ラスタライズ徹底解説：ベクターとビットマップの違いから2D/3Dレンダリング、フォント、印刷まで
エバープレイ編集部ラスタライズとは — 基本定義
ラスタライズ（rasterize）とは、数式やベクトルデータで表現された「連続的」あるいは「解像度非依存」の情報を、ピクセル（画素）の格子＝ラスタ（raster）に変換して離散値の画像データ（ビットマップ）を生成する処理のことです。一般には「ベクター→ビットマップ」「3Dジオメトリ→ピクセル」などが該当します。印刷、ディスプレイ描画、3Dレンダリング、フォントレンダリングなど多くの分野で中心的な役割を果たします。
ラスタ（ビットマップ）とベクターの違い
- ベクター: 数式・パス・頂点と属性で形状を定義。解像度非依存で拡大縮小に強い（例: SVG、PDF、フォントのアウトライン）。
- ラスタ: ピクセルごとの色値の配列として保存。解像度に依存し、拡大すると画質劣化が起きる（例: PNG、JPEG、BMP）。
2Dラスタライズの技術要素
2Dラスタライズでは主に「アウトラインのスキャン変換」「ピクセルごとの塗り判定」「アンチエイリアス（滑らか化）」「サンプリング・量子化」が問題になります。
- スキャンコンバージョン（scan conversion／scanline）: ジオメトリ（線や多角形）を各スキャンライン（横方向のピクセル列）に対してどのピクセルを塗るか決定する古典的手法。
- エッジ関数／半空間テスト: 多角形を三角形分割して、各ピクセル中心の位置が三角形の内外にあるかを判断する方法。高速でGPUでも使われる。
- ラインラスタライズ: Bresenhamのアルゴリズムなど整数演算中心の効率的手法が古典的に用いられます。
- アンチエイリアス: ピクセル化で生じるジャギー（階段状エッジ）を抑えるため、グレースケールのガンマブレンドやサブピクセル方式（ClearTypeなど）、スーパーサンプリング（SSAA）、マルチサンプリング（MSAA）などがある。
3Dグラフィックスにおけるラスタライズ（GPUパイプライン）
リアルタイム3Dレンダリング（ゲームやインタラクティブCG）での典型的なパイプラインは次の流れです：
- 頂点処理（Vertex Shader）：モデル空間からクリップ空間へ変換し、法線やテクスチャ座標などを計算。
- クリッピングと正規化デバイス座標への変換、ビューポート変換。
- ラスタライザ（Rasterizer）：三角形をピクセル単位に変換し、どのサンプル（サブピクセル）を覆うかを判定。エッジ関数やバリセントリック座標で補間を行う。
- フラグメント（ピクセル）処理（Fragment/Pixel Shader）：テクスチャ参照、ライティング、色計算を行う。
- テストと合成（Depth test, Stencil, Blending）：深度テストやアルファ合成を経てフレームバッファへ書き込む。
GPUのラスタライザは高速で、三角形ごとにピクセル領域を求め、ピクセル中心やサンプル位置での被覆判定を行います。属性（テクスチャ座標等）の補間では透視補正（1/w補間）を使わないと遠近で歪むため注意が必要です。
アンチエイリアシングとサンプリング
ラスタライズはサンプリング理論に直結します。ピクセルは連続信号の離散サンプルなのでエイリアシングが生じます。主な手法：
- スーパーサンプリング（SSAA）：高解像度でサンプルを取って縮小する。品質は高いがコスト大。
- マルチサンプリング（MSAA）：ジオメトリのエッジ近傍のみ多重サンプル化して効率化。
- ポストプロセス系AA（FXAA、SMAA、TAA）：ピクセル単位のポストフィルタで境界を滑らかにする。性能重視だがディテールをぼかす場合あり。
- サブピクセルレンダリング：文字などで横方向のサブピクセルを利用（ClearTypeなど）して視覚的に解像度を上げる。
フォント・グリフのラスタライズ
フォントは通常アウトライン（TrueType、CFF/Type 1）で格納され、レンダリング時にラスタライズされます。主な要素：
- アウトラインのスキャン変換（Fill rules：非零（non-zero）や偶数・奇数（even-odd）ルール）
- ヒンティング：小サイズでの視認性向上のために輪郭をピクセルグリッドに合わせる指示（TrueTypeの自動・手動ヒンティング）。
- サブピクセルレンダリング（例：Microsoft ClearType）：カラーサブピクセルを利用し水平解像度を実質向上。
- Signed Distance Fields（SDF）：GPUでスケーラブルにテキストを描く手法で、拡大縮小や縁取りに強い。
印刷分野のラスタライズ（RIP）
印刷ではページ記述言語（PDF、PostScript）をプリンタが理解するために、RIP（Raster Image Processor）がベクトル・高次表現をプリンタの解像度（dpi）に合わせたラスタに変換します。カラー管理（プロファイル変換）、スクリーン線数やハーフトーン処理、トラッピングなど印刷特有の工程もここで行われます。
画質・性能・用途のトレードオフ
ラスタライズは一般にリアルタイム性・ハードウェア最適化に優れますが、光の反射・屈折・グローバルイルミネーション等の物理的な光学現象を自然に扱う点ではレイトレーシングが優位です。現代のレンダリングでは、ラスタライズの高速性とレイトレーシングの物理正確性を組み合わせたハイブリッド手法が増えています（ハードウェアレイトレーシング対応GPUの台頭）。
実務上の注意点とベストプラクティス
- ウェブやUIでは可能な限りベクター（SVG、フォント）を使い、画面解像度に応じてラスタライズをクライアント側に任せると拡大縮小に強い。
- アイコンや複雑なベクターを大量に使う場合は静的にラスタ化してキャッシュ（スプライト、ビットマップフォント）すると描画コストが下がる。
- モバイル・組み込みではメモリと帯域が制約なので、ラスタ画像の圧縮（PNG/JPEG/WebP）と適切な解像度選択が重要。
- アルファ合成はプレマルチプライドアルファが多くのGPU/ライブラリで推奨される（計算の安定性と性能）。
- テクスチャマップはミップマップを生成して縮小時のモアレとエイリアスを防ぐ。
現代の発展と将来動向
- GPUのハードウェア最適化により、ラスタライズは依然としてリアルタイムレンダリングの主流。
- RTコアを持つGPUはレイトレーシングをリアルタイムに部分適用でき、ラスタライズと組み合わせたハイブリッドレンダリングが増加。
- Web分野ではWebGLに加えWebGPUの登場で低レベルなラスタライズや計算処理がより効率的に行えるようになる。
- テキストやUIのためのSDF、MSDF（Multi-channel Signed Distance Field）など、新しい表現手法が広がっている。
まとめ
ラスタライズは「連続的／数学的表現をピクセルに変換する」処理であり、2D描画、フォントレンダリング、リアルタイム3Dレンダリング、印刷など幅広い分野で不可欠です。アルゴリズム的にはスキャンコンバージョン、エッジ関数、バリセントリック補間、各種アンチエイリアス手法などが鍵になります。パフォーマンスと画質のトレードオフを理解し、用途に応じてベクターを保持するか事前ラスタライズするかを適切に選ぶことが重要です。
参考文献
- Rasterisation — Wikipedia
- MDN Web Docs — WebGL
- Bresenham's line algorithm — Wikipedia
- Anti-aliasing — Wikipedia
- FreeType — Free and portable font rendering engine
- Microsoft ClearType Documentation
- Raster image processor — Wikipedia
- Mipmapping — Wikipedia
- OpenGL Rendering Pipeline Overview — Khronos
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