像素

画素,为影像显示的基本单位,译自英文pixel」,pix是英语单词picture的常用简写,加上英语单词「元素」element,就得到pixel,故「画素」表示「画像元素」之意,有时亦被称为pelpicture element)。每个这样的讯息元素不是一个或者一个方块,而是一个抽象的取样。仔细处理的话,一幅影像中的画素可以在任何尺度上看起来都不像分离的点或者方块;但是在很多情况下,它们采用点或者方块显示。每个画素可有各自的颜色值,可采三原色显示,因而又分成绿三种子画素RGB色域),或者品红CMYK色域,印刷行业以及印表机中常见)。相片是一个个取样点的集合,在影像没有经过不正确的/有损的压缩或相机镜头合适的前提下,单位面积内的画素越多代表解析度越高,所显示的影像就会接近于真实物体。

综述

一个画素通常被视为影像的最小的完整取样。这个定义和上下文很相关。例如,我们可以说在一幅可见的影像中的画素(例如列印出来的一页)或者用讯号表示的画素,或者用数位表示的画素,或者萤幕上的画素,或者数位相机(感光元素)中的画素。这个列表还可以添加很多其它的例子,根据上下文,会有一些更为精确的同义词,例如画素,取样点,位元组,位元,点,斑,超集,三合点,条纹集,窗口,等等。我们也可以抽象地讨论画素,特别是使用画素作为解析度的衡量时,例如每英寸2400画素(ppi,Pixels per inch)或者640画素/线。「点」有时用来表示画素,特别是电脑市场,由于彩色电脑显示器如LCDCRT是由三个三原色子画素 (红、绿、蓝)组成一个色彩画素,或称点来描绘影像的,LCD萤幕在标准萤幕解析度下,对于一个画素可认为是由显示器的一个「点」来显示,因此ppi有时缩写为DPI(dots per inch,每英寸点数)。通常DPI这个单位用于印刷领域,而PPI用于电脑领域。

这个例子显示一组电脑的配件被放大的一部分。不同的阴影混合在一起产生了光滑影像的错觉。注意,有时候(例如在这个例子中),文字的边缘画素其色彩被减弱以减少在正常大小时锯齿状的走样。这被称为抗失真(AntiAliasing,缩写为AA,显示卡领域更通俗的叫法是「消除锯齿」)。

用来表示一幅影像的画素越多,结果更接近原始的影像。一幅影像中的画素个数有时被称为影像解析度,虽然解析度有一个更为特定的定义。画素可以用一个数表示,譬如一个"3百万画素"数位相机,它有额定三百万画素,或者用一对数字表示,例如"640乘480",它有横向640画素和纵向480画素(就像VGA显示器那样),因此其总数为640 × 480 = 307,200画素(30.72万画素)。

数位影像的彩色取样(例如网页中常用的JPG档案)也称为画素。取决于电脑萤幕,这些可能不是和萤幕解析度有一一对应的。在这种区别很明显的区域,可交换图档格式中的点更接近纹素。

在电脑编辑中,画素组成的图像叫点阵图。点阵图像可用于数位影像和某些类型的电脑生成技术。

原始和逻辑画素

因为多数电脑萤幕的解析度可以通过电脑的作业系统来调节,萤幕画素的解析度可能不是一个绝对的衡量标准。

现代液晶萤幕按设计有一个原始解析度,它代表画素和三元素组之间的完美匹配。(阴极射线管也是用红-绿-蓝萤光三元素组,但是它们和影像画素并不重合,因此和画素无法比较)。

对于该显示器,原始解析度能够产生最精细的影像。但是因为使用者可以调整解析度,显示器必须能够显示其它解析度。非原始解析度必须通过在液晶萤幕上拟合重新取样来实现,要使用插值演算法。这经常会使萤幕看起来破碎或模糊。例如,原始解析度为1280×1024的显示器在解析度为1280×1024时看起来最好,也可以通过用几个物理三元素组来表示一个画素以显示800×600,但可能无法完全显示1600×1200的解析度,因为物理三元素组不够。

画素可以是长方形的或者方形的。有一个数称为长宽比,用于表述画素有多方。例如1.25:1的长宽比表示每个画素的宽是其高度的1.25倍。电脑萤幕上的画素通常是方的,但是用于数位影像的画素有矩形的长宽比,例如那些用于CCIR 601数位影像标准的变种PAL和NTSC格式的,以及所对应的宽萤幕格式。

单色影像的每个画素有自己的灰阶影像。0通常表示黑,而最大值通常表示白色。例如,在一个8位元影像中,最大的无号整数是255,所以这是白色的值。

在彩色影像中,每个画素可以用它的色调,饱和度,和亮度来表示,但是通常用红绿蓝强度来表示(参看红绿蓝).

位元每画素

一个画素所能表达的不同颜色数取决于位元每画素(BPP,bit per pixel)。这个最大数可以通过取2的色彩深度次幂来得到。例如,常见的取值有

  • 8 bpp:256色,亦称为「8位元」;
  • 16 bpp:216=65,536色,称为高彩色,亦称为「16位元」;
  • 24 bpp:224=16,777,216色,称为真彩色,通常的记法为「1670万色」,亦称为「24位元色」;
  • 32 bpp:224 +28,电脑领域较常见的32位元色并不是表示232种颜色,而是在24位元色基础上增加了8位元(28=256级)的灰阶,因此32位元的色彩总数和24位元是相同的,32位元也称为全彩。
  • 48 bpp:248=281,474,976,710,656色,用于很多专业的扫描器

256色或者更少的色彩的影像经常以平面格式储存于显示记忆体中,其中显示记忆体的每个画素是到一个称为调色盘的颜色代码的索引值。这些模式因而有时被称为索引模式。虽然每次只有256色,但是这256种可以选自一个通常是16百万色的调色盘,所以可以有多种组合。改变调色盘中的色彩值可以得到一种动画效果,Windows 95Windows 98的标志可能是这类动画最著名的例子了。

对于超过8位元的深度,这些数位就是三个分量(红绿蓝)的各自的数位的总和。一个16位元的深度通常分为5位红色和5位元蓝色,6位元绿色(眼睛对于绿色更为敏感)。24位元的深度一般是每个分量8位元。在Windows系统中,32位元深度也是可选的:这意味着24位元的画素有8位元额外的数位来描述透明度。在老一些的系统中,4bpp(16色)也是很常见的。

当可交换图档格式显示在萤幕上,每个画素的数位对于光栅文字和对萤幕可以是不同的。有些光栅图形档案格式相对其他格式有更大的色彩深度。例如GIF格式,其最大深度为8位元(256色),而TIFF档案可以处理48位元色深。没有任何萤幕可以显示48位元色彩,人眼只能分辨约1000种颜色,CRT可以显示到32位元,而LCD由于自身的局限性最多只能显示24位元,中低阶的LCD只能显示16位元甚至12位元,但如前所述,超过1000种颜色后人眼无从分辨,因此12位元或者16位元对于人眼区别不大。所以48位元这个深度通常用于特殊专业应用,例如扫描器和列印机。这种档案在萤幕上采用24位元深度绘制。

子画素

很多萤幕显示器和影像取得系统出于不同原因无法显示或感知同一点的不同色彩通道。这个问题通常通过多个子画素的办法解决,每个子画素处理一个色彩通道。例如,LCD显示器通常将每个画素水平分解位3个子画素。多数LED显示器将每个画素分解为4个子画素;一个红,一个蓝,和两个绿。多数数位相机感测器也采用子画素,通过蓝色光滤波器实现。(CRT显示器也采用红绿蓝萤光点,但是它们和影像画素并不对齐,因此不能称为子画素)。

对于有子画素的系统,有两种不同的处理方式:子画素可以被忽略,将画素作为最小可以存取的影像元素,或者子画素被包含到绘制计算中,这需要更多的分析和处理时间,但是可以在某些情况下提供更出色的影像。

后一种方式被用于提高彩色显示器的外观解析度。这种技术,被称为子画素绘制,利用了画素几何来分别操纵子画素,对于设为原始解析度的平面显示器来讲最为有效(因为这种显示器的画素几何通常是固定的而且是已知的)。这是反锯齿的一种形式,主要用于改进文字的显示。微软ClearType,在Windows XP上可用,是这种技术的一个例子。

百万画素

百万画素(Mega Pixels,缩写为MP)是指有「一百万个画素」,通常用于表达数位相机的解析度。例如,一个相机可以使用2048×1536画素的解析度,通常被称为有"3.1百万画素/310万画素"(2048×1536=3,145,728,通常只计算前两个位作有效数字)。

数位相机使用感光电子器件,或者是耦合电荷装置(CCDs)或者CMOS感测器,它们记录每个画素的辉度级别。在多数数位相机中,CCD采用某种排列的蓝色光滤波器,在Bayer滤波器合并中带有红,绿,蓝区域,使得感光画素可以记录单个基色的辉度。相机对相邻画素的色彩讯息进行插值,这个过程称为解镶嵌(de-mosaic),然后建立最后的影像。这样,一个数位相机中的x兆画素的影像最后的彩色解析度最后可能只有同样影像在扫描器中的解析度的四分之一。这样,一幅蓝色或者红色的物体的影像倾向于比灰色的物体要模糊。绿色物体似乎不那么模糊,因为绿色被分配了更多的画素(因为眼睛对于绿色的敏感性)。参看[1]页面存档备份,存于网际网路档案馆) 的详细讨论。

作为一个新的发展,Foveon X3 CCD采用三层影像感应器在每个画素点感应红绿蓝强度。这个结构消除了解镶嵌的需要因而消除了相关的影像失真,例如高对比度的边的色彩模糊这种失真。

十亿画素图像

十亿画素影像是一种超高解系度的影像,相较于一般1000万画素的数位相机,差距高达100倍以上。十亿画素影像通常只用在特定用途,例如人造卫星上。

世界解析度最高的相片

类似概念

从画素的思想衍生出几个其它类型的概念,例如体素(voxel)、纹素(texel)和曲面元素(surfel),它们被用于其它电脑图学影像处理应用。

参看

外部连结

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