學Matplotlib需要擰清的概念之Inches, PPI, DPI

先問兩個問題，你思考過：

1. 為什么matplotlib繪圖，有一個“figure'圖形對象，還需要“canvas'畫布對象？又不是真的在畫布上繪畫？

2. mpl中是如何實現(xiàn)坐標定位的？

在photoshop中也是如此。

在學習計算機繪圖時，經(jīng)常見到一些概念，如：

• DPI

• PPI

• 圖像

• 畫布

• 圖像尺寸

• 畫布尺寸

• 分辯率

• inches

• 像素(pixels)

• Axes

• Axis

• .......等

像我這樣的草根，初期常擰不清它們，并且困惑于：為什么要弄出這么多“差不多”（相似）的概念？

我也很長時間停留在對它們的一知半解上，因為那時也認為，大致知道這此概念就“差不多了”（馬馬虎虎），我只要能畫出圖形來即可！

其實理清這些概念很重要，它是輸出圖像質量、繪圖坐標設置、matplotlib一些參數(shù)設置等的基礎，甚至有時直接決定了你自由操控matplotlib的能力（如坐標變換）。在對它們模糊的時候，使用matplotlib，很多參數(shù)設置的目的和產(chǎn)生的結果也就是模糊的。

等我花一些時間理清楚它們后，過去對matplotlib中一些不能理解的地方也豁然開朗了。

本打算把類似上面的一些基礎性概念在一篇文章中做個總結，因篇幅的限制，需要分幾篇了。

顯示器的尺寸

繪圖過程中，絕大多數(shù)時間，我們都是在顯示器（本文以液晶顯示器為例）上操作、查看圖像。

顯示器有一個最直接、固定的參數(shù)，就是經(jīng)常說的屏幕尺寸。

屏幕尺寸（物理尺寸），用英寸 inches表示，它是矩形'液晶面板'的對角線長度。比如，17寸顯示器，23.1寸顯示器...等。

矩形的對角線是23.1 inches，顯示器的長、寬是多少呢？這就引入了屏幕比例的概念，如標準的4：3，16：9。

1 英寸 = 2.54 厘米。

我正在用的臺式機上的顯示器是：23.1英寸，16：9。

用 l 、w 分別表示液晶面板的長和寬，有：

解上面的方程組即可大概地計算出顯示器屏幕的長和寬了，單位是厘米。

計算結果是：

• l = 51.55556 ≈ 51 厘米

• w = 28.76559 ≈ 29 厘米

我們可以用尺子量一下屏幕顯示區(qū)的長和寬。更精確的是使用硬件檢測軟件獲取顯示器的詳細信息，我的顯示器檢測結果如下：

小結：

• 用液晶面板的對角線長度，單位英寸，inches，表示 ；

• 屏幕的長寬比叫屏幕比例，如 16：9；

• 上兩點計算出屏幕的物理長、寬，一般用厘米或英寸表示。

在matplotlib中，`display`坐標就是基于這個屏幕構建的坐標，所以用inches或像素標識。

后面會專題討論matplotlib中的各種坐標系，上面的知識會有助于你的理解。

液晶顯示器的”像素“ pixel

液晶是一種特殊的有機化合物， 在常溫條件下，它呈現(xiàn)出既有液體的流動性，又有晶體的光學各向異性，因而稱為“液晶”。

液晶的物理特性是：當通電時，排列變的有秩序，使光線容易通過（看起來就是亮）；不通電時排列混亂，阻止光線通過（看起來就是灰暗）。讓液晶如閘門般地阻隔或讓光線穿透。

液晶層中的液滴都被包含在細小的單元格結構中，一個或多個單元格構成屏幕上的一個像素。在玻璃板與液晶材料之間是透明的電極，電極分為行和列，在行與列的交叉點上，通過改變電壓而改變液晶的旋光狀態(tài)，液晶材料的作用類似于一個個小光閥。這樣就可以控制每個像素的亮度和顏色了。

顯然，相同尺寸的液晶層上劃分的單元格（像素）越多，顯示器的顯示精度就越高，顯示出來的圖像就越細膩，但這種顯示器的制作工藝難度就會增加，成本也會增加。

顯示器就是通過在一個一個單元格（像素）中填充不同的顏色來表達圖像的。

像素就是最小的顯示單元格，在一個單元格中只能顯示相同的顏色。

分辨率，resolution

我們在選購顯示器時，非常關注的”分辨率“參數(shù)，它就與”像素“有關。像素常用字母PX表示。

分辨率，又稱解析度、解像度。即顯示屏幕區(qū)域被分解為多少個像素（單元格）。

雖然在系統(tǒng)中有設置顯示器分辨的地方，但液晶顯示器的最大分辨率在出廠后就是固定的了。能設置的僅是當前分辨率。下圖是windows 10 系統(tǒng)設置顯示分辨率的界面。

我的顯示器最大分辨率是 1920*1080，即長向上有1920個PX，寬向上有1080PX

總的有 2073600 個像素，它就是我的顯示的分辨率了。這個數(shù)字太大，不好理解，所以一般直接用類似 1920PX * 1080PX這樣的形式來表示屏幕的分辨率，手機屏幕也是如此。

題外話：液晶面板的單元格劃分在出廠時就固定了，為什么還能設置當前分辨率呢？

假如我將當前分辨率調整為1280px*960px，按照定義，長向就是1280個像素，寬向就是960個像素。其實并不是你改變了顯示器分辨率，而是操作系統(tǒng)欺騙了你。操作系統(tǒng)通過一系列運算將1920*1080個單元格矩陣變換為1280*960個模擬像素矩陣呈現(xiàn)給你。所以，就有了當前分辨率和最大分辨。

PPI 是什么？

基于分辨率的含義，人們還用每英寸長度上像素個數(shù)來表示屏幕分辨率，即 Pixels per inches，縮寫為 PPI。

我的顯示器長向上最大為1920像素，物理長度是51厘米（折合20.078英寸），每英寸長度上有1920 px / 20.078 inches ≈ 96 PPI。

所以，有時又說我的顯示器分辨率是 96 PPI。

也有人把他說成 96 DPI，這是不嚴格的。對于顯示器分辨率，嚴格來說應該用 96 PPI。當然你很清楚它們的含義時，反而混用也沒有關系了。

DPI 又是什么？

DPI 是 Dots per inches的縮寫。DPI是一個與打印機、印刷緊密相關的概念。

打印機是通過一個一個的墨點來打印圖像的，每個墨點的色彩只能是一樣的，打印機在每英寸上可打印的點數(shù)就是DPI。顯然DPI越大，打印出來的圖像就越細膩。所以，常用DPI作為打印機的分辨率來表示打印機的最大可打印質量。

為什么說是最大可打印質量呢？即這臺打印機最大打印分辨率，但實際打印分辨率還與圖像的分辨率有關。

一般打印機的分辨在150-300DPI，高的能達到600DPI。

我們用100%的比例打印圖像：

• 假如有一臺打印機的分辨率是600DPI，要打印一幅分辨率（后面會討論圖像分辨率）為300DPI的圖像，打印機是不可能改變圖像分辨率的，打印到紙上的照片的分辨率就是300DPI，因為圖像的原始點是這么大，即使打印機用了兩個點表達圖像中的一個點，但這兩個點是一樣的色彩。

• 反過來，用一臺300DPI的打印機，打印一幅600DPI的圖像，打印出來的照片也只能是300DPI的。因為打印機無法表達更小的點。

總結：

嚴格來說：

• 像素就是顯示器、圖像被分割成的最小格子；

• 單個格子越小，每英寸上格子就越多，即像素越大，顯示就越細膩；

• 單個格子越大，每英寸上格子就越少，即像素越小，顯示就越粗糙；

• 顯示分辨率用PPI，Pixels Per Inches；

• 打印分辨率用DPI，Dots Per Inches。

它們對matplotlib來說很重要。