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舊 2004-02-20, 12:32 PM   #1
psac
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預設 解析度詳解

解析度是和圖像處理有關的一個重要概念,它是衡量圖像細節表現能力的技術參數。但解析度的表示方法有很多,其含義也各不相同。


因此,正確理解解析度在各種情況下的直接含義,弄清不同表示方法之間的相互關係是很有必要的。


本文著重對幾種一般的圖像輸入/輸出設備的解析度作簡要介紹,然後介紹不同解析度的圖像,在不同解析度的圖像輸入/輸出設備上,輸入/輸出圖像時的特點及相互關係。

一、有關解析度的幾個概念

要準確把握和理解解析度的含義,弄清楚下面的幾個概念是很有必要的。
解析度(Resolution):包括設備解析度、網屏解析度、圖形解析度、掃瞄解析度和位解析度。

設備解析度(Device Resolution):又稱輸出解析度,指的是各類輸出設備每英吋上可產生的點數,如顯示器、噴墨列印機、雷射列印機、熱蠟列印機、繪圖儀的解析度。


這種解析度通過DPI這個服務機構量來衡量,一般來講,PC顯示器的設備解析度在60至120DPI之間。而列印設備的解析度則在180至720DPI之間。


網屏解析度(Screen Resolution):又稱網螢幕頻率,指的是列印灰度級圖形或分色所用的網屏上每英吋的點數。這種解析度通過每英吋的行數(RPI)來標定。


圖形解析度(Image Resolution):指的是圖形中存儲的信息量。


這種解析度有多種衡量方法,典型的是以每英吋的像素數(PPI)來衡量。


圖形解析度和圖形尺寸的值一起決定文件的大小及輸出品質,該值越大圖形文件所佔用的磁牒空間也就越多。


圖形解析度以比例關係影響著文件的大小,即文件大小與其圖形解析度的平方成正比。



如果保持圖形尺寸不變,將其圖形解析度提高一倍,則其文件大小增大為原來的四倍。圖形解析度也影響到圖形在螢幕上的顯示大小。


如果在一台設備解析度為72DPI的顯示器上將圖形解析度從72PPI增大到144PPI(保持圖形尺寸不變),那麼該圖形將以原圖形實際尺寸的兩倍顯示在螢幕上。



掃瞄解析度:指在掃瞄一幅圖形之前所確定的解析度,它將影響產生圖形文件的品質和使用效能,它決定圖形將以何種方式顯示或列印。


如果掃瞄圖形用於640×480像素的螢幕顯示,則掃瞄解析度不必大於一般顯示器螢幕的設備解析度,即一般不超過120DPI。但大多數情況下,掃瞄圖形是為以後在高解析度的設備中輸出而準備的。

如果圖形掃瞄解析度過低,圖形處理軟體可能會用單個像素的色值去創造一些半色調的點,這會導致輸出的效果粗糙。




反之,如果掃瞄解析度過高,則數字圖形中會產生超過列印所需要的信息,不但減慢列印速度,而且在列印輸出時就會使圖形色調的細微過渡丟失。


一般情況下,應使用列印輸出的網屏解析度、掃瞄和輸出圖形尺寸來計算正確的掃瞄解析度。


用輸出圖形的最大尺寸乘以網屏解析度,然後再乘以網線數比率(一般為2:1),得到該圖形所需像素總數。


用像素總數除以掃瞄圖形的最大尺寸即得到最優掃瞄解析度,即:
圖形掃瞄解析度=(輸出圖形最大尺寸×網屏解析度×網線數比率)/掃瞄圖形最大尺寸。


位解析度(Bit Resolution):又稱位深,是用來衡量每個像素儲存信息的位數。這種解析度決定了每次在螢幕上可顯示多少種色彩,一般一般的有8位、24位或32位色彩。有時我們也將位解析度稱為顏色深度。





二、幾種圖像輸入/輸出設備的解析度

掃瞄儀、列印機、傳真機、顯示器、數位相機、投影機、電視、商務印刷等輸入/輸出設備以及滑鼠、觸摸屏等指示設備的解析度有其各自的含義,弄清其含義,有利於我們選購和使用這些設備。讀者必須注意,這裡提到的解析度指的是設備解析度。

1.掃瞄儀、列印機、傳真機和顯示器的解析度
對掃瞄儀、列印機、傳真機以及顯示器等硬體設備來說,其解析度用每英吋上可產生的點數即DPI(Dots Per Inch)來度量。


掃瞄儀的解析度要從三個方面來確定:

光學部分、硬體部分和軟體部分。也就是說掃瞄儀的解析度等於其光學設備的解析度加上其自身通過硬體及軟體進行處理分析所得到的解析度。




光學解析度是掃瞄儀的光學設備在每平方英吋面積內所能捕捉到的實際的光點數,是指掃瞄儀CCD的物理解析度,也是掃瞄儀的真實解析度,它的數值是由CCD的像素點除以掃瞄儀水準最大可掃尺寸得到的數值。



解析度為1200DPI的掃瞄儀,其光學部分的解析度只佔400∼600DPI。擴充部分的解析度(由硬體和軟體所產生的)是通過電腦對圖像進行分析,對空白部分進行科學填充所產生的(這一程序也叫插值處理)。


光學掃瞄與輸出是一對一的,掃瞄到什麼,輸出的就是什麼。經過電腦軟硬體處理之後,輸出的圖像就會變得更逼真,解析度會更高。



目前市面上出售的掃瞄儀大都具有對解析度的軟、硬體擴充功能。


有的掃瞄儀廣告上只寫9600×9600DPI,這只是通過軟體插值得到的最大解析度,並不是掃瞄儀真正光學解析度。所以對掃瞄儀來講,其解析度有光學解析度(或稱光學解析度)和最大解析度之說。




我們說某台掃瞄儀的解析度高達4800DPI(這個4800DPI是光學解析度和軟體差值處理的總和),是指用掃瞄儀輸入圖像時,在1平方英吋的掃瞄幅面上,可採集到4800×4800個像素點(Pixel)。


1英吋見方的掃瞄區域,用4800DPI的解析度掃瞄後產生的圖像大小是4800Pixel×4800Pixel。在掃瞄圖像時,掃瞄解析度設得越高,產生的圖像的效果就越精細,產生的圖像文件也越大。



我們說某台列印機的解析度為360DPI,是指在用該列印機輸出圖像時,在每英吋列印紙上可以列印出360個表徵圖像輸出效果的色點。


表示列印機解析度的這個數越大,表徵圖像輸出效果的色點就越小,輸出的圖像效果就越精細。


對於大小類BIOS的圖像,列印機解析度越大,列印出的圖像尺寸就越小。


列印機色點的大小只同列印機的硬體工藝有關,而與要輸出圖像的解析度無關。
傳真機兼有掃瞄(傳送前)和列印(接收後)功能,在理解其解析度時可參看掃瞄儀和列印機解析度含義的相關部分。

我們說某個品牌的顯示器的解析度為80DPI,是指在顯示器的有效顯示範圍內,顯示器的的顯像設備可以在每英吋熒光屏上產生80個光點。舉個例子來說,一台14英吋的顯示器(熒光屏對角線長度為14英吋),其點距為0.28mm,那麼:顯示器解析度=25.3995mm/inch÷0.28mm/Dot≒90DPI(1 inch=25.3995mm)。


顯示器出廠時一般並不標出表徵顯示器解析度的DPI值,只給出點距,我們根據上述公式即可算出顯示器的解析度。


根據我們算出的DPI值,我們進而可以推算出顯示器可支持的最高顯示模式。假設該14英吋顯示器熒光屏有效顯示範圍的對角線長度為11.5英吋,因顯示器的水準方向和垂直方向的顯示比例為4:3,故可設有效顯示範圍水準寬度為4X英吋,垂直高度為3X英吋,根據數學上的勾股定理,可得X=11.5÷5=2.3英吋。



所以有效顯示範圍寬度為2.3×4=9.2英吋,垂直高度為2.3×3=6.8英吋。最高顯示模式約為:800(9.2×90)×600(6.8×90),這時是用一個點(Dot)表示一個像素(pixel)。


上面主要講述了掃瞄儀、列印機、傳真機和顯示器的設備解析度。

嚴格來講,設備解析度與用該設備處理的圖像的解析度是兩個既有聯繫又有區別的概念。



設備解析度是由硬體設備的生產工藝決定的,儘管可以通過軟體的方法調整有些設備的解析度,但它們都有一個局限性很大的最高解析度,用戶不能對它有任何突破。


在描述和理解設備分
辨率時,我們必須借助其處理的圖像的解析度。圖像的解析度是描述圖像本身精細程度的一個量度。



對於掃瞄儀、列印機、傳真機處理的圖像,其解析度以每英吋上的像素數即PPI(Pixels Per Inch)來衡量。



用於電腦視瀕處理的圖像,以水準和垂直方向上所能顯示的像素數來表示解析度,譬如800×600、640×480等等。


圖像本身是否精細只與圖像自身的解析度有關,而與處理它的硬體設備的解析度無關,但圖像的處理結果是否精細卻與處理它的設備的解析度直接相關。


舉例來說,一幅90PPI的圖像是比較精細的了,如果將它放在解析度為40DPI的列印機上列印,列印效果也是相當糟糕的。


對掃瞄儀來講,其解析度的高低與產生圖像的精細程度成正比,但其解析度只能為圖像解析度給出一個初始值(這個PPI值與掃瞄儀的解析度的DPI的值是相等的),並不對圖像的解析度產生限制,我們可以用軟體任意調整掃瞄產生的圖像的解析度。



另外,需要注意的是,我們通常說一幅640×480的圖像,說的是圖像的大小,其中並不包括圖像解析度的含義。

2.數位相機的解析度
數位相機解析度的高低決定了所拍攝影像最終所能列印出高品質畫面的大小,或在電腦顯示器上所能顯示畫面的大小。



數位相機解析度的高低,取決於相機中CCD(Charge Coupled Device:電荷耦合器件)晶片上像素的多少,像素越多,解析度越高。



由此可見,數位相機的分辨也是由其生產工藝決定的,在出廠時就類BIOS了的,用戶只能選項不同解析度的數位相機,卻不能調整一台數位相機的解析度。


就同類數位相機而言,解析度越高,相機等級越高,但高解析度的相機產生的資料文件很大,對加工、處理的電腦的速度、記憶體和硬碟的容量以及相應軟體都有較高的要求。




數位相機像素水準的高低與最終所能列印一定解析度照片的尺寸,可用以下方法簡單計算:假如彩色列印機的解析度為N DPI ,數位相機水準像素為M,最大可列印出的照片為M÷N英吋。


譬如,列印機的解析度為300DPI,水準像素為3600的數位相機所攝影像文件不作插值處理所能列印出的最大照片尺寸為12英吋(3600÷300)。



很顯然,要列印得到的數位照片的尺寸越大,就需要有更高像素水準的數位相機。計算顯示尺寸的方法與列印尺寸的方法相同。

3.投影機的解析度



投影機的解析度一般的有兩種表示方式,一種是以電視線(TV線)的方式表示,另外是以像素的方式表示。以電視線表示時,其解析度的含義與電視相似,這種解析度表示方式主要是為了匹配接入投影機的電視信號而提供的。以像素方式表示時通常表示為1024×768等形式,從某種意義上講這種解析度的限制是對輸入投影機的VGA信號的行頻及場頻作一定要求。當VGA信號的行頻或場頻超過這個限制後,投影機就不能正常投顯了。


4.商業印刷領域的解析度

在商業印刷領域,解析度以每英吋上等距離排列多少條網線即太太I(Lines Per Inch)表示。在傳統商業印刷製版程序中,製版時要在原始圖像前加一個網屏,這一網屏由呈方格狀的透明與不透明部分相等的網線構成。這些網線也就是光柵,其作用是切割光線解剖圖像。


由於光線具有衍射的物理特性,因此光線通過網線後,形成了反映原始圖像影像變化的大小不同的點,這些點就是半色調點。一個半色調點最大不會超過一個網格的面積,網線越多,表現圖像的層次越多,圖像品質也就越好。因此商業印刷行業中採用了太太I表示解析度。

5.電視的解析度
在電視工業中,解析度指的是在熒光屏等於像高的距離內人眼所能分辨的黑白條紋數,服務機構是電視線(TV線)。


我們國家採用的電視標準是PAL制式,它規定每秒25畫格,每畫格625掃瞄行。由於採用了隔行掃瞄方式,625行掃瞄線分為奇數行和偶數行,這分別構成了每一畫格的奇、偶兩場,由於在每一畫格中電子束都要從上面開始掃瞄,因此存在著電子束從終點回到起點的掃瞄逆程期,在這期間被消隱的掃瞄行是不可能分解圖像的。



掃瞄逆程期約佔整個掃瞄時間的8%,因此625行中用於掃瞄圖像的有效行數只有576行,由此推匯出圖像在垂直方向上的解析度為576點。




按現行4:3寬高比的電視標準,圖像在水準方向上的解析度應為576×4/3=768點,這就得到了768×576這一一般的圖像大小。



另外,在電腦視瀕捕捉時,我們還會遇到遵循CCIR601標準的PAL制式圖像尺寸,其大小為720×576。對於我們還能接觸到的NTSC制式來講,它規定每秒30畫格,每畫格525行,同樣採用了隔行掃瞄方式,每一畫格由兩場組成,其圖像大小是720×486。

6.滑鼠的解析度
滑鼠的解析度是指每移動一英吋能檢測出的點數,解析度越高,品質也就越高。以前滑鼠的解析度通常為100DPI,現在的滑鼠解析度從200DPI到400DPI不等。高解析度的滑鼠通常用於製圖和精確電腦繪圖等。

7.觸摸屏的解析度
觸摸屏的解析度是指將螢幕分割成可識別的觸點數目。通常用水準和垂直方向上的觸點數目來表示,如32×32。




有的人認為觸摸屏的解析度越高越好,其實並非如此,在選用觸摸屏時應根據直接用途加以考慮。採用模擬量技術的觸摸屏解析度很高,可達到1024×1024,能勝任一些類似螢幕繪畫和寫字(手寫識別)的工作。




而在多數場合下,觸摸技術的套用只是讓人們用手觸摸來選項軟體設計的"按鈕",沒有必要使用如此高的解析度。例如在14英吋顯示器上使用觸摸屏時,顯示區域的實際大小一般是25cm×18.5cm,一個解析度為32×32的觸摸屏就能把螢幕分割成1024個0.78cm×0.58cm(比一支香煙還細小)的觸點。


人的手指按壓觸摸屏的觸點比香煙的直徑大多了,所以這樣一個觸點就已經足夠了。
三、點(Dot)與像素(Pixel)的區別

DPI中的點(Dot)與圖像解析度中的像素(Pixel)是容易混淆的兩個概念,DPI中的點可以說是硬體設備最小的顯示單元,而像素則既可是一個點,又可是多個點的集合。在掃瞄儀掃瞄圖像時,掃瞄儀的每一個樣點都是和所形成圖像的每一個像素相對應的,因此掃瞄時設定的DPI值與掃瞄形成圖像的PPI值是相等的,此時兩者可以劃等號。


但在許多情況下,兩者的區別是相當大的。譬如,解析度為1 PPI的圖像,在300DPI的列印機上輸出,此時圖像的每一個像素,在列印時都對應了300×300點。



在電腦顯示器的運用上也存在類似問題,譬如12英吋顯示器的有效顯示區域約200mm×160mm,如果熒光屏的光點直徑為0.31mm,通過換算可知熒光屏上最大可顯示的光點數為640(200÷0.31)×480(160÷0.31),相應的解析度為80DPI。


這個80DPI是這樣來的:640Dot÷(200mm÷25.3995mm/Inch)≒80Dot/Inch或者 480Dot÷(160mm÷25.3995mm/Inch)≒80Dot/Inch。



在這種情況下,顯示卡的顯示模式最高可設定為640×480,這時1 Pixel由1 Dot組成。如把顯示卡的顯示模式調整為320×200,在顯示一幅320×200的圖像時,一個像素就要對應於四個光點。
四、圖像解析度的作用

表示圖像解析度的方法有很多種,這主要取決於不同的用途。下面所要探討的,就是在各種情況下解析度所起的作用,以及它們相互間的關係。

1.平面設計中解析度的作用
在平面設計中,圖像的解析度以PPI來度量,它和圖像的寬、高尺寸一起決定了圖像文件的大小及圖像品質。


譬如,一幅圖像寬8英吋、高6英吋,解析度為100PPI,如果保持圖像文件的大小不變,也就是總的像素數不變,將解析度降為50PPI,在寬高比不變的情況下,圖像的寬將變為16英吋、高將變為12英吋。


列印輸出變化前後的這兩幅圖,我們會發現後者的幅面是前者的4倍,而且圖像品質下降了許多。那麼,把這兩幅變化前後的圖送入電腦顯示器會出現什麼現象呢?譬如,將它們送入顯示模式為800×600的顯示器顯示,我們會發現這兩幅圖的畫面尺寸一樣,畫面品質也沒有區別。


對於電腦的顯示系統來說,一幅圖像的PPI值是沒有意義的,起作用的是這幅圖像所包含的總的像素數,也就是前面所講的另一種解析度表示方法:
水準方向的像素數×垂直方向的的像素數。這種解析度表示方法同時也表示了圖像顯示時的寬高尺寸。



前面所講的PPI值變化前後的兩幅圖,它們總的像素數都是800×600,因此在顯示時是解析度相同、幅面相同的兩幅圖像。

2.印刷輸出時解析度的作用


在電腦中處理的圖像,有時要輸出印刷。


在大多數印刷方式中,都使用CMYK(品紅、青、黃、黑)四色油墨來表現豐富多彩的色彩,但印刷表現色彩的方式和電視、照片不一樣,它使用一種半色調點的處理方法來表現圖像的連續色調變化,不像後兩者能夠直接表現出連續色調的變化。


為了方便理解半色調點的處理方法,我們下面都以黑白照片的處理加以分析。用放大鏡仔細觀察報紙上的照片,可以發現這些照片都是由黑白相間的點構成的,而且由於點的大小有所不同使照片表現出了黑白色調的變化。



那麼,這些大小不同的點是怎樣形成的呢?這個問題的答案可從傳統的印刷製版程序原理中找到。



根據印刷行業的經驗,印刷上所有的太太I值與原始圖像的PPI值有這樣的關係,即:PPI值=太太I值×2×印刷圖像的最大尺寸÷原始圖像的最大尺寸。


一般說來,只有遵循這一公式,原始圖像才能在印刷中得到較好地反映。


印刷中採用的太太I值較為類BIOS,通常報紙印刷採用75太太I,彩色印刷品使用150太太I或175太太I,因此在1︰1印刷的情況下,針對不同用途,原始圖像的解析度應分別是150PPI、300PPI和350PPI。



實際上,我們常用的桌面列印機也大多採用了半色調點的處理方法,上述公式同樣也是適用的,但在列印程序中它們並沒有使用一個物理網屏,而是靠數學計算來實現半色調點的處理。在這些列印機中產生的一個半色調點,要靠許多列印點來組成,顯然構成一個半色調點的列印點越多,它所能表現的灰度變化範圍就越大。




譬如要模擬256級灰度變化,就需要有16×16=256個列印點構成一個半色調點。



但從另一方面看,對於常用的360DPI的列印機來說,此時的行螢幕也就是網線僅為360/16=22.5行,這使得列印圖像中的行十分明顯,同樣影響了圖像品質。



為此,大多數列印機採用了8×8的半色調圖案,相應的行螢幕為45太太I。通過公式可算出,對於這些列印機來說,列印圖像的解析度應為90PPI。

3.電視工業中解析度的作用

在電視工業中,解析度分為水準解析度和垂直解析度,在大多數情況下兩者是相等的,因此在技術指標中一般僅給出水準解析度,其度量服務機構電視線也往往簡稱為線。


從前面的定義中可知,這種解析度是以人眼的感覺為標準的,因此要靠大量的實驗統計才能得出。



按我們國家現行的電視標準,寬高比為4:3,掃瞄行數為625行。去掉掃瞄逆程期,有效掃瞄行數是576行,相應的有效像素為768×576(720×576),因此768×576(720×576)也是電檢視像與數字圖像相互轉換的標準。



但此時的解析度也可說是電視系統的極限解析度,為625×0.7=438線。



由此也可看出,有效像素數與解析度中的黑白條紋數並不是1︰1的對應關係。影響解析度的因素有很多,通常以電視設備中亮度信號的頻帶寬度×80線/MHz來估算解析度的大小。



譬如,我們廣泛使用的視瀕捕捉卡,其模擬信號的帶寬最好的也就是5MHz,因此其解析度也就是400線。電視設備的解析度總的來說是較低的,家用VHS型錄像機的解析度僅
略高於250線,電視機與電腦顯示器也無法相提並論,電視機的點距(相當一光點直徑)一般為0.6mm∼0.8mm,其DPI值在40以下,一台29英吋電視機的解析度僅在410線左右。




總的說來,設備解析度反映了硬體設備處理圖像時的效果,圖像解析度指標的高低反映了圖像清晰度的好壞。認清設備解析度和圖像解析度的關係,在圖像處理中選項合適的設備解析度值和圖像解析度值,既能保證圖像品質,又能提高工作效率和減少投資。
psac 目前離線  
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舊 2004-02-20, 06:18 PM   #2 (permalink)
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這篇文章解釋了多種常令人搞混的"解析度"定義,收穫良多.........感謝!
 
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舊 2004-02-20, 06:30 PM   #3 (permalink)
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感恩大大熱心提供解說.3QQ~
 
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