[ 3 ]}を指す一方、MRIなどの他の文脈では、空間位置の成分強度のセットを指す場合がある。

初期の家庭用コンピュータのソフトウェアは、必然的に低解像度でレンダリングされ、肉眼で大きなピクセルが見える状態でした。このような制約の下で作成されたグラフィックは、特にビデオゲームに関して言えば、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とディスプレイは、以前よりもはるかに多くのピクセルを容易にレンダリングできるため、メガピクセル（100万ピクセル）のような大きな単位を使用する必要が生じています。

ピクセルという単語は、 pix（「pictures」から略され、「pics」になったもの）とel（「element」の略）を組み合わせたものです。el' には、 voxel ^{[ 4 ]}「ボリューム ピクセル」、およびtexel「テクスチャ ピクセル」という単語が含まれます。^{[ 4 ]} pix という単語は、1932 年にVariety誌の見出しに、映画を指す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言葉として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・ビリングスリーによって初めて発表され、月や火星への宇宙探査機からスキャンされた画像の画素を説明するために使用されました。 ^{[ 7 ]}ビリングスリーはこの言葉をパロアルトのジェネラル・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教わりましたが、マクファーランド自身は、その言葉の起源を知らないと述べています。マクファーランドは単に「当時（ 1963年頃）使われていた」と述べています。^{[ 6 ]}

「画素」の概念は、テレビの黎明期にまで遡り、例えば、1888年のポール・ニプコウのドイツ特許では「 Bildpunkt 」（ピクセルを意味するドイツ語で、文字通り「画像点」）として用いられている。様々な語源説によれば、画素という用語自体が最初に公表されたのは1927年のWireless World誌である^{[ 8 ]}が、それ以前にも1911年に出願された様々な米国特許で使用されていた^{[ 9 ]。}

一部の著者は、 1972年という早い時期からピクセルをピクチャセルと説明しています。 ^{[ 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pelがよく使われます。^{[ 11 ]}例えば、IBMは初代PCのテクニカルリファレンスでそれを使用しました。

ピクセレーション（スペルはiが 2 つある）は、映画の黎明期に遡る、映画とは無関係の映画製作技術で、生身の俳優をフレームごとにポーズさせて撮影し、ストップモーションアニメーションを作成するものです。この用語は「精霊（ピクシー）による憑依」を意味する古風なイギリス語で、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きました。ノーマン・マクラーレンやグラント・マンローなど、さまざまなアニメーターがこの技術を普及させたとされています。^{[ 12 ]}

ピクセルは一般的に、デジタル画像の最小単位と考えられています。しかし、その定義は文脈によって大きく異なります。例えば、ページに印刷されたピクセル、電子信号で伝送されるピクセル、デジタル値で表されるピクセル、ディスプレイデバイス上のピクセル、デジタルカメラのピクセル（フォトセンサー素子）などがあります。このリストは網羅的なものではなく、文脈によっては、ピクセル、サンプル、バイト、ビット、ドット、スポットといっ​​た同義語も存在します。ピクセルは、 1インチあたり2400ピクセル、1ラインあたり640ピクセル、10ピクセル間隔といった測定単位としても使用できます。

「ドット/インチ」（dpi）と「ピクセル/インチ」（ppi）という単位は、時として同じ意味で使われることがありますが、特にプリンター機器においては、dpiはプリンターのドット（インク滴など）の配置密度を表す単位であり、それぞれ異なる意味を持ちます。^{[ 13 ]} 例えば、1200 dpiのインクジェットプリンターでは、600 ppiで高品質の写真画像を印刷することができます。^{[ 14 ]} 2002年以降プリンターメーカーが謳っている4800 dpiのようなさらに高いdpi値も、達成可能な解像度 という点ではあまり意味を持ちません。^{[ 15 ]}

画像を表現するために使用されるピクセル数が多いほど、結果は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、「3メガピクセル」デジタルカメラのように、名目上300万ピクセルを持つ単一の数値で表すことも、「640×480ディスプレイ」のように、左右に640ピクセル、上下に480ピクセル（VGAディスプレイと同様）を持つため、合計で640×480＝307,200ピクセル、つまり0.3メガピクセルとなる2つの数値で表すこともできます。

デジタル化された画像（ウェブページで使用されるJPEGファイルなど）を構成するピクセル、つまり色のサンプルは、コンピュータが画像を表示する方法によって、画面上のピクセルと1対1で対応している場合もあれば、そうでない場合もあります。コンピュータの世界では、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や保存技術を説明する際に広く用いられてきました。

サンプリングパターン

便宜上、ピクセルは通常、規則的な2次元グリッド状に配置されます。この配置を用いることで、多くの一般的な操作を、各ピクセルに同じ操作を個別に均一に適用することで実現できます。ピクセルの配置には他にも様々な方法があり、サンプリングパターンによっては、画像全体にわたって各ピクセルの形状（またはカーネル）が変化するものもあります。そのため、あるデバイスで画像を取得して別のデバイスに表示する場合や、画像データをあるピクセル形式から別のピクセル形式に変換する場合には、注意が必要です。

例えば：

• 液晶ディスプレイ（LCD）は通常、赤、緑、青の各成分がわずかに異なる位置でサンプリングされる千鳥格子構造を採用しています。 サブピクセルレンダリングは、この違いを利用してLCD画面上のテキスト表示を改善する技術です。
• 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、規則的なピクセル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、各ピクセルのサポートサイズは階層内での位置によって決まります。
• 歪んだグリッドは、宇宙から見た地球の画像のように、基となる形状が非平面である場合に使用されます。^{[ 16 ]}
• 不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 ]}
• コンピューターモニターのピクセルは通常「正方形」（つまり、水平方向と垂直方向のサンプリングピッチが等しい）ですが、他のシステムのピクセルは多くの場合「長方形」（つまり、水平方向と垂直方向のサンプリングピッチが等しくない、長方形の形状）であり、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フォーマットなど、さまざまなアスペクト比を持つデジタルビデオフォーマットも同様です。

サブピクセル

多くのディスプレイおよび画像取得システムは、同じ場所で異なるカラーチャンネルを表示または検出することができません。そのため、ピクセルグリッドは、遠くから見たときに表示または検出される色に寄与する単色領域に分割されます。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、サブピクセルとして知られるようになり、主にRGBカラーです。^{[ 19 ]}たとえば、LCDは通常、各ピクセルを垂直方向に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と、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、そのため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イメージセンサーは、例えばベイヤーフィルターパターンを使用するなど、単色センサー領域を使用しており、カメラ業界では、ディスプレイ業界と同様に、これらはサブピクセルではなくピクセルとして知られています。

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が考えられます。

• サブピクセルは無視でき、フルカラーピクセルが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。
• サブピクセルをレンダリング計算に含めることも可能であり、そのためにはより多くの解析と処理時間が必要となるが、場合によっては明らかに優れた画像が得られる可能性がある。

後者の手法はサブピクセルレンダリングと呼ばれ、ピクセル形状に関する知識を用いて3色のサブピクセルを個別に操作することで、カラーディスプレイの見かけ上の解像度を向上させます。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規定された赤・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に合わせるには複雑なキャリブレーション手順が必要となるため、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。

メガピクセル（MP）は100万ピクセルです。この用語は、画像のピクセル数だけでなく、デジタルカメラのイメージセンサー素子の数やデジタルディスプレイの表示素子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（3,145,728ピクセル）を作成するカメラは、通常、センサー素子の行と列が数行多く、報告されている数値が「有効」ピクセル数か「合計」ピクセル数かによって、「3.2メガピクセル」または「3.4メガピクセル」と表現されるのが一般的です。^{[ 21 ]}

画素数は、写真の「解像度」として用いられることがあります。この解像度は、センサーの幅と高さを画素数で掛け合わせることで算出できます。

デジタルカメラは、多数の単一センサー素子から構成される感光性電子素子、すなわち電荷結合素子（CCD）または相補型金属酸化膜半導体（CMOS）イメージセンサーを使用します。各センサー素子は、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置の赤、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おり、各センサー素子が単一の原色の光の強度を記録できるようになっています。カメラは、デモザイキングと呼ばれるプロセスによって、隣接するセンサー素子の色情報を補間して最終画像を作成します。これらのセンサー素子は、最終的なカラー画像の1つのチャンネル（赤、緑、または青のみ）しか記録しないにもかかわらず、「ピクセル」と呼ばれることがよくあります。したがって、各センサーの3つのカラーチャンネルのうち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得られる情報の3分の1しか提供しません。したがって、原色の配置によっては、特定の色のコントラストが他のコントラスト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、緑は赤や青の2倍の要素を持っています）。

DxO Labs は、カメラのセンサーのみに基づいてメーカーが公表する MP とは異なり、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。P-MPix は、写真家がカメラのシャープネスを比較検討する際に考慮すべき、より正確で関連性の高い値であると主張しています。 ^{[ 22 ]} 2013 年半ばの時点で、Nikon D800に装着されたSigma 35 mm f/1.4 DG HSM レンズは、測定された P-MPix が最も高くなっています。しかし、23 MP という値でも、D800 の 36.3 MP センサーの 3 分の 1 以上を消去しています。 ^{[ 23 ]} 2019 年 8 月、Xiaomi は、64 MP カメラを搭載した世界初のスマートフォンとして Redmi Note 8 Pro を発売しました。^{[ 24 ]} 2019年12月12日、サムスンは64MPカメラを搭載したSamsung A71を発売した。^{[ 25 ]} 2019年後半、シャオミは108MP 1/1.33インチのセンサーを搭載した初のカメラ付きスマートフォンを発表した。このセンサーは、1/2.3インチの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。^{[ 26 ]}

• ピクセルは小さな四角形ではない：コンピュータグラフィックスのパイオニア、アルヴィ・レイ・スミスによるマイクロソフトのメモ。
• リチャード・F・ライオンによる2005年3月23日の講演「ピクセルと私」 、コンピュータ歴史博物館にて
• 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について。