本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
這是一篇吉姆·珀金斯（Jim Perkins）的客座文章，他是羅切斯特理工學院醫學插畫專案的教授。吉姆以清晰易懂的方式解釋了圖形和插畫中最令人困惑的概念——他之前曾兩次為 Symbiartic 撰稿：第一次是關於為什麼校準計算機顯示器是個好主意，第二次是關於被稱為伽瑪和白點的神秘設定。我很高興能夠再次釋出他極其有用的解釋，這次是關於點、斑點和畫素之間的區別。
作為一名醫學插畫家，我痴迷於術語。我每天都要處理數百個解剖學術語，其中大多數源於拉丁語或希臘語詞根。而且我非常注重準確性。就像我們自己的語言一樣，僅僅改變一個字母就可以完全改變一個詞的含義，例如，字首myo-（意思是肌肉）變成mylo-（臼齒），然後可能變成myelo-（指骨髓或脊髓）。正如我的學生可以證明的那樣，我也非常注重拉丁語術語的古老複數形式。ramus communicans的複數是rami communicantes，phalanges的單數是phalanx。不存在“phalange”這樣的詞。
我想，我對術語的痴迷蔓延到我教學的其他方面也就不足為奇了。我最討厭的事情之一就是“點”這個詞的誤用，尤其是在“每英寸點數”或 DPI 這種表達方式中使用時。這個簡單的術語被應用於圖形藝術中的幾個不同（且非常獨特）的概念，導致了廣泛的混亂。讓我們探討一下這些概念，以及為什麼保持它們清晰明瞭很重要。
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半色調點
“點”這個詞最初在圖形藝術中用來指代微小的點圖案，這種圖案可以使用實心墨水來模擬連續色調影像。這項技術——以及“點”這個術語的使用——在 19 世紀中後期發展起來，比計算機圖形革命早了一個多世紀。
正如您在下圖中所見，照片可以建立從黑色到白色以及介於兩者之間的所有灰度的平滑漸變。然而，大多數印刷方法（包括膠印和平版印刷和桌面數位印刷）並非如此。這些技術只能印刷實心墨水區域。墨水永遠不會被稀釋，也不會新增白色墨水來製作灰色陰影。在印刷中再現灰色陰影的唯一方法是將影像分解成微小的點，當用肉眼觀看時，這些點看起來會融合為連續的色調。這種由微小點圖案組成的影像稱為半色調。這些點本身被稱為半色調點。
該過程從原始影像的底片開始。光線穿過底片，然後穿過網屏，通常是一塊玻璃板，其表面蝕刻有水平和垂直線網格。穿過網屏後，光線會曝光另一張膠片。網屏起到衍射光柵的作用，將光線分解成微小的離散光線，從而形成點圖案。結果是一個複製底片，它具有實心點圖案，而不是連續的灰色陰影。然後，該複製底片用於為膠印工藝製作印版。
點線
半色調工藝引入了另一個印刷術語，它經常與其他術語混淆。如果您檢視圖 1，您會看到半色調點以有序的行或線排列，通常與紙張成一定角度。在傳統的半色調工藝中，這些點線的間距在整個影像中保持恆定；只有點的大小會變化以建立不同的灰色陰影。
半色調點線的間距稱為網線頻率或網線數，以線/英寸 (LPI) 表示，即每英寸的點線（行）數。雖然這是一種解析度形式，但它與數字影像的解析度截然不同，這將在下面討論。請記住，這種半色調工藝比數字成像早一百年。
雖然網線數在單個影像中（通常在整個印刷品中）保持恆定，但可以為不同的印刷品使用不同的網線數（參見圖 3）。
網線數的選擇幾乎完全取決於所印刷的紙張型別。例如，新聞紙具有很強的吸水性，墨水會滲入紙張並導致半色調點擴大，這種現象稱為網點擴大。如果點線之間的距離太近，墨水會滲在一起，並且會丟失精細細節。因此，在新聞紙（和其他廉價紙張）上印刷需要非常粗糙的網線數，通常約為 85 LPI。使用如此粗糙的網線數，半色調點通常肉眼可見，流行藝術家羅伊·利希滕斯坦（Roy Lichtenstein）利用了這一事實（圖 4）。質量更好的紙張經過塗層處理，可最大限度地減少網點擴大，因此支援更精細的網線數。大多數書籍、雜誌和其他印刷材料都以 133 或 150 LPI 印刷，而一些藝術書籍和公司報告可能會使用 200 LPI 或更高的非常精細的網線數。
電子半色調
用於生成半色調的照相工藝近 100 年來一直是行業標準。在 20 世紀 70 年代，Crossfield Electronics 和 Linotype-Hell 等公司開發了電子點生成器，該生成器使用雷射將掃描影像轉換為半色調底片。1984 年，Linotype 推出了 Linotronics 100 和 300，這是第一批使用雷射技術將數字影像轉換為半色調的照排機。Linotronics 的釋出恰逢執行 Aldus Pagemaker 的 Macintosh 電腦的推出，這是世界上第一個頁面佈局軟體。Apple 和 Linotronics 也是第一批採用 Adobe PostScript 頁面描述語言的公司，允許計算機將圖形資訊傳送到照排機（以及 Apple 新發布的 Laserwriter 印表機）。桌面出版時代由此開始。
照排機至今仍被廣泛使用。它們已被跳過製作底片過程的曬版機所補充，曬版機使用雷射將半色調直接燒蝕到印刷版上。桌面雷射印表機也使用類似的技術。然而，雷射不是蝕刻到膠片或印版上，而是在旋轉的金屬鼓上產生靜電荷。鼓吸附乾燥的碳粉，然後將碳粉轉移到紙張上。
無論具體技術如何，這些電子半色調系統都有一個共同點——它們創建極小的標記，稱為斑點、印表機元素，甚至裝置畫素（不要與顯示器上的畫素混淆），這些標記可以組合起來建立不同大小的半色調點。
想象一下，印刷表面（紙張、膠片或印版）被劃分為微小空間的網格（參見圖 5）。這些小空間中的每一個都對應於雷射裝置可以建立的最小標記。如果雷射照射到特定空間，它將被“開啟”以建立黑色斑點或印表機元素。為了生成半色調圖案，即以有序線排列的半色調點，印表機將其斑點圖案劃分為垂直列和水平行網格。在每行和每列的交匯處是一個印表機斑點簇，稱為半色調單元。印表機可以開啟或關閉每個單元格內的斑點，以建立不同大小的半色調點。如果每個單元格內只打開幾個斑點，則會產生一個小的半色調點，從而呈現淺灰色的外觀。隨著每個單元格內開啟的斑點越來越多，半色調點變得更大，從而產生更深的灰色。
這些微小斑點或元素的間距是印表機的解析度。我更喜歡術語“每英寸斑點數”（SPI），指的是裝置可以線上性英寸內放置的微小斑點或印表機元素的數量。不幸的是，大多數列印機制造商使用更常見的表達方式“每英寸點數”或 DPI，這種趨勢始於 20 世紀 70 年代的首批點陣印表機。這導致了印表機斑點和半色調點之間的重大混淆。事實上，許多圖形專業人士顛倒了術語，使用“點”（和 DPI）一詞來指代列印機制作的微小標記或元素，而使用“斑點”一詞來指代傳統上稱為半色調點的物體。SPI 也用作數字掃描器解析度的度量單位（以每英寸樣本數表示），這進一步使情況複雜化。
儘管目前存在趨勢，但我更喜歡傳統上使用“點”一詞來指代大小可變的半色調點，以建立不同的灰色陰影。這是 100 多年來公認的術語，並已納入其他圖形術語中，例如上面討論的網點擴大。在本部落格中，當指代印表機解析度時，我將繼續使用“每英寸斑點數”（SPI），但讀者應該意識到，它經常與術語“每英寸點數”或 DPI 交替使用。
畫素
“每英寸點數”一詞最常見（且不準確）的用法之一是描述數字影像中畫素的密度。畫素（“影像元素”的縮寫）是柵格影像的最小可編輯元件。畫素通常是正方形的（某些數字影片格式除外），並且排列在水平行和垂直列的網格中。柵格影像解析度的正確術語是“每英寸畫素數”（PPI），它是指水平和垂直尺寸上每線性英寸的畫素數。一個 300 PPI 的一英寸正方形將是 300 畫素寬和 300 畫素高，總共 90,000 畫素。
Adobe Photoshop 等複雜的圖形軟體在描述柵格影像時使用正確的術語“每英寸畫素數”（例如，檢視 Photoshop 中的“影像大小”對話方塊）。然而，不準確的術語“每英寸點數”已開始滲透到某些圖形軟體中，反映了該術語被廣泛誤用以表示任何解析度度量。即使是 Photoshop 的近親 Adobe Illustrator 也成為了 PPI 和 DPI 之間混淆的受害者。從 Illustrator 匯出 PSD、PNG 或 BMP 檔案時，解析度選項以 PPI 列出。但是，匯出 JPEG 或 TIFF 檔案時，輸出解析度以 DPI 給出。
進一步增加混亂的是“百萬畫素”一詞，有時用作衡量數碼相機解析度的指標。這實際上並不是解析度的度量單位，因為解析度是指線性測量單位（例如，每英寸畫素數）內的單位數（點、畫素等）。相反，百萬畫素是指數碼相機可以捕獲的畫素總數，並且沒有說明這些畫素是緊密地堆積在一個小空間中（高解析度）還是分佈在一個大面積中（低解析度）。
名稱中有什麼？
您可能會問，所有這些有什麼關係？僅僅是因為我對術語有神經質，還是有充分的理由保持這些術語清晰明瞭？根據我作為教師的經驗，我發現我的學生經常混淆這些術語，從而導致在如何構建和列印數字影像方面做出錯誤的決定。我認為，為了保持概念清晰明瞭，保持術語清晰明瞭非常重要。
我的學生遇到的最大問題可能是，他們假設數字檔案的畫素解析度 (PPI)、列印裝置 (SPI 或 DPI) 的輸出解析度和半色調網線頻率 (LPI) 之間存在一對一的關係。例如，他們可能會假設，為了在 1200 DPI 的雷射印表機上列印，影像本身必須是 1200 PPI。而且他們通常不清楚這些數字與半色調網線頻率有何關係。它們之間存在關係，但並非必然是一對一的關係。
數字圖形檔案的正確解析度（以 PPI 為單位）取決於正在建立的藝術品的型別，特別是它是線條藝術還是連續色調藝術品（參見圖 6）。線條藝術是指任何由實心黑線、點刻點或其他黑色物體組成的，背景為純白色的影像。沒有灰色陰影（即沒有半色調）。在建立（或掃描）線條藝術作品時，影像的解析度應該相當高。大多數出版商要求線條藝術作品以 600-1000 畫素/英寸的解析度準備。這將確保黑線在輸出到高解析度列印裝置時顯得清晰平滑。
連續色調影像是包含灰色陰影和細微色調變化的影像。這包括許多型別的藝術品和幾乎所有照片。您可能會認為，連續色調影像需要更高的解析度才能捕捉到細微的色調變化。然而，事實恰恰相反。連續色調影像通常缺乏線條藝術作品的硬邊和高對比度，因此無需高解析度來建立清晰的邊緣。相反，連續色調影像只需要足夠的解析度來建立像樣的半色調。
經驗法則是以畫素解析度 (PPI) 建立連續色調影像，該解析度是最終影像印刷中將使用的半色調網線數 (LPI) 的兩倍。例如，如果影像將在報紙上以 85 LPI 印刷，則 170 PPI 的解析度就足夠了。對於以 133 或 150 LPI 印刷的書籍或雜誌，數字影像的解析度應為 266 或 300 PPI。由於 133 和 150 LPI 是大多數膠印中最常用的網線數，因此許多藝術家將其所有連續色調影像都製作成 300 畫素/英寸。但是，這種解析度不足以用於使用 200 LPI 或更高網線數的高階印刷（藝術書籍、公司報告等）。因此，在開始插畫之前，藝術家必須知道該影像的用途。如果最終用途是印刷品，藝術家必須知道印表機將使用的網線數。
一旦插畫家將作品傳送給客戶，客戶就有責任確保其正確列印。這意味著為工作選擇正確的網線數和選擇正確的印刷裝置。插畫家通常不必擔心最終輸出裝置（通常是照排機或曬版機）的解析度。但為了完整地講述這個故事，我想討論半色調網線數和印表機解析度之間的關係。如果您曾經在雷射列印件中看到明顯的條帶，這可能解釋了原因。
回想一下上面，列印裝置產生的小斑點被細分為稱為半色調單元的簇（參見圖 5）。半色調單元內的斑點被開啟或關閉以建立不同大小的半色調點，從而產生不同灰色陰影的外觀。每個半色調單元內的斑點數量決定了半色調點大小的變化，從而決定了可以產生的不同灰色陰影的數量。例如，一個 16 個斑點寬乘 16 個斑點高的半色調單元將總共有 256 個斑點（16 x 16 = 256），並且可以產生 256 種不同大小的半色調點，從而產生 256 種灰色陰影。碰巧的是，人眼只能分辨出幾百種灰色陰影，因此 256 種大致足以再現可見灰度值的完整範圍。
您需要兩條資訊來確定半色調單元中的斑點數量——列印裝置的解析度（以每英寸斑點數表示）和網線頻率（以每英寸線數表示）。只需將印表機解析度除以網線數，答案就會告訴您水平和垂直尺寸上每個半色調單元中有多少個斑點。它的平方是單元內斑點的總數。例如，假設您以 150 網線數在 1200 SPI 雷射印表機上列印。1200 除以 150 等於 8，這意味著半色調單元是 8 個斑點寬乘 8 個斑點高，總共 64 個斑點（8 x 8 = 64）。因此，網線數和印表機解析度的這種組合將產生只有 64 種灰色陰影的列印件。列印件將有明顯的條帶，並且會非常難看（參見圖 7）。
最重要的是，解析度為 1200 SPI 的典型辦公室雷射印表機沒有足夠的解析度以 150 LPI 打印出像樣的半色調。您至少需要 2400 SPI 才能生成一個 16 x 16 斑點的半色調單元，從而產生 256 種灰色陰影，且沒有可見的條帶。這就是為什麼專業的印刷硬體（照排機和曬版機）通常以至少 2400 SPI 的解析度列印的原因。隨著對更高網線數（200 LPI 及以上）的需求不斷增長，這些裝置通常以 3600 SPI 甚至更高的解析度列印。
總結
“每英寸點數”或 DPI 術語在圖形藝術家、插畫家和攝影師中被廣泛誤用，經常用來代替更準確的術語，如“每英寸線數”（用於半色調網屏）、“每英寸斑點數”（用於印表機解析度）或“每英寸畫素數”（用於數字影像的解析度）。這導致了對這些概念之間關係的混淆。希望我能幫助澄清這些術語（以及它們彼此之間的關係）。
吉姆·珀金斯（Jim Perkins）是羅切斯特理工學院醫學插畫專案的教授，他在那裡教授人體解剖學、科學視覺化和計算機圖形學課程。他也是一名執業插畫家，為幾本暢銷醫學教科書創作藝術作品，主要領域是病理學和生理學。20 年來，他一直是 Robbins and Cotran 病理學系列教材的唯一插畫家。他也是一個插畫家團隊的成員，該團隊繼承了已故的弗蘭克·H·內特（Frank H. Netter）博士的工作，內特博士被許多人認為是 20 世紀最偉大的醫學藝術家。要檢視吉姆的作品示例，請訪問以下連結