明明白白分辨率（上下）

杨玉琦、李欣
1999年 第46期 40版


　　分辨率是和图像处理有关的一个重要概念，它是衡量图像细节表现能力的技术参数。但分辨率的表示方法有很多，其含义也各不相同。因此，正确理解分辨率在各种情况下的具体含义，弄清不同表示方法之间的相互关系是很有必要的。本文着重对几种常见的图像输入/输出设备的分辨率作简要介绍，然后介绍不同分辨率的图像，在不同分辨率的图像输入/输出设备上，输入/输出图像时的特点及相互关系。
#1　　一、有关分辨率的几个概念
　　要准确把握和理解分辨率的含义，弄清楚下面的几个概念是很有必要的。
　　分辨率（Resolution）：包括设备分辨率、网屏分辨率、图形分辨率、扫描分辨率和位分辨率。
　　设备分辨率（Device Resolution）：又称输出分辨率，指的是各类输出设备每英寸上可产生的点数，如显示器、喷墨打印机、激光打印机、热蜡打印机、绘图仪的分辨率。这种分辨率通过DPI这个单位量来衡量，一般来讲，PC显示器的设备分辨率在60至120DPI之间。而打印设备的分辨率则在180至720DPI之间。
　　网屏分辨率（Screen Resolution）:又称网屏幕频率，指的是打印灰度级图形或分色所用的网屏上每英寸的点数。这种分辨率通过每英寸的行数（RPI）来标定。
　　图形分辨率（Image Resolution）:指的是图形中存储的信息量。这种分辨率有多种衡量方法，典型的是以每英寸的像素数（PPI）来衡量。图形分辨率和图形尺寸的值一起决定文件的大小及输出质量，该值越大图形文件所占用的磁盘空间也就越多。图形分辨率以比例关系影响着文件的大小，即文件大小与其图形分辨率的平方成正比。如果保持图形尺寸不变，将其图形分辨率提高一倍，则其文件大小增大为原来的四倍。图形分辨率也影响到图形在屏幕上的显示大小。如果在一台设备分辨率为72DPI的显示器上将图形分辨率从72PPI增大到144PPI（保持图形尺寸不变），那么该图形将以原图形实际尺寸的两倍显示在屏幕上。
　　扫描分辨率:指在扫描一幅图形之前所确定的分辨率，它将影响生成图形文件的质量和使用性能，它决定图形将以何种方式显示或打印。如果扫描图形用于640×480像素的屏幕显示，则扫描分辨率不必大于一般显示器屏幕的设备分辨率，即一般不超过120DPI。但大多数情况下，扫描图形是为以后在高分辨率的设备中输出而准备的。如果图形扫描分辨率过低，图形处理软件可能会用单个像素的色值去创造一些半色调的点，这会导致输出的效果粗糙。反之，如果扫描分辨率过高，则数字图形中会产生超过打印所需要的信息，不但减慢打印速度，而且在打印输出时就会使图形色调的细微过渡丢失。一般情况下，应使用打印输出的网屏分辨率、扫描和输出图形尺寸来计算正确的扫描分辨率。用输出图形的最大尺寸乘以网屏分辨率，然后再乘以网线数比率（一般为2：1），得到该图形所需像素总数。用像素总数除以扫描图形的最大尺寸即得到最优扫描分辨率，即：图形扫描分辨率=（输出图形最大尺寸×网屏分辨率×网线数比率）/扫描图形最大尺寸。
　　位分辨率（Bit Resolution）:又称位深，是用来衡量每个像素储存信息的位数。这种分辨率决定了每次在屏幕上可显示多少种色彩，一般常见的有8位、24位或32位色彩。有时我们也将位分辨率称为颜色深度。
#1　　二、几种图像输入/输出设备的分辨率
　　扫描仪、打印机、传真机、显示器、数码相机、投影机、电视、商务印刷等输入/输出设备以及鼠标、触摸屏等指示设备的分辨率有其各自的含义，弄清其含义，有利于我们选购和使用这些设备。读者必须注意，这里提到的分辨率指的是设备分辨率。
#1　　1.扫描仪、打印机、传真机和显示器的分辨率
　　对扫描仪、打印机、传真机以及显示器等硬件设备来说，其分辨率用每英寸上可产生的点数即DPI（Dots Per Inch）来度量。
　　扫描仪的分辨率要从三个方面来确定：光学部分、硬件部分和软件部分。也就是说扫描仪的分辨率等于其光学部件的分辨率加上其自身通过硬件及软件进行处理分析所得到的分辨率。光学分辨率是扫描仪的光学部件在每平方英寸面积内所能捕捉到的实际的光点数，是指扫描仪CCD的物理分辨率，也是扫描仪的真实分辨率，它的数值是由CCD的像素点除以扫描仪水平最大可扫尺寸得到的数值。分辨率为1200DPI的扫描仪，其光学部分的分辨率只占400～600DPI。扩充部分的分辨率（由硬件和软件所生成的）是通过计算机对图像进行分析，对空白部分进行科学填充所产生的（这一过程也叫插值处理）。光学扫描与输出是一对一的，扫描到什么，输出的就是什么。经过计算机软硬件处理之后，输出的图像就会变得更逼真，分辨率会更高。目前市面上出售的扫描仪大都具有对分辨率的软、硬件扩充功能。有的扫描仪广告上只写9600×9600DPI，这只是通过软件插值得到的最大分辨率，并不是扫描仪真正光学分辨率。所以对扫描仪来讲，其分辨率有光学分辨率（或称光学解析度）和最大分辨率之说。
　　我们说某台扫描仪的分辨率高达4800DPI（这个4800DPI是光学分辨率和软件差值处理的总和），是指用扫描仪输入图像时，在1平方英寸的扫描幅面上，可采集到4800×4800个像素点（Pixel）。1英寸见方的扫描区域，用4800DPI的分辨率扫描后生成的图像大小是4800Pixel×4800Pixel。在扫描图像时，扫描分辨率设得越高，生成的图像的效果就越精细，生成的图像文件也越大。
　　我们说某台打印机的分辨率为360DPI，是指在用该打印机输出图像时，在每英寸打印纸上可以打印出360个表征图像输出效果的色点。表示打印机分辨率的这个数越大，表征图像输出效果的色点就越小，输出的图像效果就越精细。对于大小固定的图像，打印机分辨率越大，打印出的图像尺寸就越小。打印机色点的大小只同打印机的硬件工艺有关，而与要输出图像的分辨率无关。
　　传真机兼有扫描（发送前）和打印（接收后）功能，在理解其分辨率时可参看扫描仪和打印机分辨率含义的相关部分。
　　我们说某个品牌的显示器的分辨率为80DPI，是指在显示器的有效显示范围内，显示器的的显像设备可以在每英寸荧光屏上产生80个光点。举个例子来说，一台14英寸的显示器（荧光屏对角线长度为14英寸），其点距为0.28mm，那么：显示器分辨率=25.3995mm/inch÷0.28mm/Dot≈90DPI（1 inch=25.3995mm）。显示器出厂时一般并不标出表征显示器分辨率的DPI值，只给出点距，我们根据上述公式即可算出显示器的分辨率。根据我们算出的DPI值，我们进而可以推算出显示器可支持的最高显示模式。假设该14英寸显示器荧光屏有效显示范围的对角线长度为11.5英寸，因显示器的水平方向和垂直方向的显示比例为4：3，故可设有效显示范围水平宽度为4X英寸，垂直高度为3X英寸，根据数学上的勾股定理，可得X=11.5÷5=2.3英寸。所以有效显示范围宽度为2.3×4=9.2英寸，垂直高度为2.3×3=6.8英寸。最高显示模式约为：800（9.2×90）×600（6.8×90），这时是用一个点（Dot）表示一个像素（pixel）。
　　上面主要讲述了扫描仪、打印机、传真机和显示器的设备分辨率。严格来讲，设备分辨率与用该设备处理的图像的分辨率是两个既有联系又有区别的概念。设备分辨率是由硬件设备的生产工艺决定的，尽管可以通过软件的方法调整有些设备的分辨率，但它们都有一个局限性很大的最高分辨率，用户不能对它有任何突破。在描述和理解设备分辨率时，我们必须借助其处理的图像的分辨率。图像的分辨率是描述图像本身精细程度的一个量度。对于扫描仪、打印机、传真机处理的图像，其分辨率以每英寸上的像素数即PPI（Pixels Per Inch）来衡量。用于计算机视频处理的图像，以水平和垂直方向上所能显示的像素数来表示分辨率，比如800×600、640×480等等。图像本身是否精细只与图像自身的分辨率有关，而与处理它的硬件设备的分辨率无关，但图像的处理结果是否精细却与处理它的设备的分辨率直接相关。举例来说，一幅90PPI的图像是比较精细的了，如果将它放在分辨率为40DPI的打印机上打印，打印效果也是相当糟糕的。对扫描仪来讲，其分辨率的高低与生成图像的精细程度成正比，但其分辨率只能为图像分辨率给出一个初始值（这个PPI值与扫描仪的分辨率的DPI的值是相等的），并不对图像的分辨率产生限制，我们可以用软件任意调整扫描生成的图像的分辨率（如^464001a^1、^464001b^2所示）。另外，需要注意的是，我们通常说一幅640×480的图像，说的是图像的大小，其中并不包括图像分辨率的含义。
#1　　2.数码相机的分辨率
　　数码相机分辨率的高低决定了所拍摄影像最终所能打印出高质量画面的大小，或在计算机显示器上所能显示画面的大小。数码相机分辨率的高低，取决于相机中CCD（Charge Coupled Device:电荷耦合器件）芯片上像素的多少，像素越多，分辨率越高。由此可见，数码相机的分辨也是由其生产工艺决定的，在出厂时就固定了的，用户只能选择不同分辨率的数码相机，却不能调整一台数码相机的分辨率。就同类数码相机而言，分辨率越高，相机档次越高，但高分辨率的相机生成的数据文件很大，对加工、处理的计算机的速度、内存和硬盘的容量以及相应软件都有较高的要求。
　　数码相机像素水平的高低与最终所能打印一定分辨率照片的尺寸，可用以下方法简单计算：假如彩色打印机的分辨率为N DPI ，数码相机水平像素为M，最大可打印出的照片为M÷N英寸。比如，打印机的分辨率为300DPI，水平像素为3600的数码相机所摄影像文件不作插值处理所能打印出的最大照片尺寸为12英寸（3600÷300）。很显然，要打印得到的数码照片的尺寸越大，就需要有更高像素水平的数码相机。计算显示尺寸的方法与打印尺寸的方法相同。
#1　　3.投影机的分辨率
　　投影机的分辨率常见的有两种表示方式，一种是以电视线（TV线）的方式表示，另外是以像素的方式表示。以电视线表示时，其分辨率的含义与电视相似，这种分辨率表示方式主要是为了匹配接入投影机的电视信号而提供的。以像素方式表示时通常表示为1024×768等形式，从某种意义上讲这种分辨率的限制是对输入投影机的VGA信号的行频及场频作一定要求。当VGA信号的行频或场频超过这个限制后，投影机就不能正常投显了。有关行频、场频与分辨率的关系读者可参看有关资料，这里不再赘述。
#1　　4.商业印刷领域的分辨率
　　在商业印刷领域，分辨率以每英寸上等距离排列多少条网线即LPI（Lines Per Inch）表示。在传统商业印刷制版过程中，制版时要在原始图像前加一个网屏，这一网屏由呈方格状的透明与不透明部分相等的网线构成。这些网线也就是光栅，其作用是切割光线解剖图像。由于光线具有衍射的物理特性，因此光线通过网线后，形成了反映原始图像影像变化的大小不同的点，这些点就是半色调点。一个半色调点最大不会超过一个网格的面积，网线越多，表现图像的层次越多，图像质量也就越好。因此商业印刷行业中采用了LPI表示分辨率。
#1　　5.电视的分辨率
　　在电视工业中，分辨率指的是在荧光屏等于像高的距离内人眼所能分辨的黑白条纹数，单位是电视线（TV线）。
　　我们国家采用的电视标准是PAL制式，它规定每秒25帧，每帧625扫描行。由于采用了隔行扫描方式，625行扫描线分为奇数行和偶数行，这分别构成了每一帧的奇、偶两场，由于在每一帧中电子束都要从上面开始扫描，因此存在着电子束从终点回到起点的扫描逆程期，在这期间被消隐的扫描行是不可能分解图像的。扫描逆程期约占整个扫描时间的8％，因此625行中用于扫描图像的有效行数只有576行，由此推导出图像在垂直方向上的分辨率为576点。按现行4∶3宽高比的电视标准，图像在水平方向上的分辨率应为576×4/3=768点，这就得到了768×576这一常见的图像大小。另外，在计算机视频捕捉时，我们还会遇到遵循CCIR601标准的PAL制式图像尺寸，其大小为720×576。对于我们还能接触到的NTSC制式来讲，它规定每秒30帧，每帧525行，同样采用了隔行扫描方式，每一帧由两场组成，其图像大小是720×486。
#1　　6.鼠标的分辨率
　　鼠标的分辨率是指每移动一英寸能检测出的点数，分辨率越高，质量也就越高。以前鼠标的分辨率通常为100DPI，现在的鼠标分辨率从200DPI到400DPI不等。高分辨率的鼠标通常用于制图和精确计算机绘图等。
#1　　7.触摸屏的分辨率
　　触摸屏的分辨率是指将屏幕分割成可识别的触点数目。通常用水平和垂直方向上的触点数目来表示，如32×32。有的人认为触摸屏的分辨率越高越好，其实并非如此，在选用触摸屏时应根据具体用途加以考虑。采用模拟量技术的触摸屏分辨率很高，可达到1024×1024，能胜任一些类似屏幕绘画和写字（手写识别）的工作。而在多数场合下，触摸技术的应用只是让人们用手触摸来选择软件设计的“按钮”，没有必要使用如此高的分辨率。例如在14英寸显示器上使用触摸屏时，显示区域的实际大小一般是25cm×18.5cm，一个分辨率为32×32的触摸屏就能把屏幕分割成1024个0.78cm×0.58cm（比一支香烟还细小）的触点。人的手指按压触摸屏的触点比香烟的直径大多了，所以这样一个触点就已经足够了。
#1　　三、点（Dot）与像素（Pixel）的区别
　　DPI中的点（Dot）与图像分辨率中的像素（Pixel）是容易混淆的两个概念， DPI中的点可以说是硬件设备最小的显示单元，而像素则既可是一个点，又可是多个点的集合。在扫描仪扫描图像时，扫描仪的每一个样点都是和所形成图像的每一个像素相对应的，因此扫描时设定的DPI值与扫描形成图像的PPI值是相等的，此时两者可以划等号。但在许多情况下，两者的区别是相当大的。比如，分辨率为1 PPI的图像，在300DPI的打印机上输出，此时图像的每一个像素，在打印时都对应了300×300点。在计算机显示器的运用上也存在类似问题，比如12英寸显示器的有效显示区域约200mm×160mm，如果荧光屏的光点直径为0.31mm，通过换算可知荧光屏上最大可显示的光点数为640（200÷0.31）×480（160÷0.31），相应的分辨率为80DPI。这个80DPI是这样来的：640Dot÷（200mm÷25.3995mm/Inch）≈80Dot/Inch或者 480Dot÷（160mm÷25.3995mm/Inch）≈80Dot/Inch 。
　　在这种情况下，显示卡的显示模式最高可设置为640×480，这时1 Pixel由1 Dot组成。如把显示卡的显示模式调整为320×200，在显示一幅320×200的图像时，一个像素就要对应于四个光点。
#1　　四、图像分辨率的作用
　　表示图像分辨率的方法有很多种，这主要取决于不同的用途。下面所要探讨的，就是在各种情况下分辨率所起的作用，以及它们相互间的关系。
#1　　1.平面设计中分辨率的作用
　　在平面设计中，图像的分辨率以PPI来度量，它和图像的宽、高尺寸一起决定了图像文件的大小及图像质量。比如，一幅图像宽8英寸、高6英寸，分辨率为100PPI，如果保持图像文件的大小不变，也就是总的像素数不变，将分辨率降为50PPI，在宽高比不变的情况下，图像的宽将变为16英寸、高将变为12英寸。打印输出变化前后的这两幅图，我们会发现后者的幅面是前者的4倍，而且图像质量下降了许多。那么，把这两幅变化前后的图送入计算机显示器会出现什么现象呢？比如，将它们送入显示模式为800×600的显示器显示，我们会发现这两幅图的画面尺寸一样，画面质量也没有区别。对于计算机的显示系统来说，一幅图像的PPI值是没有意义的，起作用的是这幅图像所包含的总的像素数，也就是前面所讲的另一种分辨率表示方法：水平方向的像素数×垂直方向的的像素数。这种分辨率表示方法同时也表示了图像显示时的宽高尺寸。前面所讲的PPI值变化前后的两幅图，它们总的像素数都是800×600，因此在显示时是分辨率相同、幅面相同的两幅图像。读者不妨尝试一下这个例子。
#1　　2.印刷输出时分辨率的作用
　　在计算机中处理的图像，有时要输出印刷。在大多数印刷方式中，都使用CMYK（品红、青、黄、黑）四色油墨来表现丰富多彩的色彩，但印刷表现色彩的方式和电视、照片不一样，它使用一种半色调点的处理方法来表现图像的连续色调变化，不像后两者能够直接表现出连续色调的变化。为了方便理解半色调点的处理方法，我们下面都以黑白照片的处理加以分析。用放大镜仔细观察报纸上的照片，可以发现这些照片都是由黑白相间的点构成的，而且由于点的大小有所不同使照片表现出了黑白色调的变化。那么，这些大小不同的点是怎样形成的呢？这个问题的答案可从传统的印刷制版过程原理中找到。根据印刷行业的经验，印刷上所有的LPI值与原始图像的PPI值有这样的关系，即：PPI值=LPI值×2×印刷图像的最大尺寸÷原始图像的最大尺寸。
　　一般说来，只有遵循这一公式，原始图像才能在印刷中得到较好地反映。印刷中采用的LPI值较为固定，通常报纸印刷采用75LPI，彩色印刷品使用150LPI或175LPI，因此在1∶1印刷的情况下，针对不同用途，原始图像的分辨率应分别是150PPI、300PPI和350PPI。实际上，我们常用的桌面打印机也大多采用了半色调点的处理方法，上述公式同样也是适用的，但在打印过程中它们并没有使用一个物理网屏，而是靠数学计算来实现半色调点的处理。在这些打印机中产生的一个半色调点，要靠许多打印点来组成，显然构成一个半色调点的打印点越多，它所能表现的灰度变化范围就越大。比如要模拟256级灰度变化，就需要有16×16=256个打印点构成一个半色调点。但从另一方面看，对于常用的360DPI的打印机来说，此时的行屏幕也就是网线仅为360/16=22.5行，这使得打印图像中的行十分明显，同样影响了图像质量。为此，大多数打印机采用了8×8的半色调图案，相应的行屏幕为45LPI。通过公式可算出，对于这些打印机来说，打印图像的分辨率应为90PPI。
#1　　3.电视工业中分辨率的作用
　　在电视工业中，分辨率分为水平分辨率和垂直分辨率，在大多数情况下两者是相等的，因此在技术指标中一般仅给出水平分辨率，其度量单位电视线也往往简称为线。从前面的定义中可知，这种分辨率是以人眼的感觉为标准的，因此要靠大量的实验统计才能得出。按我们国家现行的电视标准，宽高比为4∶3，扫描行数为625行。去掉扫描逆程期，有效扫描行数是576行，相应的有效像素为768×576（720×576），因此768×576（720×576）也是电视图像与数字图像相互转换的标准。但此时的分辨率也可说是电视系统的极限分辨率，为625×0.7=438线。
　　由此也可看出，有效像素数与分辨率中的黑白条纹数并不是1∶1的对应关系。影响分辨率的因素有很多，通常以电视设备中亮度信号的频带宽度×80线/MHz来估算分辨率的大小。比如，我们广泛使用的视频捕捉卡，其模拟信号的带宽最好的也就是5MHz，因此其分辨率也就是400线。电视设备的分辨率总的来说是较低的，家用VHS型录像机的分辨率仅略高于250线，电视机与计算机显示器也无法相提并论，电视机的点距（相当一光点直径）一般为0.6mm～0.8mm，其DPI值在40以下，一台29英寸电视机的分辨率仅在410线左右。值得一提的是，某些国外厂家在电视机产品宣传中声称水平分辨率达到800线，这纯属无稽之谈。如果一幅电视图像要硬拷贝输出，几乎所有软件都将其相应的数字图像的分辨率设为72PPI，这也从另一方面说明了电视图像的质量水平。
　　总的说来，设备分辨率反映了硬件设备处理图像时的效果，图像分辨率指标的高低反映了图像清晰度的好坏。认清设备分辨率和图像分辨率的关系，在图像处理中选择合适的设备分辨率值和图像分辨率值，既能保证图像质量，又能提高工作效率和减少投资。在工作中我们应注意积累这方面的经验。