Субпиксельный рендеринг

«Аа» отображается в субпикселях

Предыдущее изображение с R , G и B. разделенными и анимированными каналами

Субпиксельный рендеринг — это метод, используемый для увеличения эффективного разрешения устройства цветного дисплея . Он использует преимущества композиции каждого пикселя из индивидуально адресуемых красных, зеленых и синих компонентов, расположенных рядом с матрицей дисплея, называемых субпикселями , и использует их в качестве единиц рендеринга вместо пикселей.

Субпиксельный рендеринг в основном используется для рендеринга текста на дисплеях со стандартным разрешением .

Несмотря на присущие ему цветовые аномалии, его также можно использовать для рендеринга общей графики.

История

Происхождение субпиксельного рендеринга, используемого сегодня, остается спорным. Apple Inc. , IBM и Microsoft запатентовали различные реализации с определенными техническими отличиями из-за разных целей, для которых предназначались их технологии. ^[1]

У Microsoft было несколько патентов в США на технологию субпиксельного рендеринга для рендеринга текста в макетах RGB Stripe. Патенты 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 были поданы в период с 7 октября 1998 г. по 19 октября. 99, срок действия которого истек 30 июля 2019 г. ^[2] Анализ патента FreeType ^[3] указывает на то, что идея субпиксельного рендеринга не защищена патентом, а фактическим фильтром, используемым в качестве последнего шага для балансировки цвета. В патенте Microsoft описан наименьший возможный фильтр, который распределяет значение каждого субпикселя по равному количеству пикселей R, G и B. Любой другой фильтр будет либо более размытым, либо внесет цветовые артефакты.

Apple смогла использовать его в Mac OS X благодаря соглашению о перекрестном лицензировании патентов . ^[4]

Характеристики

Один пиксель на цветном дисплее состоит из нескольких субпикселей, обычно трех, расположенных слева направо: красного, зеленого и синего (RGB). Компоненты легко увидеть, если рассматривать их с помощью небольшого увеличительного стекла, например лупы . Эти пиксельные компоненты кажутся человеческому глазу одним цветом из-за размытия оптики и пространственной интеграции нервных клеток глаза. Однако глаз гораздо более чувствителен к местоположению. ^{[ нужны разъяснения ]} Таким образом, включение G и B одного пикселя и R следующего пикселя справа приведет к появлению белой точки, но она будет выглядеть на 1/3 пикселя справа от белой точки, которая будет видна. из RGB только первого пикселя. Субпиксельный рендеринг использует это преимущество, чтобы обеспечить в три раза большее горизонтальное разрешение визуализированного изображения, хотя для получения правильного цвета необходимо размыть это изображение, гарантируя, что включено такое же количество красного, зеленого и синего, как и при отсутствии субпиксельного рендеринга. делается.

Субпиксельный рендеринг не требует использования сглаживания и дает более плавный результат независимо от того, используется сглаживание или нет. ^[5] так как это искусственно увеличивает разрешение. Однако он вводит сглаживание цветов, поскольку субпиксели окрашены. Последующая фильтрация, применяемая для удаления цветовых артефактов, является формой сглаживания, хотя ее целью не является сглаживание неровных форм, как при обычном сглаживании.

Субпиксельный рендеринг требует, чтобы программное обеспечение знало расположение субпикселей. Самая распространенная причина, по которой это неправильно, — это мониторы, которые можно поворачивать на 90 (или 180) градусов, хотя мониторы производятся с другим расположением субпикселей, например BGR или в треугольниках, или с 4 цветами, например квадратами RGBW. На любом таком дисплее результат неправильного субпиксельного рендеринга будет хуже, чем если бы субпиксельный рендеринг не выполнялся вообще (он не будет создавать цветовые артефакты, но будет создавать шумные края).

Реализации

Яблоко II

Стив Гибсон утверждал, что Apple II , представленный в 1977 году, поддерживает раннюю форму субпиксельного рендеринга в графическом режиме высокого разрешения (280×192). ^[6] В патенте Возняка использовалось только 2 «субпикселя». ^[7] Байты , высокого разрешения Apple II, составляющие буфер экрана содержат семь видимых битов (каждый непосредственно соответствует пикселю) и бит флага, используемый для выбора между наборами фиолетового/зеленого или синего/оранжевого цветов. Каждый пиксель, поскольку он представлен одним битом, либо включен, либо выключен; внутри самого пикселя нет битов для определения цвета или яркости. Вместо этого цвет создается как артефакт схемы кодирования цвета NTSC , определяемый горизонтальным положением: пиксели с четными горизонтальными координатами всегда фиолетовые (или синие, если установлен бит флага), а нечетные пиксели всегда зеленые (или оранжевые). Два освещенных пикселя рядом друг с другом всегда белые, независимо от того, является ли пара четным/нечетным или нечетным/четным, а также независимо от значения бита флага. Это приблизительное значение, но именно это имело в виду большинство программистов того времени, работая с режимом высокого разрешения Apple.

В примере Гибсона утверждается, что, поскольку два соседних бита образуют белый блок, на самом деле на пиксель приходится два бита: один активирует фиолетовую левую половину пикселя, а другой активирует зеленую правую половину пикселя. Если вместо этого программист активирует зеленую правую половину пикселя и фиолетовую левую половину следующего пикселя, то результатом будет белый блок, расположенный на 1/2 пикселя вправо, что действительно является примером субпиксельного рендеринга. Однако неясно, считали ли какие-либо программисты Apple II пары битов пикселями, вместо этого называя каждый бит пикселем.

Бит флага в каждом байте влияет на цвет, сдвигая пиксели на половину ширины пикселя вправо. Этот сдвиг на полпикселя использовался некоторыми графическими программами, такими как HRCG (генератор символов высокого разрешения), утилитой Apple, которая отображала текст в графическом режиме высокого разрешения для сглаживания диагоналей.

ClearType

Microsoft анонсировала свою технологию субпиксельного рендеринга ClearType на выставке COMDEX в 1998 году. ^[8] В мае 2000 года Microsoft опубликовала статью «Смещенная фильтрация для узорчатых дисплеев», в которой описывается фильтрация ClearType. ^[9] Затем он стал доступен в Windows XP , но не был активирован по умолчанию до Windows Vista . Windows XP (Однако производители могли изменить настройку по умолчанию и действительно изменили.) ^[10]

FreeType

FreeType , библиотека, используемая большинством современных программ в системе X Window , содержит две с открытым исходным кодом реализации . Исходная реализация использует фильтры сглаживания ClearType и содержит следующее уведомление: «Алгоритм цветовой фильтрации технологии Microsoft ClearType для субпиксельного рендеринга защищен патентами; по этой причине соответствующий код во FreeType отключен по умолчанию. Обратите внимание, что субпиксельный рендеринг как таковой является предшествующим уровнем техники; использование другого цветового фильтра позволяет легко обойти патентные претензии Microsoft». ^[3]^[2]

FreeType предлагает множество цветовых фильтров. Начиная с версии 2.6.2, фильтром по умолчанию является светлый фильтр, который одновременно нормализован (сумма значений до 1) и сбалансирован по цвету (устраняет цветовые полосы за счет разрешения). ^[11]

Начиная с версии 2.8.1 существует вторая реализация, называемая Harmony , которая «предлагает высококачественный вывод, оптимизированный для ЖК-дисплея, без обращения к методам ClearType утроения разрешения и фильтрации». Этот метод включен по умолчанию. При использовании этого метода «каждый цветовой канал генерируется отдельно после смещения контура глифа, используя тот факт, что цветовые сетки на ЖК-панелях смещаются на треть пикселя. Этот вывод неотличим от ClearType при легком 3-х касании фильтр." ^[12] Поскольку метод Harmony не требует дополнительной фильтрации, на него не распространяются патенты ClearType.

CoolType

Adobe создала свой собственный субпиксельный рендерер под названием CoolType , позволяющий отображать документы одинаково в различных операционных системах: Windows, MacOS, Linux и т. д. Когда он был запущен примерно в 2001 году, CoolType поддерживал более широкий диапазон шрифтов, чем ClearType от Microsoft, который в то время был ограничен шрифтами TrueType , тогда как CoolType от Adobe также поддерживал шрифты PostScript их эквивалент OpenType ). (а также ^[13]

macOS

Mac OS X (позже OS X, теперь macOS) также использовала субпиксельный рендеринг как часть Quartz 2D . Однако он был удален после появления дисплеев Retina. В отличие от реализации Microsoft, которая предпочитает плотное прилегание к сетке ( хинтинг шрифта ) для максимальной читаемости, реализация Apple отдает приоритет форме глифов, заданной их дизайнером. ^[14]

См. также

Растеризация шрифта — процесс преобразования текста из векторного в растровый.
Фактор Келла
Семейство матриц PenTile – дисплей электронного устройства
Субпиксельное разрешение

Ссылки

^ Джон Маркофф, « Microsoft Cleartype запускает дебаты об оригинальности, архивировано 21 апреля 2017 г. в Wayback Machine », New York Times , 7 декабря 1998 г.
^ Jump up to: ^а ^б Дэвид Тернер (1 июня 2007 г.). «Патенты ClearType, FreeType и Unix Desktop: объяснение» . Архивировано из оригинала 31 марта 2009 г. Проверено 9 апреля 2009 г.
^ Jump up to: ^а ^б «FreeType и патенты» . FreeType.org. 13 февраля 2018 г. Архивировано из оригинала 10 ноября 2018 г. Проверено 29 ноября 2018 г.
^ «Патчи рендеринга ЖК-дисплея» . 24 сентября 2006 г. Архивировано из оригинала 3 июня 2011 г. Проверено 9 апреля 2009 г.
^ «Трактат о растеризации шрифтов с упором на свободное программное обеспечение» . 15 сентября 2010 г. Проверено 11 ноября 2023 г.
^ «GRC — Истоки рендеринга субпиксельных шрифтов» . grc.com . Архивировано из оригинала 6 марта 2006 г. Проверено 2 марта 2006 г.
^ Дэвид Тернер (24 сентября, 20:00 2006) Патчи рендеринга ЖК-дисплея. Архивировано 8 февраля 2007 г. на Wayback Machine.
^ ИКТ Билл Гейтс, 1998 г., основной доклад 1998 г. , заархивировано из оригинала 30 ноября 2021 г. , получено 30 ноября 2021 г.
^ Платт, Джон; Кили, Берт; Хилл, Билл; Дрешевич, Бодин; Бетриси, Клод; Митчелл, Дон П.; Хичкок, Грег; Блинн, Джим; Уиттед, Тернер (1 мая 2000 г.). «Смещенная фильтрация для узорчатых дисплеев» : 296–299. Архивировано из оригинала 30 ноября 2021 г. Проверено 30 ноября 2021 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Грег Хичкок (с введением Стивена Синофски ) « Технические изменения в ClearType в Windows 7. Архивировано 18 декабря 2012 г. в Wayback Machine », блоги MSDN, 23 июня 2009 г.
^ «О небольших намеках, правильной отрисовке текста, затемнении стебля и ЖК-фильтрах» . сайт freetype.org . Архивировано из оригинала 12 ноября 2020 г. Проверено 14 ноября 2020 г.
^ Лемберг, Вернер (16 сентября 2017 г.). «Анонсируем FreeType 2.8.1» . Архивировано из оригинала 16 ноября 2019 г. Проверено 30 апреля 2019 г.
^ Феличи, Джеймс (апрель 2000 г.) « ClearType, CoolType: это есть у глаз », Отчет Сейболда об интернет-публикациях, Vol. 4 Выпуск 8
^ «Недочеты типографского сглаживания» . 2 ноября 2009 г. Архивировано из оригинала 9 августа 2014 г. Проверено 11 августа 2014 г.

Внешние ссылки

Замечания Рона Фейгенблатта о Microsoft ClearType
Заимствование пикселей, ClearType и сглаживание в Wayback Machine (архивировано 12 октября 2007 г.)
Субпиксельный проводник
Растеризация текста. Статья из проекта Anti-Grain Geometry.
Энгельхардт, Томас (2013). «Недорогой субпиксельный рендеринг для различных дисплеев». Форум компьютерной графики . 33 (1): 199–209. дои : 10.1111/cgf.12267 . S2CID 9851327 . http://jankautz.com/publications/SubpixelCGF13.pdf

[1] Джон Маркофф, « Microsoft Cleartype запускает дебаты об оригинальности, архивировано 21 апреля 2017 г. в Wayback Machine », New York Times , 7 декабря 1998 г.

[cleartype_expl-2] Jump up to: ^а ^б Дэвид Тернер (1 июня 2007 г.). «Патенты ClearType, FreeType и Unix Desktop: объяснение» . Архивировано из оригинала 31 марта 2009 г. Проверено 9 апреля 2009 г.

[patents-3] Jump up to: ^а ^б «FreeType и патенты» . FreeType.org. 13 февраля 2018 г. Архивировано из оригинала 10 ноября 2018 г. Проверено 29 ноября 2018 г.

[4] «Патчи рендеринга ЖК-дисплея» . 24 сентября 2006 г. Архивировано из оригинала 3 июня 2011 г. Проверено 9 апреля 2009 г.

[5] «Трактат о растеризации шрифтов с упором на свободное программное обеспечение» . 15 сентября 2010 г. Проверено 11 ноября 2023 г.

[6] «GRC — Истоки рендеринга субпиксельных шрифтов» . grc.com . Архивировано из оригинала 6 марта 2006 г. Проверено 2 марта 2006 г.

[7] Дэвид Тернер (24 сентября, 20:00 2006) Патчи рендеринга ЖК-дисплея. Архивировано 8 февраля 2007 г. на Wayback Machine.

[8] ИКТ Билл Гейтс, 1998 г., основной доклад 1998 г. , заархивировано из оригинала 30 ноября 2021 г. , получено 30 ноября 2021 г.

[9] Платт, Джон; Кили, Берт; Хилл, Билл; Дрешевич, Бодин; Бетриси, Клод; Митчелл, Дон П.; Хичкок, Грег; Блинн, Джим; Уиттед, Тернер (1 мая 2000 г.). «Смещенная фильтрация для узорчатых дисплеев» : 296–299. Архивировано из оригинала 30 ноября 2021 г. Проверено 30 ноября 2021 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[win7-10] Грег Хичкок (с введением Стивена Синофски ) « Технические изменения в ClearType в Windows 7. Архивировано 18 декабря 2012 г. в Wayback Machine », блоги MSDN, 23 июня 2009 г.

[11] «О небольших намеках, правильной отрисовке текста, затемнении стебля и ЖК-фильтрах» . сайт freetype.org . Архивировано из оригинала 12 ноября 2020 г. Проверено 14 ноября 2020 г.

[12] Лемберг, Вернер (16 сентября 2017 г.). «Анонсируем FreeType 2.8.1» . Архивировано из оригинала 16 ноября 2019 г. Проверено 30 апреля 2019 г.

[13] Феличи, Джеймс (апрель 2000 г.) « ClearType, CoolType: это есть у глаз », Отчет Сейболда об интернет-публикациях, Vol. 4 Выпуск 8

[14] «Недочеты типографского сглаживания» . 2 ноября 2009 г. Архивировано из оригинала 9 августа 2014 г. Проверено 11 августа 2014 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]