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光学大杂烩

分辨率与像素的关系

时间:2019/4/9 21:38:08   作者:郑士利   来源:正势利   阅读:205   评论:0
内容摘要:什么是像素?简单的说,我们通常所说的像素,就是CCD/CMOS上光电感应元件的数量,一个感光元件经过感光,光电信号转换,A/D转换等步骤以后,在输出的照片上就形成一个点,我们如果把影像放大数倍,会发现这些连续色调其实是由许多色彩相近的小方点所组成,这些小方点就是构成影像的最小单位“像素”(Pixel)。像素分为CCD像...

什么是像素?
        简单的说,我们通常所说的像素,就是CCD/CMOS上光电感应元件的数量,一个感光元件经过感光,光电信号转换,A/D转换等步骤以后,在输出的照片上就形成一个点,我们如果把影像放大数倍,会发现这些连续色调其实是由许多色彩相近的小方点所组成,这些小方点就是构成影像的最小单位“像素”(Pixel)。 
        像素分为CCD像素和有效像素,现在市场上的数码相机标示的大部分是CCD的像素而不是有效像素。

什么分辨率?
        说到像素就不得不说说分辨率了。因为两者密不可分!
        所谓的“分辨率”指的是单位长度中,所表达或撷取的像素数目。和像素一样,分辨率也分为很多种。
其中最常见的就是影像分辨率,我们通常说的数码相机输出照片最大分辨率,指的就是影像分辨率,单位是ppi(Pixel per Inch)。
        打印分辨率也是很常见的一种,顾名思义,就是打印机或者冲印设备的输出分辨率,单位是dpi(dot per inch)。
        显示器分辨,就是Windows桌面的大小。常见的设定有640×480、800×600、1024×768…等。屏幕字型分辨率:PC的字型分辨率是96dpi,Mac的字型分辨率是72dpi。 
当然还会有其他输出设备的分辨率。由于种类繁多,在此就不详细说明了,有兴趣的朋友可以自己去网上搜索一下。

影像分辨率和像素的关系
        说完了像素和分辨率的定义,让我们来看看两者的关系。细心的朋友也许已经发现,像素和分辨率是成正比的,像素越大,分辨率也越高。让我们来举例说明!
        通常来说200万像素的数码相机,最大影像分辨率是1600×1200=192万像素,也就是说,实际的有效像素就是192万。通常所说的300万像素的数码相机,最大影像分辨率是2048×1536=3145728像素,也就是说有效像素为314万。其他像素级的数码相机,其分辨率和有效像素的换算也是如此。 可以看出,像素越高,最大输出的影像分辨率也越高。

数码相机的分辨率
         我们在购买数码相机时,分辨率是一个很重要的指标。早年的数码相机分辨率很低,如CASIO的QV-10不到10万像素(320X240)、18万像素的KODAK DC20(493X373)其分辨率还比不上现在的摄像手机和摄像头。经过近十年的发展,数码相机的分辨率不断增高,目前已经超过1千万像素。
        例如A70相机设置为2048*1536*16M来说,这就是300万像素。2048X1536就是说在宽度方向有2048个像素,在高度方向有1536个像素。2048X1536=3145728,我们就称其为300万像素(因为1K=1024,1M=1048576)。而后面的16M是指颜色深度。每个像素是有颜色的,而每像素的颜色用3个BYTE来记录,分别是红,绿,蓝。每BYTE可以记录256个层次,因此共可记录256X256X256=16777216种不同的颜色,即16M,也称为24位颜色深度。因此,如果按RGB颜色记录一个2048X1536像素的图像文件,就要2048X1536X3=9437184个BYTE,即9MB,再加上文件头等其他信息,最终要大于9MB。
       不过数码相机平时多数用JPG格式,这是一种有失真的,压缩比较大的图像文件格式,一般情况下,2048X1536像素的JPG文件根据其压缩比的不同文件尺寸也不同,大约在1-2MB左右。同样也可以计算出1600X1200X16M等其他像素的文件大小。
        由此可见,2048X1536X16M与1600X1200X16M的照片,包含的像素点是不一样的,也就是说其信息含量是不一样的。如果用同样的输出分辨率来打印照片,得到的照片大小是不一样的,反过来,如果输出同样大小的照片,照片上单位长度里的像素点数是不一样的,也就是照片的细腻程度是不一样的。

打印机和数码冲印
        从上面的讨论中我们可以看出,数码相机的分辨率并非真正的分辨率(Resolution),而是像素数(Pixel)。这个分辨率与打印或者数码冲印出来的照片质量并无直接的关系。决定照片质量的是打印机或者数码冲印设备的输出分辨率。
        打印机的分辨率是指在打印输出时水平和垂直方向上每英寸最多能够打印的点数dpi(dot per inch)。而数码冲印这一类的打印输出设备的分辨率称为ppi(pixel per inch)。打印输出的分辨率越高,产生的点的尺寸就越小,打印出来的图像就越细腻。
        同时我们要注意到,同样像素数的图像文件在打印输出的时候,打印分辩率越高,则输出的图像就越校如同样是一个2560X1920像素的图像文件,用300ppi的分辩率打印输出,可以得到一张8.5X6.4英寸(即10英寸)照片,而用150ppi的分辨率时,就可以得到15X12.8英寸(即20英寸)的照片。
        如果以2048X1536X16M,1600X1200X16M,1024X768X16M三种分辨率的照片同样数码冲洗成5寸照片,效果会相差多少呢?
        回答这个问题,首先要考虑数码输出设备的分辨率是多少。5英寸的照片的长和宽分别为5和3.5英寸。如果用富士Frontier 冲印设备的最高分辨率(大约300ppi)来输出。5英寸照片要求的像素是1500X1050。也就是说,2048X1536X16M和1600X1200X16M的照片冲印出来的效果是完全没有区别的。即使用1024X768的照片来冲印,效果也差些也是有限的。如果用150ppi的分辨率(这是一般要求下可以接受的分辨率)来输出,上述三种分辨率的照片冲洗效果将毫无区别。
        我们可以说,只有在冲洗大尺寸的照片时,高分辨率才是有意义的。如果只是冲洗5寸、6寸之类的较小的照片时,大分辨率的照片是显示不出优势来的。
        这里顺便简单地说一说ppi与dpi是两个概念的区别。ppi是关于图像细节的,是指每英寸有多少个像素,而dpi是输出设备的物理能力,对打印机来说就是每英寸打多少个点。现在一般的激光打印机都可以有600dpi的打印分辨率。但是,打印机打印出来的点是没有灰阶的,也就是说只有黑(有点)和白(无点)两种情况。在打印文字或者类似线条图形之类的黑白两值图时,是没有问题的。在打印有灰阶的照片图像时,就不一样了。此时,一般要采用抖动算法,以密度来代替灰度。在这种情况下,一个有灰阶的“像素”就要用许多无灰阶的“点”的组合来表示。在这个组合中黑点越多,就表示这个像素颜色深,越接近于黑色,反之,则表示颜色淡。因此,打印机的dpi虽然很高,但是打印输出图像时的ppi实际上要小得多。

显示器的分辩率
        如果2048X1536X16M,1600X1200X16M,1024X768X16M这3种分辨率的照片同样以1024X768(显示器的分辨率)来显示的话,会有什么不同吗?
        说到这个问题,就得谈一谈显示器的分辨率。与数码相机一样,我们所说的显示器分辩率在物理意义上并不是分辩率,而是像素点,也就是指的是屏幕上所能显示的基本像素点的数目。随着显示器技术的发展,显示器的分辩率也越来越高。从早年的CGA(320X200)到EGA(640X400)、VGA(640X480)到目前普遍采用的1024X768。在显示器上显示的图像和字符也越来越精细,质量也越来越高。
        如果要说真正意义上的分辨率,就不仅与显示模式有关,而且与显示器的尺寸有关。以1024X768的情况来说,如果是15英寸的显示器,其对角线为15英寸,宽与高之比为4:3,因此,其宽度是12英寸。其分辨率应该是每英寸85点左右。而对20英寸的显示器而言,分辨率为每英寸64点。屏幕尺寸大时分辨率反而小了?这并不奇怪,因为屏幕尺寸大了,就可以支持更多的像素模式。如屏幕尺寸为20英寸时,就可有1600X1200或者1920X1440等。
       在1024X768分辨率的显示器上,1024X768的照片在100%显示时也可以看到全幅,而2048X1536X16M和1600X1200X16M分辨率的照片在100%显示时就无法看到全幅了。你可以以较小的百分比(如50%)来显示。或者用100%显示,但此时你只能看到一部分,用上下左右移动照片的办法来看其他部分。
扫描仪分辨率
       下面再谈谈扫描仪的分辨率。在对扫描质量的评价中,扫描仪的分辨率是一个十分重要的因素。分辨率是指进行数字化时所得到的信息数量或者密度。扫描仪的分辨率也分光学分辨率和内插分辨率。
        作为扫描仪的指标,光学分辨率是指扫描仪的光学系统可以进行扫描采样的最高信息密度(即单位长度内得到的像素数);而内插分辨率则是进行插值运算后得到的分辨率。很显然,对一台扫描仪的分辨率评价,最重要的是其光学分辨率(就像DC镜头的光学变焦倍数是最重要的,数码变焦只是一种伪变焦而已)。
       在扫描时,具体的扫描分辨率是可以设定的。用高分辨率扫描得到的信息量大,同时产生的文件尺寸也大。因此,并不是把扫描分辨率设定得越高越好的,一般要根据以后打印输出的需要来设定扫描分辨率。
镜头的分辨率
        最后,还得要说一说镜头的分辨率。分辨率是判断镜头好坏的一个重要指标,一般用单位距离里能分辨的线对数(如每毫米线对数lp/mm)来表示。镜头的分辨率一定程度上决定了被摄物通过镜头成像后的清晰程度。
        要说分辨率,首先要搞清楚什么才算是能分辨的,什么不能是分辨的。在光学上有一个标准,称为瑞利判据。我们知道,任何镜头都存在像差,物体上的一点,通过镜头成像后并不是一点,而是一个分布,也称为弥散园。在物体上的很接近的两点如果本来是能分辨的,成像之后就有可能变成不能分辨了。这就引起了像的模糊。
        根据瑞利判据,如果两点之间的光强不超过最大光强的81.1%,我们就能感觉到这两点中间有一个暗区,这两点就是可以分辨的。否则,这两点就会连成一片,我们无法分别这是两点还是一点。这就是不能分辨。因此,我们说瑞利判据是决定分辨率的依据。尽管这个判据实际上的根据经验而不是根据理论得到的,但这是在光学中受到普遍承认的。
        显然,镜头的像差大小决定了弥散园的大校好的镜头像差较小,分辩率就高,反之反分辨率就低。另外,必须指出,即使在没有像差的理想情况下,由于光的衍射现象的存在,物上一点所成的像也是一个弥散光斑,此时称为爱里斑。爱里斑的大小与光的波长和通光口径有关。可以从理论上推出,爱里斑的直径是 1.22λ/d,其中λ是光的波上,d是通光口径的直径。在某些特定的场合下,对分辨率要求非常高的情况下,爱里斑影响分辨率就不可忽视。如在亚微米大规模集成电路制版光刻工艺中,采用的曝光波长越来越短就是出于这个考虑。












 




出处:正势利工作室

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