像素==畫質？

前言

當我們有了一部新手機或者新相機的時候，不少人都會問一句：「你相機的像素多少啊？」。似乎像素的數量越多，拍出來的照片就會越好。但實際上，像素數量的多少真的和照片的好壞掛鉤嗎？

1、像素

圖1.1 像素

在繼續討論之前，不妨先說一說像素的定義。

像素是什麼？無論是在顯像、印刷或者是攝像方面，像素就是一個有面積、有顏色的矩形，其本身作為一種元素不可再分，相當於中學物理的質子、中子、電子之類，是構成物質的最小單元。像素只有一種明確的顏色，沒有漸變。

2、成像

無可否認地在一定情況下，像素越多，圖像越細膩，就像字數越多的文章，內容就越豐富。

圖2.1 50X50圖像

圖2.2 490X490圖像

但當文章的字數達到一定數量的時候，可能會是流水賬。這時候700字或許能表示出2000字的意思。像素成像也是這樣，像素的數量是擁有優質圖像的前提，但數量多並不代表內容充實，特別是對於部分手機圖像處理的方法，插值塗抹隨處可見，這時候的像素是有量無質。我們追求像素的目的，是為了記錄物體更多的細節，但如果像素質量不高，那又有什麼意義呢？

圖2.3 像素插值（文字） 單擊播放gif,再次單擊退出

圖2.4 像素插值（表情） 單擊播放gif,再次單擊退出

上面兩動態圖演示了使用Photoshop由低像素圖像插值獲得高像素圖像的變化過程，表現出明顯的抗鋸齒效果，文字的效果表現甚為良好，但畢竟插值不能無中生有，無論怎麼個插法，我們也沒法看清表情圖片的面部細節

3、像素密度

哪到底什麼情況下的像素才是有質量的？影響像素質量的因素有很多，前有感光元件的製作工藝、光電信號的處理方法，後有拍攝時的光線強度、環境溫度等，在這裡就不一一列舉，重點說說其中一個——像素密度。

圖3.1 感光元件大小（畫幅）對比

同樣是2000W像素，單反和手機的成像質量明顯不同，在弱光環境尤為明顯，這歸根於感光元件上的像素密度。單位面積的像素越多，像素越難做大，單個像素獲取到的光線也就越小，而且像素挨得越近，它們之間的干擾就越大。就好比喻一個大食會，食物的數量、房間的大小是固定的，但是100個人參加和10個人參加顯然是不一樣的。要想100個人獲得10個人的效果，那只有增加食物和增大房間的空間。對比手機和單反的感光元件，那大小明顯不在一個數量級，所以同樣是2000W像素得到的效果也不一樣，所謂的「底大一級壓死人」。

4、光學解析度（鏡頭解像力）

但假如生產的工藝跟上來，顧客也願意埋單，做到在同一面積上，讓5000W個像素每個像素成像的效果和2000W個像素每個像素成像的效果一模一樣，那又是不是越多越好？

多強大的感光元件也離不開光學鏡頭成像（我不信你用小孔成像），當牽涉到透鏡的光學成像時，就難免受到物理限制。這裡有一篇文章介紹得很清楚：《艾里斑：我不是雀斑》，在此就不詳細介紹。簡單帶一句，在理想情況下物體是由無數個光點構成，所成的像當然也是由無數個光點組成。但由於衍射，光點（無限小）成像後會散開成了光斑，光斑之間相互影響，然後集合成一個成像系統可分辨的光點（有限大）。通俗一點，就是點與點之間糊成一團。就如用肉眼看一個顯示屏，不藉助放大鏡是難以看清上面RGB小點一樣道理。

圖4.1 艾里斑讓我們沒法分清點與點

那什麼與解析度有關？這裡有公式：

對於望遠鏡，可近似簡化為：

其中x為解析度，單位是角秒（"）；λ為波長，f為透鏡焦距，d為透鏡直徑。

一般情況下，提高解析度其中一個最直接的方法就是增大透鏡口徑。

舉個例子，假設我現在有一支d = 156mm、f = 900mm的望遠鏡，和一台6000x4000（2400W像素）的APS-CNikon相機，那麼我們可以通過計算，得：

望遠鏡的解析度：

相機的橫向視角：

相機單個像素對應的視角：

圖4.2 例題中各參數之間的關係

這時候相機單個像素的解析度等於望遠鏡的解析度x，對於以下場景，有：

圖4.3 = x < 物體細節

無論是鏡頭或是感光元件都無法將物體的細節分辨出來

如果我們將望遠鏡口徑增大兩倍，不增大像素密度，則有：

圖4.4 < x = 物體細節

鏡頭能分辨，每個像素對應的視角不夠細

如果我們將相機像素增加到12000x8000（9600W像素），不增大鏡頭口徑，則有：

圖4.5 x < = 物體細節

像素對應細節，但鏡頭不能解像清晰

如果同時增大，則會：

圖4.6 = x = 物體細節

鏡頭像素相匹配

通過上面例子可以看出，只增大像素密度而不和鏡頭配合，並不能將物體的細節分辨得更加清楚，對物體細節的分辨能力是衡量圖像畫質的一個重要標準。而現在普遍的情況就是：鏡頭跟不上感光元件的發展，鏡頭喂不飽像素的情況時有發生。對於現時的手機鏡頭，就不要指望能有拍多細緻了。

5、你需要多少像素？

如果像素質量的問題解決了，我們又是不是真的需要那麼多像素？

現在大多數人拍照是為了發朋友圈，可是我們要知道，當把圖片發出去時，平台會在發送前對圖片進行減值運算，可能是減去部分像素，也可能是減去一定的色彩深度（較少見，製作gif會出現），讓一張標準的1300W像素手機圖片變成51W，讓一張標準的2400W像素單反圖片變成61W，更讓一張合成的2.25億像素圖片變成90W，損失近99.6%！

圖5.1 實際上很多人在發送之前已經處理得毫無細節了

如此情況就沒有必要追求照片的像素了，這個結論甚至在沖印照片也有用，通常沖印會使用300dpi的解析度，以標準相冊的4R（6英寸長邊，比例6:4）照片為例，只需要給長邊1800個像素、寬邊1200個像素即可。對於顯示屏，如果你不把圖片放大看，比如看電影，只要和屏幕解析度適配即可，在一個1366x768的顯示屏播放4K視頻是一種浪費，毫無必要。

另外，像素過多的圖片也難以處理，對機器的要求更高。

除非我們對圖片進行裁剪、沖印更大尺寸的照片，甚至是印刷海報，但這些情況無一例外地對照片進行了直接或間接的「放大化」處理，這時候高像素才有它的用武之地。

總結

像素和畫質的關係，就像文字和文章的關係，寫好一句話，不代表寫好一整篇文章；文章寫得長，也未必就寫得好。一旦脫離了鏡頭或者相機本身，畫質便無從談起，它們兩個是相互制約的。本文只作科普作用，部分例子可能會有不嚴謹的地方，並且在實際應用中，情況要複雜得多，譬如鏡頭的光學解析度還會受到像差等其它方面因素的影響，而相機的感光元件則牽涉到電子技術方面的內容，值得一提的是大部分手機和相機使用的是Snoy的底，我們在光學、電子技術方面仍需繼續努力。

註：部分圖片來自網路，其中圖2.3和圖2.4為gif圖片
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