浅析分辨率、DPI、PPI及其他

1. 显示分辨率

　　　设备分辨率（Device Resolution）又称输出分辨率、显示分辨率（特指于显示设备）、打印机的像素级分辨率等，指的是各类输出设备每英寸上可产生的像素数。值得注意的是，此处我们没有采用“打印分辨率”这个名词，而是说打印机的“像素级分辨率”。这是因为，我们认为，打印机的分辨率可以分为“像素级分辨率”和“墨点级分辨率”，下文详解。

         设备分辨率由PPI（pixels per inch）来度量。一般地，电脑显示器的设备分辨率在60至120 PPI之间。值得注意的是，电脑操作系统，无论是在Windows、Linux还是在Mac上，都有调整“显示分辨率”的功能。不过其分辨率单位是以1024 X 768这种格式给出的。1024指显示器在水平方向上有1024个像素，768指显示器在竖直方向上有768个像素。这是一种不标准但是容易让低端用户上手的分辨率表示法。尽管如此，我们可以轻易地将1024 X 768 换算成PPI单位，只要知道显示器的宽度、高度和纵横比。

         例1：假设显示器的屏幕大小为14英寸，即对角线长度为14英寸，且纵横比为3:4，则水平方向长度为14*(4/5)=11.2英寸，从而显示分辨率1024/11.2 = 91.4 PPI。

         另一个值得注意之处是，近几年智能手机的屏幕分辨率似乎远高于120 PPI。

         例2：以4英寸屏幕，纵横比16:9，显示点数为1136 X 640的iphone5手机来说，其屏幕高度为4/18.4*16=3.5英寸，则显示分辨率为1136/3.5=325 PPI。这样的分辨率实际已经超过人眼所能分辨的最高分辨率254PPI，再高也不会带来视觉效果的提升。

2. DPI和PPI的区别  

         DPI（dots per inch）是一个专属于打印机的墨点级分辨率单位，其意指每英寸所打印的墨点的数目。打印机输出的每个像素都是由若干个不同颜色的墨点拼合而成的。可以认为墨点是更小的像素，称为子像素。[2011andrew]

         例3：一台1200 DPI的打印机（当然打印机的分辨率是可调整的）将在1英寸的地方打出1200个墨点。如果操作员设定的像素级分辨率是300PPI，则每个像素将由16个墨点组成（1200 DPI x 1200 DPI / 300 PPI x 300 PPI）。

         尽管DPI的严格定义正如上文所述，但是在数码产品领域，很多人还是不规范地混用了DPI和PPI。正如例2中的手机屏幕分辨率，很多人说iphone5手机屏幕分辨率为325 DPI，其实应该是325 PPI。
         通常情况下我们认为600 DPI x 600DPI以上的图像, 在普通纸上按照更高打印精度(如：4800 DPI x 1200 DPI)的打印是没有意义的。例如，现在HP喷墨打印机最高标称分辨率是4800 DPI x 1200 DPI，这意味着在纸张的横向上，每一英寸长度上理论上可以放置4800个墨点。但是如果真的在普通介质的一英寸上放置全部的4800个墨点，会发生什么情况呢？纸张对墨水的吸收过饱和，墨水连成一片，反而使分辨率下降。所以"理论"点数，是指打印机能够达到的能力极限，但是实现起来需要依靠纸张的配合。采用专用纸张才能达到更好的性能。在每个英寸上放置更多的独立墨点，如果使用纸张不能支持选定的最高分辨率，就会出现相邻的墨点交融联成一片的情况，从而影响打印效果。所以在新的HP DeskJet打印机中（例如HP DeskJet5550等），若用户不选择专用纸张，为了保证打印效果，打印机是不会按照最高分辨率打印的。[2013myexception]

3. 图像分辨率是个伪概念

         图像分辨率（Image Resolution）是个伪概念，因为分辨率并不是一个位图（bitmap）的固有属性。图像的固有属性是像素值，即其横向有多少像素，纵向有多少像素。值得澄清的是，图像的像素值决定了图像的文件大小（注意，文件大小是指其占据的硬盘空间，而非物理尺寸），这对于计算机行业的人来说简直就是常识[2007韬而慧]。网络上常常有人说，图像的分辨率决定了图像的文件大小，这犯了两个错误。一，分辨率不是图像的固有属性。二，决定图像文件大小的是图像的像素值。

4. 像素可以是长方形的吗？

         像素可以是方形的或者长方形的。像素块也有纵横比（aspect ratio），用于表述像素有多方。例如1.25:1的纵横比表示每个像素的宽度是其高度的1.25倍。[维基百科]

5. 像素密度（感光元件分辨率）

         像素密度（pixel density），即相机的感光元件分辨率。若相机感光元件的材质是CMOS，则感光元件分辨率也被简称为CMOS分辨率；若相机感光元件的材质是CCD，则感光元件分辨率也可简称为CCD分辨率。像素密度的计算公式为：

         像素密度 = 像素数/感光元件面积

         光敏单元尺寸 = 感光元件面积/像素数 = 1/像素密度

显然，我们可以得出如下结论：

         同样的感光原件面积，像素越高，像素密度就越大；

    　　同样的像素密度，像素越高，感光原件面积就越大。

6. 像素密度大的坏处

   　　 像素密度越低，越有利于相机噪点控制，其成像质量也就越优秀；像素密度越高，像素点与像素点间隔缩小，像素点之间相互干扰，最终导致高像素数码相机成像质量变差。普通小DC为什么像素总数提高了，图片质量提高不明显呢？其中一个原因就是像素总数虽然提高了，但感光原件的面积没有增加，像素密度增加带来的像素劣化影响了图像的成像质量。为了保证成像图像尺寸，保证像素不会减少，较好的方案就是使用大元件感光原件。目前的单反常见的有4-3系统、APS-C幅面和全幅面。尺寸都比小DC大得多，这也就是为什么单反要比小DC成像更优秀的原因所在。但大面积感光元件带来的情况是：体积相对更大，重量增加，成本提高，因此更多的是用于单反。

　　影响数码相机成像质量的因素有很多，其中，数码相机感光元件的光敏单元尺寸对成像的影响是很大的。光敏单元的尺寸越大，感光元件对光线也就越敏感，产生的信号噪音就越小，对高光和阴影部分的再现就会更优异，对比度也更高。而在有限的感光元件面积上增加过多的光敏单元，会导致光敏单元过小而带来图像信噪比降低、感光度降低等问题。那么，怎么才能知道光敏单元的尺寸大小呢？我们知道，数码相机拍摄图像的像素数等于相机内CCD感光元件上光敏单元的数量，因此，如果像素数相同，数码相机使用的感光元件尺寸大的光敏单元的个体尺寸自然较大。例如佳能PowerShot G2和EOS 1D这两种型号的数码相机的像素分别是400万和415万，PowerShot G2使用的是1/1.8英寸的CCD，每个光敏单元的尺寸仅有3.125平方微米，而EOS 1D使用的是面积达到28.7mm×19.1mm的大型CCD，单个光敏单元面积达到11.5平方微米，这也就是PowerShot G2能够达到最高等效感光度ISO400，而EOS 1D能够达到最高等效感光度ISO1600的原因。

　　像素密度大的另一个坏处是，相机的CPU将需要处理更多的光敏单元的输入，从而降低拍摄的速度。

7. 像素密度与相机的固有感光度

         在[2009赵某]一文中，更深入地阐述了“像素密度大使图像噪点增加”的原因。

         （同一时期）较低的像素密度，单个像素的感光面积必然更大，即是感应器的感光度较高，当使用较高感光度时，对信号的放大不如高密度感应器高，因此杂讯也没有被放大到太高的水平而影响画质； 而较高的像素密度，单个像素的面积小了，感光度较低，如果使用同样的高感光度，必然经过更高水平的放大，同一时期的产品杂讯控制能力应当类似，因此如此高水平放大后，杂讯必然比低密度感应器更明显。

         例如，相机A的固有感光度是ISO200，相机B的固有感光度是ISO800。假设有一个光线很弱的环境，为了拍摄出来的相片亮度正常，必须要将相机调到ISO3200的感光度。那么相机A对信号的放大倍数是16，同时也对噪声放大了16倍；相机B对信号的放大倍数是4，同时也对噪声放大了4倍。因而，相机A拍出来的图片将会有更多的噪点。

         关于相机感光度更详细的内容，参见[2011陈帅]一文。

8. 像素密度大的好处

         正如上文所述，像素密度大的相机拍出的图像将有更多的噪点。那么，是不是意味着像素密度大一定是不好的？答案是否定的。专业的摄影人员总是说，“买什么样的相机，得看个人的需求”。像素密度大，即意味着拍出来的图像的分辨率高。分辨率高意味着，放大到很大的倍数之后图像的细节仍然很丰富，图像仍然很细腻，因为对于物体上同样大小的一个小块，高分辨率的相机有更多的光敏单元去描绘这个小块。即是说，高分辨率的相机可以应用于拍摄大尺寸的作品，例如风景；而高感光度的相机更适合于体育、会议、活动等需要拍摄瞬间、速度要求高以及光线较暗的场合。

 

9. 图像的质量

         上文中已经讨论了两个和图像质量有关的相机参数：感光元件分辨率和固有感光度。前者和图像的细腻程度有关，后者和图像的纯净度有关。因为描述图像特性的参数有许多，加上不同的场合有不同的拍摄需求，所以图像的质量并没有一个严格的定义。关于图像质量的进一步探讨，参见[2010毛胡庄的人] [2012daisyhd]一文。关于相机参数的进一步探讨，参见[2011 陈帅]。

 

参考文献：

[2011陈帅] 陈帅，高卓鹏. “从零开始玩单反相机参数之ISO/焦距篇”. 中关村在线. 2012年8月9日. http://dcdv.zol.com.cn/243/2430148.html

[2009 赵某] 赵某的空间. “简述像素密度（像素/尺寸）与画质的关系”. 赵某的空间. 2009年8月11日. http://hi.baidu.com/auwiizgcjkbhnud/item/45c6495354429d9408be171d

[2012 NASIM] NASIM MANSUROV. “Benefits of a high resolution sensor”. PhotographyLife. 2012年1月9日. http://photographylife.com/the-benefits-of-a-high-resolution-sensor

[2011 MARK] Mark Whitaker. “What is pixel density”. StackExchange. 2011年. http://photo.stackexchange.com/questions/15699/what-is-pixel-density

[2012 秋凉] 秋凉. “无限的高像素和有限的分辨率”. 秋影随行. 2012年7月9日. http://photo.withqiuliang.com/gear_comment/20120709_high_resolution.htm

[2011 zerovision] zerovision. “像素、分辨率与图片大小之关系”. zerovision. 2011年6月7日. http://dcbbs.zol.com.cn/1/33986_974.html

[2011 andrew] andrew dacey. “DPI and PPI Explained”. andrew dacey photography. 2011年. http://www.andrewdaceyphotography.com/articles/dpi/

[2013 myexception] myexception. “银幕分辨率,打印分辨率,DPI,PPI,屏幕尺寸”. myexception. 2013年2月3日. http://www.myexception.cn/web/1211897.html

[2007 韬而慧] 韬而慧. “图像像素、大小、分辨率的关系”. 韬而慧的生活. 2007年12月27日.  http://blog.163.com/fu_onair/blog/static/3444419120071121112615622/

[2010 毛胡庄的人] 毛胡庄的人. “图像锐度，分辨率及清晰度概念辨析”. 毛胡庄的人. 2010年1月18日.  http://www.360doc.com/content/10/0118/09/64202_13872320.shtml

[2012 daisyhd] daisyhd. “成像的清晰度、分辨率和锐度”. daisyhd. 2012年3月26日. http://blog.csdn.net/daisyhd/article/details/7395349