1ピクセルずつデジタル世界を構築する

サイエンス

11月17日

著：ジョエル・ブレア

2021年11月17日
8 min read

デジタル・ディスプレイの仕組み小さなピクセルの科学的な仕組みを覗いてみよう。

文：タラ・ヤルラガッダ
イラスト：ホルヘ・ペーニャ

私たちは、生活のあらゆる側面に情報を提供するデジタル革命の真っ只中にいるが、この新しい情報時代を牽引するテクノロジーを実際に理解している消費者は非常に少ない。

デジタル・ディスプレイは、テレビのコマーシャルからコンピュータの画面に至るまで、現代生活のほとんどすべての面を構成している。スマートフォンやタブレットのような比較的最近の技術でさえ、インターネットへのアクセスを可能にし、私たちを世界とつなぐためにデジタル・ディスプレイに依存している。

しかし、ある驚くべきミクロの技がなければ、この驚くべき技術は何一つ実現しなかっただろう。

ピクセルとは何か？

要するに、コンピュータやスマートフォン、その他のデジタル・ディスプレイでブラウジング中に見る画像はすべて、ピクセルと呼ばれる小さな斑点で説明できるのだ。デジタル画像を拡大すると、画像を構成する小さなタイル（ピクセル）が見える。

ほとんどの標準的なピクセルの幅は、1インチどころか1ミリにも満たない。ひとつの画像を構成するには、何千、何百万ものピクセルが必要だ。ピクセルは、スマートフォンからタブレットに至るまで、すべてのデジタル・ディスプレイの文字通りの構成要素となっている。

ピクセルの歴史

「ピクセル」は英語では比較的新しい言葉である。この言葉が初めて登場したのは、1965年にアメリカのエンジニア、フレデリック・クロケット・ビリングスレーが書いた記事である。

ピクセルの父」として知られるビリングズレーは、カリフォルニア工科大学のジェット推進研究所に在籍中、米国の新興宇宙開発計画のために画像処理を研究・開発した。ビリングズレーは1965年の論文でPix（Picture）とelement（el）を組み合わせた造語を発表した。この論文から、「ピクチャー・エレメント」の略であるピクセルという現代の用法が生まれた。

ビリングズレーの研究以来、私たちは長い道のりを歩んできた。ピクセルに頼っているのはコンピュータ科学者やエンジニアだけではない。あなたがソーシャル・メディアでスクロールして通り過ぎる広告や、オンライン・ショッピング・カートの中のすべての商品の背後には、無数のピクセルがあり、マウスをクリックしたり指をスワイプしたりするたびに、私たちのデジタル世界を作り出している。

ピクセルは、すべてのデジタル・ディスプレイの文字通りの構成要素である。

ビリングズレーの作品について報告した研究者リチャード・ライオンは、この小さなピクセルが人類に与えた息をのむような影響を要約している：

「その後、ピクセルは、コンピュータグラフィックス、ディスプレイ、プリンター、スキャナー、カメラ、および関連技術の分野で、時に相反するさまざまな意味を持つユビキタスなものとなった。

ピクセルの仕組み

しかし、ピクセルのコンセプトは、ビリングズレーの20世紀の研究よりもさらに遡る。実際、ピクセルのルーツは、ドイツの光化学者ヘルマン・フォーゲルが1800年代後半に探求した光波と色スペクトルの相互作用にある。

ヴォーゲルは緑や赤といった色の感度を研究し、カラー写真の道を開いた。色がどのように相互作用するかを理解することは、実際の生活でピクセルがどのように機能するかを理解するために不可欠だからだ。

ピクセルを近くにズームすると、RGB（"red green and blue "の略）が混在していることがわかる。各ピクセルには、赤、緑、青の3色が交互に並んでいる。これらの色はすべて拡大鏡の下に見えますが、人間の目にははるかに限界があるため、R、G、Bの各サブピクセルの光量を、統合された単一の色として認識します。

これら3つの基本的な色の輝度（光の強さのレベル）を変え、それらを組み合わせることで、何十億もの色合いを持つ可能性のある個々のピクセルを作ることができる。ピクセルの中に、他の色の集合ではなく、なぜ赤、緑、青の3色が含まれているのか不思議に思うかもしれない。

その後、ピクセルはコンピューターグラフィックス、ディスプレイ、プリンター、スキャナー、カメラ、そして関連技術の分野でユビキタスな存在となった。

例えば、新聞や雑誌用のプリンターのほとんどは、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックに依存している。しかし、ピクセルがRGBに依存する具体的な理由が2つあり、ピクセルの仕組みを把握するためには、これらの理由を紐解くことが不可欠です。

まず第一に：私たちの目にある色に敏感な錐体は、赤、緑、青に対応する波長を他のどの色よりもよく拾うように進化してきた。

第二に、赤、緑、青のある色調を混ぜ合わせると、白色光になる。この3色を混ぜることが、白色光、そして自然界に存在する他のすべての色を作る最も効率的な方法なのだ。

画面上に表示されるすべてのものは、この3色の組み合わせに集約されます。ビデオゲームをプレイしているときでも、スプレッドシートで仕事のプロジェクトを編集しているときでも、RGBから分解され、画面に表示されるように再作成された一連の色に依存している。

つまり、RGBは私たちの視覚ディスプレイの設計図であるピクセルのための自然な設定なのだ。

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ディスプレイの解像度を構成するピクセル

しかし、なぜピクセルについてこのような情報を知っておく必要があるのだろうか？それは、ピクセルが現代のすべてのデジタル・ディスプレイの解像度を説明できるからだ。

解像度は1インチあたりのピクセル数で表すことができ、ppiまたはdpiとも呼ばれる。例えば、500ppiは1インチあたり500ピクセルと訳される。

フォトグラファーやデザイナーは、コンピュータの画面であれiPhoneであれ、特定のディスプレイに合わせて画像のサイズを変更します。事実、ディスプレイのピクセル数が多いほど、画像はシャープに表示される。

論理的には、この概念は理解できる。1,000ピクセルの猫の画像は、5,000ピクセルの画像ほどシャープではない。別の言い方をすれば特定のディスプレイ・サイズに対してピクセル数が多ければ多いほど、ピクセル密度または解像度は高くなる。

...ピクセルは、現代のすべてのデジタルディスプレイの解像度を説明することができる"

例えば、安い13インチのウィンドウズ・ノートパソコンの解像度は1366×768ピクセルで、より良いノートパソコンの解像度は1920×1080ピクセルです。さらに、2,500万個の赤、緑、青のサブピクセルを混ぜ合わせると、合計830万個のRGBピクセルとなり、最新のUltraHDテレビに十分な解像度となる。

それでもまだ迷っているのなら、研究者のリチャード・ライオンは、解像度とピクセルの違いをこのシンプルな言葉で効果的にまとめている：「解像度は測定すべきものであり、ピクセルは数えるものである。

ディスプレイにはどのような種類がありますか？

すべてのデジタル・ディスプレイは、ピクセルのRGBフレームワークに依存して動作するが、すべてのディスプレイが同じように動作するわけではない。LED、OLED、QLED、CRT、LCDなど、これらのディスプレイ内の技術には紛らわしい略称が何十種類もある。

これらすべての技術の背後にある詳細を知る必要はないが、ほとんどの消費者向け製品に搭載されている2種類の基本的なディスプレイ、すなわち透過型ディスプレイ（LCD、LED、QLED）と発光型ディスプレイ（プラズマ、OLED、microLED）を理解しておくと役に立つ。

ディスプレイを構成する技術は異なるが、どちらのタイプのディスプレイもピクセルの働きに依存しており、私たちはスクリーン上で画像を見ることができる。

透過型ディスプレイでは、ピクセルはバックライト（ピクセルの後ろにある光源）を調節し、光を遮ったり通したりする。透過型ディスプレイのピクセルは、家の雨戸のように開閉し、光を遮ったり通したりして画像を作成する。

解像度は測るべきもので、ピクセルは数えるものだ」。

一方、発光型ディスプレイは、バックライトを必要とせず、自ら光を発生する。

照明のスイッチを入れたり切ったりすることを思い浮かべてほしい。これは、発光ディスプレイのピクセルの働きとよく似ている。

デジタル・ディスプレイはどう変わるのか？

透過型ディスプレイは、光を遮断する効果が100％ではなく、光が漏れてしまいます。しかし、発光型ディスプレイは、ピクセルがオフになると完全に黒くなるため、画面のコントラストが向上し、より鮮明な映像が表示されます。

しかし、MiniLEDのような最新の透過型ディスプレイには、必要に応じてバックライトをオン・オフできるという利点がある。このバックライトの選択的な調光により、透過型ディスプレイは、発光型ディスプレイに見られるような暗いコントラストのビジュアルを生成することができる。

ディスプレイの種類にかかわらず、最も重要な要素は光の質である。光の質が悪いと、画像が不鮮明になる。テレビ画面でぼんやりとした画像を見たことがある人なら、この感覚がわかるだろう。RGBに基づくと、ディスプレイは赤、緑、青の3色の光だけを発するのが理想的だ。

そのため、青色発光LEDは理想的なテレビ視聴体験には向いていない。LEDに含まれる青色光は、人間の目には白く見えるように物質と混ざり合う。その結果、白色光はフィルターを通過して赤、緑、青に分かれた色を作らなければならない。その結果、オレンジがかった赤や黄緑といった、正確さに欠ける色になってしまうのだ。

透過型ディスプレイのピクセルは、家のシャッターのように機能する..."

RGBの色彩をそのままに、より良い視聴体験を求めるなら、透過型液晶ディスプレイの方がいい。このディスプレイのバックライトの青色LEDからの光は、フィルターを通す代わりに量子ドットと呼ばれる機能と混ざり合い、真に純粋なRGBの白色光を作り出す。LCDピクセルの液晶は、ピクセルの光を正確に制御する能力をさらに高めている。

発光型ディスプレイの中には、現代の消費者にとって比較的良好な視聴体験を提供できるものもある。2021年の発光型OLEDテレビは、最初に青と黄色の光を使用し、その光をフィルターに通して、LED LCDのようにRGBを生成する。

しかし、LEDテレビとは異なり、OLEDテレビは白のサブピクセルを追加し、より明るい光とより高い効率につながるが、その過程で正確な色が犠牲になることもある。理論的には発光型ディスプレイの方が効率的で、視覚的コントラストも優れているが、現実の世界では、透過型ディスプレイと発光型ディスプレイのどちらにも長所と短所がある。

量子ドット技術の進歩に伴い、デジタル・ディスプレイも必然的に変化していく。しかし、画像の背後で働いているピクセルを理解している限り、変化する技術についていけるだろう。