DPI とデバイスに依存しないピクセル

[アーティクル]
05/25/2023

Windows グラフィックスを効果的にプログラムするには、次の 2 つの関連概念を理解する必要があります。

ドット/インチ (DPI)
デバイスに依存しないピクセル (DIP)。

DPI から始めましょう。これには、タイポグラフィへの短い回り道が必要になります。文字体裁では、型のサイズはポイントと呼ばれる単位で測定されます。 1 ポイントは 1/72 インチです。

1 pt = 1/72 インチ

手記

これは、ポイントのデスクトップ公開定義です。歴史的に、ポイントの正確な尺度はさまざまです。

たとえば、12 ポイントのフォントは、テキストの 1/6" (12/72) 行内に収まるように設計されています。明らかに、これはフォント内のすべての文字が正確に1/6"の高さであることを意味するわけではありません。実際、一部の文字は 1/6 より高い可能性があります。たとえば、多くのフォントでは、文字 Å はフォントの標準の高さよりも高くなります。正しく表示するには、フォントのテキスト間に追加のスペースが必要です。このスペースは、の先頭と呼ばれます。

次の図は、72 ポイントのフォントを示しています。実線には、テキストの周囲に高さ 1 インチの境界ボックスが表示されます。破線は、ベースラインと呼ばれます。フォントのほとんどの文字は、ベースライン上に残ります。フォントの高さは、ベースラインの上の部分 (の上昇) とベースラインの下の部分 (降下) を含みます。ここに示すフォントでは、上昇は 56 ポイント、降下は 16 ポイントです。

72 ポイントのフォントを示す図をします。

ただし、コンピューターディスプレイに関しては、ピクセルがすべて同じサイズではないため、テキストサイズの測定に問題があります。ピクセルのサイズは、ディスプレイの解像度とモニターの物理サイズの 2 つの要因によって異なります。したがって、物理インチとピクセルの間に固定の関係がないため、物理インチは有用な尺度ではありません。代わりに、フォントは論理単位単位で測定されます。 72 ポイントのフォントは、1 つの論理インチの高さに定義されます。その後、論理インチはピクセルに変換されます。長年にわたり、Windows では次の変換が使用されています。1 つの論理インチは 96 ピクセルです。この倍率を使用すると、72 ポイントのフォントは高さ 96 ピクセルとしてレンダリングされます。 12 ポイントのフォントの高さは 16 ピクセルです。

12 ポイント = 12/72 論理インチ = 1/6 論理インチ = 96/6 ピクセル = 16 ピクセル

この倍率は、1 インチあたり 96 ドット (DPI) と記述されています。ドットという用語は、インクの物理的なドットが紙に置かれる印刷から派生します。コンピューターのディスプレイの場合、論理インチあたり 96 ピクセルと言う方が正確ですが、DPI という用語はスタックしています。

実際のピクセルサイズは異なるため、あるモニターで読み取り可能なテキストが別のモニターでは小さすぎる可能性があります。また、ユーザーの好みは異なります。大きなテキストを好む人もいます。このため、Windows ではユーザーが DPI 設定を変更できます。たとえば、ユーザーがディスプレイを 144 DPI に設定した場合、72 ポイントのフォントの高さは 144 ピクセルです。標準の DPI 設定は、100% (96 DPI)、125% (120 DPI)、150% (144 DPI) です。ユーザーはカスタム設定を適用することもできます。 Windows 7 以降では、DPI はユーザーごとの設定です。

DWM スケーリング

プログラムが DPI を考慮していない場合は、高 DPI 設定で次の問題が発生する可能性があります。

クリップされた UI 要素。
レイアウトが正しくありません。
ピクセル化されたビットマップとアイコン。
マウス座標が正しくありません。ヒットテスト、ドラッグアンドドロップなどに影響する可能性があります。

古いプログラムが高 DPI 設定で動作するように、DWM は便利なフォールバックを実装します。プログラムが DPI 対応としてマークされていない場合、DWM は DPI 設定に合わせて UI 全体をスケーリングします。たとえば、144 DPI では、UI は 150%(テキスト、グラフィックス、コントロール、ウィンドウサイズを含む) でスケーリングされます。プログラムによって 500 × 500 ウィンドウが作成された場合、ウィンドウは実際には 750 × 750 ピクセルとして表示され、それに応じてウィンドウの内容が拡大縮小されます。

この動作は、古いプログラムが高 DPI 設定で "動作する" ことを意味します。ただし、ウィンドウが描画された後にスケーリングが適用されるため、スケーリングによって外観がややぼやけてしまいます。

DPI 対応アプリケーション

DWM スケーリングを回避するために、プログラムはそれ自体を DPI 対応としてマークできます。これにより、DWM は自動 DPI スケーリングを実行しないように指示します。 DPI 認識により、より高い DPI 設定で UI の外観が向上するため、すべての新しいアプリケーションは DPI 対応に設計する必要があります。

プログラムは、アプリケーションマニフェストを通じて DPI 対応を宣言します。 マニフェスト は、DLL またはアプリケーションを記述する単なる XML ファイルです。マニフェストは通常、実行可能ファイルに埋め込まれますが、別のファイルとして提供できます。マニフェストには、DLL の依存関係、要求された特権レベル、プログラムが設計された Windows のバージョンなどの情報が含まれています。

プログラムが DPI 対応であることを宣言するには、マニフェストに次の情報を含めます。

<assembly xmlns="urn:schemas-microsoft-com:asm.v1" manifestVersion="1.0" xmlns:asmv3="urn:schemas-microsoft-com:asm.v3" >
  <asmv3:application>
    <asmv3:windowsSettings xmlns="http://schemas.microsoft.com/SMI/2005/WindowsSettings">
      <dpiAware>true</dpiAware>
    </asmv3:windowsSettings>
  </asmv3:application>
</assembly>

ここに示す一覧は部分的なマニフェストにすぎませんが、Visual Studio リンカーによってマニフェストの残りの部分が自動的に生成されます。プロジェクトに部分的なマニフェストを含めるには、Visual Studio で次の手順を実行します。

[プロジェクト ] メニューの [プロパティクリックします。
左側のウィンドウで、[構成プロパティ] 展開し、[マニフェストツール] 展開し、[入力] と [出力] クリックします。
[追加のマニフェストファイル ] テキストボックスにマニフェストファイルの名前を入力し、[OK] クリックします。

プログラムを DPI 対応としてマークすることで、DWM にアプリケーションウィンドウをスケーリングしないように指示します。 500 × 500 ウィンドウを作成すると、ユーザーの DPI 設定に関係なく、ウィンドウは 500 × 500 ピクセルを占有します。

GDI と DPI

GDI 描画はピクセル単位で測定されます。つまり、プログラムが DPI 対応としてマークされていて、GDI に 200 × 100 の四角形を描画するように要求した場合、結果の四角形の幅は 200 ピクセル、画面の高さは 100 ピクセルになります。ただし、GDI フォントサイズは現在の DPI 設定にスケーリングされます。つまり、72 ポイントのフォントを作成すると、フォントのサイズは 96 DPI で 96 ピクセル、144 DPI では 144 ピクセルになります。 GDI を使用して 144 DPI でレンダリングされる 72 ポイントフォントを次に示します。

gdi での dpi フォントのスケーリングを示す図をします。

アプリケーションが DPI 対応で、描画に GDI を使用する場合は、DPI に合わせてすべての描画座標をスケーリングします。

Direct2D と DPI

Direct2D では、DPI 設定に合わせてスケーリングが自動的に実行されます。 Direct2D では、座標はデバイスに依存しないピクセル (DIP) 呼ばれる単位で測定されます。 DIP は、論理インチの 1/96 分の 1 として定義されます。 Direct2D では、すべての描画操作が DIP で指定され、現在の DPI 設定にスケーリングされます。

DPI 設定	DIP サイズ
96	1 ピクセル
120	1.25 ピクセル
144	1.5 ピクセル

たとえば、ユーザーの DPI 設定が 144 DPI で、200 × 100 の四角形を描画するように Direct2D に依頼すると、四角形は 300 × 150 物理ピクセルになります。さらに、DirectWrite では、ポイントではなく、DIP のフォントサイズが測定されます。 12 ポイントのフォントを作成するには、16 個の DIP (12 ポイント = 1/6 論理インチ = 96/6 DIP) を指定します。テキストが画面に描画されると、Direct2D は DIP を物理ピクセルに変換します。このシステムの利点は、現在の DPI 設定に関係なく、テキストと描画の両方で測定単位が一貫していることです。

注意が必要です。マウスとウィンドウの座標は、DIP ではなく物理ピクセルで引き続き指定されます。たとえば、WM_LBUTTONDOWN メッセージを処理する場合、マウスの下の位置は物理ピクセル単位で指定されます。その位置にポイントを描画するには、ピクセル座標を DIP に変換する必要があります。

物理ピクセルを DIP に変換する

DPI の基本値は、96 に設定 USER_DEFAULT_SCREEN_DPI として定義されます。倍率を決定するには、DPI 値を取り、USER_DEFAULT_SCREEN_DPIで除算します。

物理ピクセルから DIP への変換では、次の式を使用します。

DIPs = pixels / (DPI / USER_DEFAULT_SCREEN_DPI)

DPI 設定を取得するには、GetDpiForWindow 関数を呼び出します。 DPI は浮動小数点値として返されます。両方の軸の倍率を計算します。

float g_DPIScale = 1.0f;

void InitializeDPIScale(HWND hwnd)
{
    float dpi = GetDpiForWindow(hwnd);
    g_DPIScale = dpi / USER_DEFAULT_SCREEN_DPI;
}

template <typename T>
float PixelsToDipsX(T x)
{
    return static_cast<float>(x) / g_DPIScale;
}

template <typename T>
float PixelsToDipsY(T y)
{
    return static_cast<float>(y) / g_DPIScale;
}

Direct2D を使用していない場合は、DPI 設定を取得する別の方法を次に示します。

void InitializeDPIScale(HWND hwnd)
{
    HDC hdc = GetDC(hwnd);
    g_DPIScaleX = (float)GetDeviceCaps(hdc, LOGPIXELSX) / USER_DEFAULT_SCREEN_DPI;
    g_DPIScaleY = (float)GetDeviceCaps(hdc, LOGPIXELSY) / USER_DEFAULT_SCREEN_DPI;
    ReleaseDC(hwnd, hdc);
}

手記

デスクトップアプリでは、GetDpiForWindow 使用することをお勧めします。ユニバーサル Windows プラットフォーム (UWP) アプリの場合は、DisplayInformation::LogicalDpiを使用します。推奨されていませんが、SetProcessDpiAwarenessContextを使用して、既定の DPI 認識プログラムで設定できます。プロセスでウィンドウ (HWND) が作成されると、DPI 認識モードの変更はサポートされなくなりました。プロセスの既定の DPI 認識モードをプログラムで設定する場合は、HWND が作成される前に、対応する API を呼び出す必要があります。詳細については、「プロセスの既定の DPI 認識の設定」を参照してください。

レンダーターゲットのサイズを変更する

ウィンドウのサイズが変更された場合は、一致するようにレンダーターゲットのサイズを変更する必要があります。ほとんどの場合、レイアウトを更新してウィンドウを再描画する必要もあります。次のコードは、これらの手順を示しています。

void MainWindow::Resize()
{
    if (pRenderTarget != NULL)
    {
        RECT rc;
        GetClientRect(m_hwnd, &rc);

        D2D1_SIZE_U size = D2D1::SizeU(rc.right, rc.bottom);

        pRenderTarget->Resize(size);
        CalculateLayout();
        InvalidateRect(m_hwnd, NULL, FALSE);
    }
}

GetClientRect 関数は、クライアント領域の新しいサイズ (DIP ではなく物理ピクセル) を取得します。 ID2D1HwndRenderTarget::Resize メソッドは、レンダーターゲットのサイズ (ピクセル単位でも指定) を更新します。 InvalidateRect 関数は、クライアント領域全体をウィンドウの更新領域に追加して、強制的に再描画します。 (モジュール 1 の「ウィンドウの描画」を参照してください)。

ウィンドウが拡大または縮小されると、通常、描画するオブジェクトの位置を再計算する必要があります。たとえば、円プログラムでは、半径と中心点を更新する必要があります。

void MainWindow::CalculateLayout()
{
    if (pRenderTarget != NULL)
    {
        D2D1_SIZE_F size = pRenderTarget->GetSize();
        const float x = size.width / 2;
        const float y = size.height / 2;
        const float radius = min(x, y);
        ellipse = D2D1::Ellipse(D2D1::Point2F(x, y), radius, radius);
    }
}

ID2D1RenderTarget::GetSize メソッドは、レイアウトの計算に適した単位である、DIP (ピクセル単位ではない) でレンダーターゲットのサイズを返します。 ID2D1RenderTarget::GetPixelSize、物理ピクセル単位でサイズを返す、密接に関連するメソッドがあります。 HWND レンダーターゲットの場合、この値は GetClientRectによって返されるサイズ一致します。ただし、描画はピクセルではなく、DIP で実行されることを覚えておいてください。

次に

Direct2D で色を使用する

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DPI とデバイスに依存しないピクセル

DWM スケーリング

DPI 対応アプリケーション

GDI と DPI

Direct2D と DPI

物理ピクセルを DIP に変換する

レンダーターゲットのサイズを変更する

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DPI 対応アプリケーション

GDI と DPI

Direct2D と DPI

物理ピクセルを DIP に変換する

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