本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
这是一篇吉姆·珀金斯（Jim Perkins）的客座文章，他是罗切斯特理工学院医学插画项目的教授。吉姆以清晰易懂的方式解释了图形和插画中最令人困惑的概念——他之前曾两次为 Symbiartic 撰稿：第一次是关于为什么校准计算机显示器是个好主意，第二次是关于被称为伽玛和白点的神秘设置。我很高兴能够再次发布他极其有用的解释，这次是关于点、斑点和像素之间的区别。
作为一名医学插画家，我痴迷于术语。我每天都要处理数百个解剖学术语，其中大多数源于拉丁语或希腊语词根。而且我非常注重准确性。就像我们自己的语言一样，仅仅改变一个字母就可以完全改变一个词的含义，例如，前缀myo-（意思是肌肉）变成mylo-（臼齿），然后可能变成myelo-（指骨髓或脊髓）。正如我的学生可以证明的那样，我也非常注重拉丁语术语的古老复数形式。ramus communicans的复数是rami communicantes，phalanges的单数是phalanx。不存在“phalange”这样的词。
我想，我对术语的痴迷蔓延到我教学的其他方面也就不足为奇了。我最讨厌的事情之一就是“点”这个词的误用，尤其是在“每英寸点数”或 DPI 这种表达方式中使用时。这个简单的术语被应用于图形艺术中的几个不同（且非常独特）的概念，导致了广泛的混乱。让我们探讨一下这些概念，以及为什么保持它们清晰明了很重要。
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半色调点
“点”这个词最初在图形艺术中用来指代微小的点图案，这种图案可以使用实心墨水来模拟连续色调图像。这项技术——以及“点”这个术语的使用——在 19 世纪中后期发展起来，比计算机图形革命早了一个多世纪。
正如您在下图中所见，照片可以创建从黑色到白色以及介于两者之间的所有灰度的平滑渐变。然而，大多数印刷方法（包括胶印和平版印刷和桌面数字印刷）并非如此。这些技术只能印刷实心墨水区域。墨水永远不会被稀释，也不会添加白色墨水来制作灰色阴影。在印刷中再现灰色阴影的唯一方法是将图像分解成微小的点，当用肉眼观看时，这些点看起来会融合为连续的色调。这种由微小点图案组成的图像称为半色调。这些点本身被称为半色调点。
该过程从原始图像的底片开始。光线穿过底片，然后穿过网屏，通常是一块玻璃板，其表面蚀刻有水平和垂直线网格。穿过网屏后，光线会曝光另一张胶片。网屏起到衍射光栅的作用，将光线分解成微小的离散光线，从而形成点图案。结果是一个复制底片，它具有实心点图案，而不是连续的灰色阴影。然后，该复制底片用于为胶印工艺制作印版。
点线
半色调工艺引入了另一个印刷术语，它经常与其他术语混淆。如果您查看图 1，您会看到半色调点以有序的行或线排列，通常与纸张成一定角度。在传统的半色调工艺中，这些点线的间距在整个图像中保持恒定；只有点的大小会变化以创建不同的灰色阴影。
半色调点线的间距称为网线频率或网线数，以线/英寸 (LPI) 表示，即每英寸的点线（行）数。虽然这是一种分辨率形式，但它与数字图像的分辨率截然不同，这将在下面讨论。请记住，这种半色调工艺比数字成像早一百年。
虽然网线数在单个图像中（通常在整个印刷品中）保持恒定，但可以为不同的印刷品使用不同的网线数（参见图 3）。
网线数的选择几乎完全取决于所印刷的纸张类型。例如，新闻纸具有很强的吸水性，墨水会渗入纸张并导致半色调点扩大，这种现象称为网点扩大。如果点线之间的距离太近，墨水会渗在一起，并且会丢失精细细节。因此，在新闻纸（和其他廉价纸张）上印刷需要非常粗糙的网线数，通常约为 85 LPI。使用如此粗糙的网线数，半色调点通常肉眼可见，流行艺术家罗伊·利希滕斯坦（Roy Lichtenstein）利用了这一事实（图 4）。质量更好的纸张经过涂层处理，可最大限度地减少网点扩大，因此支持更精细的网线数。大多数书籍、杂志和其他印刷材料都以 133 或 150 LPI 印刷，而一些艺术书籍和公司报告可能会使用 200 LPI 或更高的非常精细的网线数。
电子半色调
用于生成半色调的照相工艺近 100 年来一直是行业标准。在 20 世纪 70 年代，Crossfield Electronics 和 Linotype-Hell 等公司开发了电子点生成器，该生成器使用激光将扫描图像转换为半色调底片。1984 年，Linotype 推出了 Linotronics 100 和 300，这是第一批使用激光技术将数字图像转换为半色调的照排机。Linotronics 的发布恰逢运行 Aldus Pagemaker 的 Macintosh 电脑的推出，这是世界上第一个页面布局软件。Apple 和 Linotronics 也是第一批采用 Adobe PostScript 页面描述语言的公司，允许计算机将图形信息发送到照排机（以及 Apple 新发布的 Laserwriter 打印机）。桌面出版时代由此开始。
照排机至今仍被广泛使用。它们已被跳过制作底片过程的晒版机所补充，晒版机使用激光将半色调直接烧蚀到印刷版上。桌面激光打印机也使用类似的技术。然而，激光不是蚀刻到胶片或印版上，而是在旋转的金属鼓上产生静电荷。鼓吸附干燥的碳粉，然后将碳粉转移到纸张上。
无论具体技术如何，这些电子半色调系统都有一个共同点——它们创建极小的标记，称为斑点、打印机元素，甚至设备像素（不要与显示器上的像素混淆），这些标记可以组合起来创建不同大小的半色调点。
想象一下，印刷表面（纸张、胶片或印版）被划分为微小空间的网格（参见图 5）。这些小空间中的每一个都对应于激光设备可以创建的最小标记。如果激光照射到特定空间，它将被“打开”以创建黑色斑点或打印机元素。为了生成半色调图案，即以有序线排列的半色调点，打印机将其斑点图案划分为垂直列和水平行网格。在每行和每列的交汇处是一个打印机斑点簇，称为半色调单元。打印机可以打开或关闭每个单元格内的斑点，以创建不同大小的半色调点。如果每个单元格内只打开几个斑点，则会产生一个小的半色调点，从而呈现浅灰色的外观。随着每个单元格内打开的斑点越来越多，半色调点变得更大，从而产生更深的灰色。
这些微小斑点或元素的间距是打印机的分辨率。我更喜欢术语“每英寸斑点数”（SPI），指的是设备可以在线性英寸内放置的微小斑点或打印机元素的数量。不幸的是，大多数打印机制造商使用更常见的表达方式“每英寸点数”或 DPI，这种趋势始于 20 世纪 70 年代的首批点阵打印机。这导致了打印机斑点和半色调点之间的重大混淆。事实上，许多图形专业人士颠倒了术语，使用“点”（和 DPI）一词来指代打印机制作的微小标记或元素，而使用“斑点”一词来指代传统上称为半色调点的物体。SPI 也用作数字扫描仪分辨率的度量单位（以每英寸样本数表示），这进一步使情况复杂化。
尽管目前存在趋势，但我更喜欢传统上使用“点”一词来指代大小可变的半色调点，以创建不同的灰色阴影。这是 100 多年来公认的术语，并已纳入其他图形术语中，例如上面讨论的网点扩大。在本博客中，当指代打印机分辨率时，我将继续使用“每英寸斑点数”（SPI），但读者应该意识到，它经常与术语“每英寸点数”或 DPI 交替使用。
像素
“每英寸点数”一词最常见（且不准确）的用法之一是描述数字图像中像素的密度。像素（“图像元素”的缩写）是栅格图像的最小可编辑组件。像素通常是正方形的（某些数字视频格式除外），并且排列在水平行和垂直列的网格中。栅格图像分辨率的正确术语是“每英寸像素数”（PPI），它是指水平和垂直尺寸上每线性英寸的像素数。一个 300 PPI 的一英寸正方形将是 300 像素宽和 300 像素高，总共 90,000 像素。
Adobe Photoshop 等复杂的图形软件在描述栅格图像时使用正确的术语“每英寸像素数”（例如，查看 Photoshop 中的“图像大小”对话框）。然而，不准确的术语“每英寸点数”已开始渗透到某些图形软件中，反映了该术语被广泛误用以表示任何分辨率度量。即使是 Photoshop 的近亲 Adobe Illustrator 也成为了 PPI 和 DPI 之间混淆的受害者。从 Illustrator 导出 PSD、PNG 或 BMP 文件时，分辨率选项以 PPI 列出。但是，导出 JPEG 或 TIFF 文件时，输出分辨率以 DPI 给出。
进一步增加混乱的是“百万像素”一词，有时用作衡量数码相机分辨率的指标。这实际上并不是分辨率的度量单位，因为分辨率是指线性测量单位（例如，每英寸像素数）内的单位数（点、像素等）。相反，百万像素是指数码相机可以捕获的像素总数，并且没有说明这些像素是紧密地堆积在一个小空间中（高分辨率）还是分布在一个大面积中（低分辨率）。
名称中有什么？
您可能会问，所有这些有什么关系？仅仅是因为我对术语有神经质，还是有充分的理由保持这些术语清晰明了？根据我作为教师的经验，我发现我的学生经常混淆这些术语，从而导致在如何构建和打印数字图像方面做出错误的决定。我认为，为了保持概念清晰明了，保持术语清晰明了非常重要。
我的学生遇到的最大问题可能是，他们假设数字文件的像素分辨率 (PPI)、打印设备 (SPI 或 DPI) 的输出分辨率和半色调网线频率 (LPI) 之间存在一对一的关系。例如，他们可能会假设，为了在 1200 DPI 的激光打印机上打印，图像本身必须是 1200 PPI。而且他们通常不清楚这些数字与半色调网线频率有何关系。它们之间存在关系，但并非必然是一对一的关系。
数字图形文件的正确分辨率（以 PPI 为单位）取决于正在创建的艺术品的类型，特别是它是线条艺术还是连续色调艺术品（参见图 6）。线条艺术是指任何由实心黑线、点刻点或其他黑色物体组成的，背景为纯白色的图像。没有灰色阴影（即没有半色调）。在创建（或扫描）线条艺术作品时，图像的分辨率应该相当高。大多数出版商要求线条艺术作品以 600-1000 像素/英寸的分辨率准备。这将确保黑线在输出到高分辨率打印设备时显得清晰平滑。
连续色调图像是包含灰色阴影和细微色调变化的图像。这包括许多类型的艺术品和几乎所有照片。您可能会认为，连续色调图像需要更高的分辨率才能捕捉到细微的色调变化。然而，事实恰恰相反。连续色调图像通常缺乏线条艺术作品的硬边和高对比度，因此无需高分辨率来创建清晰的边缘。相反，连续色调图像只需要足够的分辨率来创建像样的半色调。
经验法则是以像素分辨率 (PPI) 创建连续色调图像，该分辨率是最终图像印刷中将使用的半色调网线数 (LPI) 的两倍。例如，如果图像将在报纸上以 85 LPI 印刷，则 170 PPI 的分辨率就足够了。对于以 133 或 150 LPI 印刷的书籍或杂志，数字图像的分辨率应为 266 或 300 PPI。由于 133 和 150 LPI 是大多数胶印中最常用的网线数，因此许多艺术家将其所有连续色调图像都制作成 300 像素/英寸。但是，这种分辨率不足以用于使用 200 LPI 或更高网线数的高端印刷（艺术书籍、公司报告等）。因此，在开始插画之前，艺术家必须知道该图像的用途。如果最终用途是印刷品，艺术家必须知道打印机将使用的网线数。
一旦插画家将作品发送给客户，客户就有责任确保其正确打印。这意味着为工作选择正确的网线数和选择正确的印刷设备。插画家通常不必担心最终输出设备（通常是照排机或晒版机）的分辨率。但为了完整地讲述这个故事，我想讨论半色调网线数和打印机分辨率之间的关系。如果您曾经在激光打印件中看到明显的条带，这可能解释了原因。
回想一下上面，打印设备产生的小斑点被细分为称为半色调单元的簇（参见图 5）。半色调单元内的斑点被打开或关闭以创建不同大小的半色调点，从而产生不同灰色阴影的外观。每个半色调单元内的斑点数量决定了半色调点大小的变化，从而决定了可以产生的不同灰色阴影的数量。例如，一个 16 个斑点宽乘 16 个斑点高的半色调单元将总共有 256 个斑点（16 x 16 = 256），并且可以产生 256 种不同大小的半色调点，从而产生 256 种灰色阴影。碰巧的是，人眼只能分辨出几百种灰色阴影，因此 256 种大致足以再现可见灰度值的完整范围。
您需要两条信息来确定半色调单元中的斑点数量——打印设备的分辨率（以每英寸斑点数表示）和网线频率（以每英寸线数表示）。只需将打印机分辨率除以网线数，答案就会告诉您水平和垂直尺寸上每个半色调单元中有多少个斑点。它的平方是单元内斑点的总数。例如，假设您以 150 网线数在 1200 SPI 激光打印机上打印。1200 除以 150 等于 8，这意味着半色调单元是 8 个斑点宽乘 8 个斑点高，总共 64 个斑点（8 x 8 = 64）。因此，网线数和打印机分辨率的这种组合将产生只有 64 种灰色阴影的打印件。打印件将有明显的条带，并且会非常难看（参见图 7）。
最重要的是，分辨率为 1200 SPI 的典型办公室激光打印机没有足够的分辨率以 150 LPI 打印出像样的半色调。您至少需要 2400 SPI 才能生成一个 16 x 16 斑点的半色调单元，从而产生 256 种灰色阴影，且没有可见的条带。这就是为什么专业的印刷硬件（照排机和晒版机）通常以至少 2400 SPI 的分辨率打印的原因。随着对更高网线数（200 LPI 及以上）的需求不断增长，这些设备通常以 3600 SPI 甚至更高的分辨率打印。
总结
“每英寸点数”或 DPI 术语在图形艺术家、插画家和摄影师中被广泛误用，经常用来代替更准确的术语，如“每英寸线数”（用于半色调网屏）、“每英寸斑点数”（用于打印机分辨率）或“每英寸像素数”（用于数字图像的分辨率）。这导致了对这些概念之间关系的混淆。希望我能帮助澄清这些术语（以及它们彼此之间的关系）。
吉姆·珀金斯（Jim Perkins）是罗切斯特理工学院医学插画项目的教授，他在那里教授人体解剖学、科学可视化和计算机图形学课程。他也是一名执业插画家，为几本畅销医学教科书创作艺术作品，主要领域是病理学和生理学。20 年来，他一直是 Robbins and Cotran 病理学系列教材的唯一插画家。他也是一个插画家团队的成员，该团队继承了已故的弗兰克·H·内特（Frank H. Netter）博士的工作，内特博士被许多人认为是 20 世纪最伟大的医学艺术家。要查看吉姆的作品示例，请访问以下链接