サブピクセルレンダリング

サブピクセル レンダリングは、カラーディスプレイ デバイスの有効解像度を高めるために使用される方法です。これは、ディスプレイ マトリックス上で隣接した、個別にアドレス指定可能な赤、緑、青のコンポーネント(サブピクセルと呼ばれる) の各ピクセルの構成を利用し、ピクセルの代わりにレンダリング ユニットとして使用します。

サブピクセル レンダリングは、主に標準 DPIディスプレイでのテキスト レンダリングに使用されます。

固有の色の異常にもかかわらず、一般的なグラフィックスをレンダリングするためにも使用できます。

現在使用されているサブピクセルレンダリングの起源については議論が続いています。Apple社、IBM社、Microsoft社は、それぞれの技術の目的が異なるため、特定の技術的な違いを伴うさまざまな実装の特許を取得しました。^[1]

マイクロソフトは、RGB ストライプ レイアウトでのテキスト レンダリングのためのサブピクセル レンダリング テクノロジに関する特許を米国でいくつか取得していました。特許 6,219,025、6,239,783、6,307,566、6,225,973、6,243,070、6,393,145、6,421,054、6,282,327、6,624,828 は、1998 年 10 月 7 日から 1999 年 10 月 7 日の間に申請され、2019 年 7 月 30 日に失効しました。 ^{[2] FreeType [3]}による特許の分析によると、サブピクセル レンダリングのアイデアは特許でカバーされておらず、色のバランスをとる最後のステップとして使用される実際のフィルターによってカバーされています。マイクロソフトの特許では、各サブピクセル値を R、G、B ピクセルに均等に分配する、可能な限り最小のフィルターについて説明されています。その他のフィルターを使用すると、ぼやけたり、色のアーティファクトが発生したりします。

Appleは特許クロスライセンス契約によりMac OS Xでこれを使用することができた。^[4]

カラー ディスプレイ上の 1 つのピクセルは、複数のサブピクセルで構成されており、通常は左から右に 3 つ、赤、緑、青 (RGB) として配置されています。これらのコンポーネントは、ルーペなどの小さな虫眼鏡で見ると簡単に見ることができます。これらのピクセル コンポーネントは、光学系によるぼかしと目の神経細胞による空間統合により、人間の目には単一の色として表示されます。ただし、目は位置に対してはるかに敏感です。^{[説明が必要]}そのため、1 つのピクセルの G と B をオンにし、右隣のピクセルの R をオンにすると白い点が生成されますが、その白い点の右側のピクセルの 1/3 のように見えます。これは、最初のピクセルの RGB のみから見える白い点の右側のピクセルになります。サブピクセル レンダリングでは、これを利用してレンダリングされた画像の水平解像度を 3 倍にしますが、サブピクセル レンダリングが行われていない場合と同じ量の赤、緑、青がオンになるようにすることで、正しい色を生成するためにこの画像をぼかす必要があります。

サブピクセルレンダリングではアンチエイリアシングを使用する必要はなく、アンチエイリアシングの使用の有無にかかわらず、解像度を人工的に高めるため、より滑らかな結果が得られます^[5]。ただし、サブピクセルは色付きなので、カラーエイリアシングが発生します。カラーアーティファクトを除去するために適用される後続のフィルタリングはアンチエイリアシングの一種ですが、その目的は従来のアンチエイリアシングのようにギザギザの形状を滑らかにすることではありません。

サブピクセル レンダリングでは、ソフトウェアがサブピクセルのレイアウトを認識する必要があります。これが間違っている最も一般的な理由は、90 度 (または 180 度) 回転できるモニターですが、モニターは BGR や三角形、または RGBW 正方形のような 4 色など、サブピクセルの他の配置で製造されています。このようなディスプレイでは、サブピクセル レンダリングが間違っていると、サブピクセル レンダリングをまったく行わなかった場合よりも結果が悪くなります (色のアーティファクトは生成されませんが、エッジにノイズが発生します)。

スティーブ・ギブソンは、1977 年に発表されたApple II が高解像度 (280×192) グラフィック モードで初期のサブピクセル レンダリングをサポートしていると主張しています。 ^[6]ウォズニアックの特許では、2 つの「サブピクセル」のみが使用されていました。^[7] Apple II の高解像度スクリーン バッファを構成するバイトには、7 つの可視ビット (それぞれがピクセルに直接対応) と、紫/緑または青/オレンジのカラー セットを選択するために使用されるフラグ ビットが含まれています。各ピクセルは 1 つのビットで表されているため、オンまたはオフのいずれかです。ピクセル自体には、色や明るさを指定するビットはありません。代わりに、色はNTSCカラー エンコード方式のアーティファクトとして作成され、水平位置によって決定されます。水平座標が偶数のピクセルは常に紫 (フラグ ビットが設定されている場合は青) で、奇数のピクセルは常に緑 (またはオレンジ) です。隣り合う 2 つの点灯ピクセルは、ペアが偶数/奇数か奇数/偶数かに関係なく、またフラグ ビットの値に関係なく、常に白になります。これは近似値ですが、当時のほとんどのプログラマーが Apple の高解像度モードで作業する際に念頭に置いていたものです。

ギブソンの例では、隣接する 2 つのビットが白いブロックを形成するため、実際には 1 ピクセルあたり 2 つのビットが存在すると主張しています。1 つはピクセルの紫色の左半分をアクティブにし、もう 1 つはピクセルの緑の右半分をアクティブにします。プログラマーが代わりにピクセルの緑の右半分と次のピクセルの紫色の左半分をアクティブにすると、結果は右に 1/2 ピクセルの白いブロックになり、これは確かにサブピクセル レンダリングの例です。ただし、Apple II のプログラマーがビットのペアをピクセルと見なし、代わりに各ビットをピクセルと呼んだかどうかは明らかではありません。

各バイトのフラグ ビットは、ピクセルを右に半ピクセル幅シフトすることで色に影響します。この半ピクセル シフトは、高解像度グラフィック モードを使用してテキストを表示する Apple ユーティリティである HRCG (High-Resolution Character Generator) などの一部のグラフィック ソフトウェアで、対角線を滑らかにするために利用されました。

マイクロソフトは1998年のCOMDEXでClearTypeと呼ばれるサブピクセルレンダリング技術を発表しました。^[8]マイクロソフトは2000年5月に、 ClearTypeのフィルタリングについて説明した論文「Displaced Filtering for Patterned Displays」を発表しました。 ^{[9]その後、} Windows XPで利用可能になりましたが、 Windows Vistaまではデフォルトで有効になっていませんでした。（ただし、Windows XPのOEMはデフォルト設定を変更することができ、実際に変更しました。）^[10]

X Window Systemの現在のほとんどのソフトウェアで使用されているライブラリであるFreeTypeには、 2 つのオープン ソース実装が含まれています。元の実装では ClearType アンチエイリアシング フィルタが使用されており、次の通知が付けられています。「サブピクセル レンダリング用の Microsoft の ClearType テクノロジのカラー フィルタリング アルゴリズムは特許で保護されています。このため、FreeType の対応するコードはデフォルトで無効になっています。サブピクセル レンダリング自体は先行技術であるため、異なるカラー フィルタを使用すると、Microsoft の特許請求を簡単に回避できます。」^{[3] [2]}

FreeTypeはさまざまなカラーフィルターを提供しています。バージョン2.6.2以降、デフォルトのフィルターはライトで、これは正規化（値の合計が1になる）され、色のバランスが取れた（解像度を犠牲にして色のフリンジを除去する）フィルターです。^[11]

バージョン 2.8.1 以降、 Harmonyと呼ばれる 2 番目の実装が存在し、これは「解像度を 3 倍にしたりフィルタリングしたりする ClearType 技術に頼らずに、LCD に最適化された高品質の出力を提供します」。これはデフォルトで有効になっている方法です。この方法を使用すると、「LCD パネルのカラー グリッドが 1/3 ピクセルシフトされるという事実を利用して、グリフのアウトラインをシフトした後、各カラー チャネルが個別に生成されます。この出力は、軽い 3 タップ フィルタを使用した ClearType と区別がつきません。」^[12] Harmony 方式では追加のフィルタリングが必要ないため、ClearType 特許の対象にはなりません。

AdobeはCoolTypeと呼ばれる独自のサブピクセルレンダラーを開発し、Windows、MacOS、Linuxなど、さまざまなオペレーティングシステムで同じように文書を表示できるようにしました。2001年頃に発売されたCoolTypeは、当時TrueTypeフォントに限定されていたMicrosoftのClearTypeよりも幅広いフォントをサポートしていましたが、AdobeのCoolTypeはPostScriptフォント（およびそれに相当するOpenTypeフォントも）もサポートしていました。^[13]

Mac OS X（後のOS X、現在のmacOS）も、Quartz 2Dの一部としてサブピクセルレンダリングを使用していました。しかし、Retinaディスプレイの導入後に削除されました。読みやすさを最大化するためにグリッドへのタイトフィット（フォントヒンティング）を優先するMicrosoftの実装とは異なり、Appleの実装では、デザイナーが設定したグリフの形状を優先します。^[14]

• フォントのラスタライズ – テキストをベクターからラスターに変換するプロセス
• ケル係数
• PenTile マトリックス ファミリー – 電子デバイス ディスプレイ
• サブピクセル解像度

• Ron Feigenblatt 氏の Microsoft ClearType に関する発言
• Wayback Machineのピクセル借用、ClearType、アンチエイリアシング(2007 年 10 月 12 日アーカイブ)
• サブピクセルエクスプローラー
• テキストのラスタライズ露出に関する Anti-Grain Geometry プロジェクトの記事。
• エンゲルハート、トーマス (2013)。「多様なディスプレイ向けの低コストのサブピクセルレンダリング」。コンピュータグラフィックスフォーラム。33 (1): 199–209。doi :10.1111/ cgf.12267。S2CID 9851327  。http://jankautz.com/publications/SubpixelCGF13.pdf