久保田隆成
＜コンピュータにおけるパターンの識別＞
(４) 画像の識別・表示機能
地デジへの移行（ 2011 年 7 月 24 日）に呼応して ＴＶ との融合を図るべく、ＰＣ のディスプレイや画像録画装置などが大きく変わりつつある。ここでは、① 画像表示回路としての「ビデオカード」、② 描画処理を担当する「GPU」 及び③ 画像入出力バッファとしての「VRAM」について、情報の本質から考えてみる。
① 画像表示回路としての「ビデオカード」とその規格
ＰＣでは、画像を入出力する機能を拡張カードとして独立させた「ビデオカード」（video card）に持たせている。なお、「video」のことを「graphic」又は「graphics」、「card」のことを「board」と呼ぶこともある。
1987 年、ＩＢＭ社が、同社のＰＣ「ＰＳ／２」 に搭載したビデオカード「ＶＧＡ」 （Video Graphics Array）は、その後、「PC/AT互換機」でも事実上の標準となった。その規格は、640×480pix；1,677色中16色表示、320×200pix；1,677色中256色表示、VRAM: 256KB であった。なお、日本語表示には、テキストモードをグラフィックモードに切り替えて、フォントデータを利用していた。
その２年後、「VGA」の上位互換の「SVGA」(Super-VGA) （800×600pix/256色、512KB）が各社から提供された。ただし、各社間には互換性がなかったため、「VESA」(Video Electronics Standard Association)が共通となるモードを標準化した。
「SVGA」のうちで、これまで ＣＰＵ が行っていた描画処理のうち使用頻度が高い処理に対して、その速度を向上させる「グラフィック・アクセラレータ」は「ウィンドウ・アクセラレータ」と呼ばれた。
IBM 提供の上位互換カードは、「ＸＧＡ」(eXtended-GA)（1024×768pix/256色、1MB）→「XGA-2」（同/65,536色、2MB）と描画画素数を増加させたが、高速が出ず普及しなかった。
1998 年、ＯＳは「Windows 98」へのアップグレードされ、「ビデオカード」は、これまでの縦横比（４：３）を（５：４）に変えた「SXGA」(Super-XGA)（1280×1024pix/16,777,216色）が提供され、17-19 インチクラスの単体液晶ディスプレイの主流となった。
16,777,216色は、光の３原色、赤（Red）、緑（Green）、青（Blue）の各色の明度（ディスプレイ上では輝度）を、２５６段階（0 ～ 255）に分け、これらの組合わせによってできる色の数（256×256×256=16,777,216）である。 ２５６＝２８、16,777,216=２２４であるから、各色を８ビット、全色を２４ビットで表現することになる。このビット数を「ビット深度」という。 なお、16,777,216色は「Full Color」と呼ばれている。
フルカラーを液晶ディスプレイで表示した場合、各画素（「dot」, 「pixel」）は 24 ビット（３バイト）のカラー情報を保持している。 液晶パネル内では、一つの画素を３つのサブ画素（R・G・Bのカラーフィルター）に分け、そこを透過する光（Back Light）の量を液晶に印加する電圧（ビット深度８）によって制御している（印加電圧によって液晶の分子配列の傾きが変わる）。下図参照。
| 図2.17 液晶パネル断面モデル |
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| 参照：http://yuukiel.com/ekisyo.htm |
下図に、RGB色指定値による色表示の一例を示す。なお、色指定値は１６進法表示である。
| 図2.18 RGB色指定値による色表示（例） | |||||
| ３原色 | 色指定値 | ||||
| 00( 0%) | 3F( 25%) | 7F( 50%) | BF( 75%) | FF(100%) | |
| R | |||||
| G | |||||
| B | |||||
| R + G | |||||
| G + B | |||||
| B + R | |||||
| R + G + B | |||||
2002 年、 「Windows XP」時代が始まると、ビデオカードは「ＵＸＧＡ」（Ultra-XGA）（1,600 × 1,200pix）が提供され、2000年代前半の一般的なディスプレイの最大ピクセル数となった。
2006 年に入ると、「Windows」 が 「XP」 から 「Vista」 にアップグレードされ、ディスクトップ画面の右サイドに「ガジェット」を表示する必要性から、縦横比（１６：１０）の「WXGA」（Wide-XGA）(1,280 × 800pix) が提供された。ただし、実際に「Vista」が発売されたのは、翌年の１月であった。
2009 年、２年後の「地デジ」移行を控え、ＴＶ画面表示に対応した縦横比（１６：９）の「FHD」（Full High Definition）（1,920 × 1,080）、そのハイエンドモデルである縦横比（１６：１０）の「WUXGA」（Wide-UXGA）（1,920 × 1,200pix）が提供された。
上の例で示した総画素数（1,920 × 1,080pix）のことを、パソコンメーカーのカタログでは「解像度」と称しているが、本来、「解像度」 とは単位長（又は面積）当たりのピクセル数のことである。「解像度」 をＣＲＴやプリンターでは、１インチ（25.4mm）当たりのドット数（dots per inch; 「dpi」、又は pixels per inch; 「ppi」）で示している。
液唱ディスプレイでは、画素がカラーフィルターから構成されて各画素が隙間なく連接していることから、従来の「dpi」に替えて 「画素ピッチ」（単位mm）を使っている。「画素ピッチ」は隣接する画素の中心間の距離であるが、液晶の場合は、１個のドット（正方形）の辺の長さでもある。なお、「画素ピッチ」 から 「dpi」 への変換は次式による。
「dpi」 = 25.4 / 「画素ピッチ」
次に、最近（2010 年 春モデル カタログ）の液晶ディスプレイの仕様の一例を示す。(青字の部分は筆者追加)
| 図2.19 最近の液晶ディスプレイの仕様（１例） | ||||
| 型 | ２０型 | ２２型 | ２３型 | ２４型 |
| 表示寸法 mm | 442 x 249 | 474 x 296 | 509 x 286 | 518 x 324 |
| 画素ピッチmm | 0.275 (92 dpi) | 0.282 (90 dpi) | 0.265 (96 dpi) | 0.270 (94 dpi) |
| 解像度 dot | 1,600 x 900 | 1,680 x 1,050 | 1,920 x 1,080 | 1,920 x 1,200 |
| 画面モード | WXGA | WSXGA | FHD | WUXGA |
仕様として、「表示寸法」と「画素ピッチ」が示されれば、「型」（画面の対角線寸法「inch」）及び「解像度」は次式から求められる。20 型について、計算例を示す。
型 inch = √（表示寸法（横）2 + (縦）2) / 25.4 = √（4422 + 2492) / 25.4 = 507.311 / 25.4 = 19.997≒ 20 inch
解像度(横) dot = 表示寸法（横） / 画素ピッチ = 442 / 0.275 = 1,607 ≒ 1,600 dot
解像度(縦) dot = 表示寸法（縦） / 画素ピッチ = 249 / 0.275 = 905 ≒ 900 dot
Web 表示には、「画像解像度」は、標準的に「Mac」では、72 dpi、「Windows」では、96 dip で表示されるので、解像度を 72 dpi に設定しておけば問題はない。
文字のサイズを示す「point; pt」では、「１ pt = (1/72) inch 」であるから、「画像解像度」が 72 dpi の場合、１ｐｔ の文字のサイズは、１画素（1 dot = 0.353mm）になる。また描画できる直線の最小線幅（太さ）も１ドットである。
視力「１」のヒトの分解能は、２．２節で説明したように、０.３ mmrad(ミリラジアン)であるから、図 2.19 に示した画素ピッチは、１ｍ 先から見たとき分解できる幅以下である。
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