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    明威視覺科普之什么是像素

    文章出處:明威自動化人氣:2402發表時間:2015-07-21 10:14:57【
    英文名稱:Pixel像素定義 一個像素通常被視為圖像的最小的完整采樣。這個定義和上下文很相關。例如,我們可以說在一幅可見的圖像中的像素(例如打印出來的一頁)或者用電子信號表示的像素,或者用數碼表示的像素,或者顯示器上的像素,或者數碼相機(感光元素)中的像素。這個列表還可以添加很多其它的例子,根據上下文,會有一些更為精確的同義詞,例如畫素,采樣點,字節,比特,點,斑,超集,三合點,條紋集,窗口,等等。我們也可以抽象地討論像素,特別是使用像素作為解析度(也稱分辨率,下同)地衡量時,例如2400像素每英寸(ppi)或者640像素每線。點有時用來表示像素,特別是計算機市場營銷人員,因此dpi有時所寫為DPI(dots per inch)。 用來表示一幅圖像的像素越多,結果更接近原始的圖像。一幅圖像中的像素個數有時被稱為圖像解析度,雖然解析度有一個更為特定的定義。像素可以用一個數表示,譬如一個"3兆像素" 數碼相機,它有額定三百萬像素,或者用一對數字表示,例如“640乘480顯示器”,它有橫向640像素和縱向480像素(就像VGA顯示器那樣),因此其總數為640 × 480 = 307,200像素。 數字化圖像的彩色采樣點(例如網頁中常用的JPG文件)也稱為像素。取決于計算機顯示器,這些可能不是和屏幕像素有一一對應的。在這種區別很明顯的區域,圖像文件中的點更接近紋理元素。 在計算機編程中,像素組成的圖像叫位圖或者光柵圖像。光柵一詞源于模擬電視技術。位圖化圖像可用于編碼數字影像和某些類型的計算機生成藝術。

    原始和邏輯像素
      因為多數計算機顯示器的解析度可以通過計算機的操作系統來調節,顯示器的像素解析度可能不是一個絕對的衡量標準。 現代液晶顯示器按設計有一個原始解析度,它代表像素和三元素組之間的完美匹配。(陰極射線管也是用紅-綠-藍熒光三元素組,但是它們和圖像像素并不重合,因此和像素無法比較)。 對于該顯示器,原始解析度能夠產生最精細的圖像。但是因為用戶可以調整解析度,顯示器必須能夠顯示其它解析度。非原始解析度必須通過在液晶屏幕上擬合重新采樣來實現,要使用插值算法。這經常會使屏幕看起來破碎或模糊。例如,原始解析度為1280×1024的顯示器在解析度為1280×1024時看起來最好,也可以通過用幾個物理三元素組來表示一個像素以顯示800×600,但可能無法完全顯示1600×1200的解析度,因為物理三元素組不夠。 像素可以是長方形的或者方形的。有一個數稱為長寬比,用于表述像素有多方。例如1.25:1的長寬比表示每個像素的寬是其高度的1.25倍。計算機顯示器上的像素通常是方的,但是用于數字影像的像素有矩形的長寬比,例如那些用于CCIR 601數字圖像標準的變種PAL和NTSC制式的,以及所對應的寬屏格式。 單色圖像的每個像素有自己的灰度。0通常表示黑,而最大值通常表示白色。例如,在一個8位圖像中,最大的無符號數是255,所以這是白色的值。 在彩色圖像中,每個像素可以用它的色調,飽和度,和亮度來表示,但是通常用紅綠藍強度來表示(參看RGB)。
    比特每像素
      一個像素所能表達的不同顏色數取決于比特每像素(BPP)。這個最大數可以通過取二的色彩深度次冪來得到。例如,常見的取值有 : 8 bpp [2^8=256;(256色)]; 16 bpp [2^16=65536; (65,536色,稱為高彩色)]; 24 bpp [2^24=16777216; (16,777,216色,稱為真彩色)]; 48 bpp [2^48=281474976710656;(281,474,976,710,656色,用于很多專業的掃描儀) 。 256色或者更少的色彩的圖形經常以塊或平面格式存儲于顯存中,其中顯存中的每個像素是到一個稱為調色板的顏色數組的索引值。這些模式因而有時被稱為索引模式。雖然每次只有256色,但是這256種顏色選自一個選擇大的多的調色板,通常是16兆色。改變調色板中的色彩值可以得到一種動畫效果。視窗95(windows95)和視窗98(windows98)的標志可能是這類動畫最著名的例子了。 對于超過8位的深度,這些數位就是三個分量(紅綠藍)的各自的數位的總和。一個16位的深度通常分為5位紅色和5位藍色,6位綠色(眼睛對于綠色更為敏感)。24位的深度一般是每個分量8位。在有些系統中,32位深度也是可選的:這意味著24位的像素有8位額外的數位來描述透明度。在老一些的系統中,4bpp(16色)也是很常見的。 當一個圖像文件顯示在屏幕上,每個像素的數位對于光柵文本和對于顯示器可以是不同的。有些光柵圖像文件格式相對其他格式有更大的色彩深度。例如GIF格式,其最大深度為8位,而TIFF文件可以處理48位像素。沒有任何顯示器可以顯示48位色彩,所以這個深度通常用于特殊專業應用,例如膠片掃描儀和打印機。這種文件在屏幕上采用24位深度繪制。
    子像素
      很多顯示器和圖像獲取系統出于不同原因無法顯示或感知同一點的不同色彩通道。這個問題通常通過多個子像素的辦法解決,每個子像素處理一個色彩通道。例如,LCD顯示器通常將每個像素水平分解位3個子像素。多數LED顯示器將每個像素分解為4個子像素;一個紅,一個綠,和兩個藍。多數數碼相機傳感器也采用子像素,通過有色濾波器實現。(CRT顯示器也采用紅綠藍熒光點,但是它們和圖像像素并不對齊,因此不能稱為子像素)。 對于有子像素的系統,有兩種不同的處理方式:子像素可以被忽略,將像素作為最小可以存取的圖像元素,或者子像素被包含到繪制計算中,這需要更多的分析和處理時間,但是可以在某些情況下提供更出色的圖像。 后一種方式被用于提高彩色顯示器的外觀解析度。這種技術,被稱為子像素繪制,利用了像素幾何來分別操縱子像素,對于設為原始解析度的平面顯示器來講最為有效(因為這種顯示器的像素幾何通常是固定的而且是已知的)。這是反走樣的一種形式,主要用于改進文本的顯示。微軟的ClearType,在Windows XP上可用,是這種技術的一個例子。
    兆像素
      一個兆像素(megapixel)是一百萬個像素,通常用于表達數碼相機的解析度。例如,一個相機可以使用2048×1536像素的解析度,通常被稱為有“3.1百萬像素” (2048 × 1536 = 3,145,728)。 數碼相機使用感光電子器件,或者是耦合電荷設備(CCDs)或者CMOS傳感器,它們記錄每個像素的輝度級別。在多數數碼相機中,CCD采用某種排列的有色濾波器,在Bayer濾波器拼合中帶有紅,綠,藍區域,使得感光像素可以記錄單個基色的輝度。相機對相鄰像素的色彩信息進行插值,這個過程稱為解拼(de-mosaic),然后建立最后的圖像。這樣,一個數碼相機中的x兆像素的圖像最后的彩色解析度最后可能只有同樣圖像在掃描儀中的解析度的四分之一。這樣,一幅藍色或者紅色的物體的圖像傾向于比灰色的物體要模糊。綠色物體似乎不那么模糊,因為綠色被分配了更多的像素(因為眼睛對于綠色的敏感性)。參看[1]的詳細討論。 作為一個新的發展,Foveon X3 CCD采用三層圖像傳感器在每個像素點探測紅綠藍強度。這個結構消除了解拼的需要因而消除了相關的圖像走樣,例如高對比度的邊的色彩模糊這種走樣。
    類似概念
      從像素的思想衍生出幾個其它類型的概念,例如體元素(voxel),紋理元素(texel)和曲面元素(surfel),它們被用于其它計算機圖形學和圖像處理應用。
    數碼相機的像素
      像素是衡量數碼相機的最重要指標。像素指的是數碼相機的分辨率。它是由相機里的光電傳感器上的光敏元件數目所決定的,一個光敏元件就對應一個像素。因此像素越大,意味著光敏元件越多,相應的成本就越大。 數碼相機的圖像質量部分是由像素決定的,大過一定尺寸再單純拿像素來比較就沒有意義了,目前主流單反數碼相機像素在1000萬左右,但是普通攝影及家用500萬像素已足夠用,因為我們使用的顯示器的分辨率有限,一般為1024×768至1920×1200,這樣的分辨率如果顯示像素過高的圖片是,圖片會被壓縮至當前屏幕的大小,此時有的圖片就會出現銳利度過高的情況而失真。成像質量主要取決于相機的鏡頭,感光元件大小及質量。像素越大,照片的分辨率也越大,可打印尺寸也更大,但是。早期的數碼相機都是低于100萬像素的。從1999年下半年開始,200萬像素的產品漸漸成為市場的主流。(現在的手機普遍都是200萬像素,家庭用的相機一般都要500~600萬像素左右比較合適。) 當前的數碼相機的發展趨勢,像素宛如PC機的CPU主頻,有越來越大的勢頭。 其實從市場分類角度看,面向普及型的產品,考慮性價比的因素,像素并不是 越大越好。畢竟200萬像素的產品,已經能夠滿足目前普通消費者的大多數應用。因 此大多數廠商在高端數碼相機追求高像素的同時,當前其產量最大的,仍是面向普 及型的百萬像素產品。頂級專用相機,已有超過1億像素級的產品。 另外值得消費者注意的是,當前的數碼相機產品,在像素標稱上分為CCD像素和經軟件優化后的像素,后者大大高于前者。如某品牌目前流行的數碼相機,其CCD像素為230萬,而軟件優化后的像素可達到330萬。
      數碼相機的像素分為最大像素數和有效像素數。
      最大像素:
      英文名稱為Maximum Pixels,所謂的最大像素是經過插值運算后獲得的。插值運算通過設在數碼相機內部的DSP芯片,在需要放大圖像時用最臨近法插值、線性插值等運算方法,在圖像內添加圖像放大后所需要增加的像素。插值運算后獲得的圖像質量不能夠與真正感光成像的圖像相比。
      在市面上,有一些商家會標明“經硬件插值可達XXX像素”,這也是相同的原理,只不過在圖像的質量和感光度上,以最大像素拍攝的圖片清晰度比不上以有效像素拍攝的。
      最大像素,也直接指CCD/CMOS感光器件的像素,一些商家為了增大銷售額,只標榜數碼相機的最大像素,在數碼相機設置圖片分辨率的時候,的確也有拍攝最高像素的分辨率圖片,但是,用戶要清楚,這是通過數碼相機內部運算而得出的值,再打印圖片的時候,其畫質的減損會十分明顯。
      有效像素:
      有效像素數英文名稱為Effective Pixels。與最大像素不同,有效像素數是指真正參與感光成像的像素值。最高像素的數值是感光器件的真實像素,這個數據通常包含了感光器件的非成像部分,而有效像素是在鏡頭變焦倍率下所換算出來的值。以美能達的DiMAGE7為例,其CCD像素為524萬(5.24Megapixel),因為CCD有一部分并不參與成像,有效像素只為490萬。
      數碼圖片的儲存方式一般以像素(Pixel)為單位,每個象素是數碼圖片里面積最小的單位。像素越大,圖片的面積越大。要增加一個圖片的面積大小,如果沒有更多的光進入感光器件,唯一的辦法就是把像素的面積增大,這樣一來,可能會影響圖片的銳力度和清晰度。所以,在像素面積不變的情況下,數碼相機能獲得最大的圖片像素,即為有效像素。
      用戶在購買數碼相機的時候,通常會看到商家標榜“最大像素達到XXX”和“有效像素達到XXX”,那用戶應該怎樣選擇呢?在選擇數碼相機的時候,應該注重看數碼相機的有效像素是多少,有效像素的數值才是決定圖片質量的關鍵。
    電視的像素
      電視像素在電視系統中的作用是:
     ?。?)決定圖像清晰度。像素分得越小,畫面的總像素就越多,圖像也就越清晰。
     ?。?)便于圖像的電視傳送??梢杂脪呙璺绞街瘘c順次取出圖像信息,并轉變為可傳送的電信號。
     ?。?)便于電視顯像。無論用什么形式顯像,都可是用掃描方式逐點還原出像點。
    像素畫
      像素其實是由很多個點組成。 我們這里說的“像素畫”并不是和矢量圖對應的點陣式圖像,而是指的一種圖標風格的圖像,此風格圖像強調清晰的輪廓、明快的色彩,同時像素圖的造型往往比較卡通,因此得到很多朋友的喜愛。 像素圖的制作方法幾乎不用混疊方法來繪制光滑的線條,所以常常采用.gif格式,而且圖片也經常以動態形式出現.但由于其特殊的制作過程,如果隨意改變圖片的大小,風格就難以保證了。 像素畫的應用范圍相當廣泛,從小時候玩的FC家用紅白機的畫面直到今天的GBA手掌機;從黑白的手機圖片直到今天全彩的掌上電腦;即使我們日以面對的電腦中也無處不充斥著各類軟件的像素圖標。如今像素畫更是成為了一門藝術,深深的震撼著你我。
    效象素值
      首先我們要明確一點,一張數碼照片的實際象素值跟感應器的象素值是有所不同的。以一般的感應器為例,每個象素帶有一個光電二極管,代表著照片中的一個象素。例如一部擁有500萬象素的數碼相機,它的感應器能輸出分辨率為 2,560 x 1,920的圖像—其實精確來講,這個數值只相等于490萬有效象素。有效象素周圍的其他象素負責另外的工作,如決定“黑色是什么”。很多時候,并不是所有感應器上的象素都能被運用。索尼F505V就是其中的經典案例。索尼F505V的感應器擁有334萬象素,但它最多智能輸出1,856 x 1,392即260萬象素的圖像。歸其原因,是索尼當時把比舊款更大的新型感應器塞進舊款數碼相機里面,導致感應器尺寸過大,原來的鏡頭不能完全覆蓋感應器中的每個象素。 因此,數碼相機正是運用”感應器象素值比有效象素值大“這一原理輸出數碼圖片。在當今市場不斷追求高象素的環境下,數碼相機生產商常常在廣告中以數值更高的感應器象素為對象,而不是反映實際成像清晰度的有效象素。
    感應器象素插值
      在通常情況下,感應器中不同位置的每個象素構成圖片中的每個象素。例如一張500萬象素的照片由感應器中的500萬個象素對進入快門的光線進行測量、處理而獲得(有效象素外的其他象素只負責計算)。但是我們有時候能看到這樣的數碼相機:只擁有300萬象素,卻能輸出600萬象素的照片!其實這里并沒有什么虛假的地方,只是照相機在感應器300萬象素測量的基礎上,進行計算和插值,增加照片象素。 當攝影者拍攝JPEG格式的照片時,這種“照相機內擴大”的成像質量會比我們在電腦上擴大優秀,因為“照相機內擴大”是在圖片未被壓縮成JPEG格式前完成的。有數碼相片處理經驗的攝友都清楚,在電腦里面擴大JPEG圖片會使畫面細膩和平滑度迅速下降。雖然數碼相機插值所得的圖片會比感應器象素正常輸出的圖片畫質好,但是插值所得的圖片文件大小比正常輸出的圖片大得多(如300萬感應器象素插值為600萬象素,最終輸入記憶卡的圖片為600萬象素)。因此,插值所得的高象素看來并沒有太多的可取之處,其實運用插值就好像使用數碼變焦-并不能創造原象素無法記錄的細節地方。
    CCD總象素
      CCD總象素也是一個相當重要指標,由于各生產廠家采用不同技術,所以其廠家標稱CCD像素并不直接對應相機實際像素,所以購買數碼相機時更要看相機實際所具有總像素數。一般來講總像素水平達到300萬左右就可以滿足一般應用了,一般200萬象素、100萬象素產品也可以滿足低端使用,當然更高象素數碼相機可以得到更高質量照片,現在有些公司已經開始推出600萬象素級別普通數碼相機了。
      關于相機的發展變化
      數碼相機的發展變化,在某種意義上說,比人們預料的要快得多。截至2007年底,高像素的相機已經進入一般消費者手中。比如八百萬像素的相機,價格已經不是很高。像素可為3,264X2,448=7,990,272。

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