为什么像素是方形的？

Question

屏幕中的像素是方形的，但我不知道为什么。

两个像素化图像看起来都很糟糕 - 但我不确定这里的正方形比六边形有什么优势。

六边形也很好地分为 3 种颜色：

那么在 LCD/CRT 显示器中正方形的优势是什么？

Answer 1

屏幕中的像素是方形的，但我不知道为什么。

它们不是（必然）方形的。

有些人会争辩说它们从来都不是方形的（“一个像素是一个点样本。它只存在于一个点上。”）。

那么在 LCD/CRT 显示器中正方形的优势是什么？

• 其他排列（例如三角形、六边形或其他空间填充多边形）的计算成本更高。

• 每种图像格式都基于以矩形阵列排列的像素（无论它们是什么形状）。

• 如果我们要选择其他形状或布局，则必须重新编写许多软件。

• 当前制造具有矩形像素布局的显示器的所有工厂都必须针对其他布局进行改造。

使用六边形坐标系的实用性

在使用六边形坐标系时，通常有四个主要的考虑因素必须考虑：

• 图像转换 - 能够将现实世界中的图像直接捕获到六边形点阵上的硬件是高度专业的，因此通常不可用。因此，在执行任何处理之前，需要将标准方格图像转换为六边形图像的有效方法。
• 寻址和存储 - 对图像执行的任何操作都必须能够索引和访问单个像素（在这种情况下是六边形而不是正方形），并且六边形形式的任何图像都应该以六边形形式存储（否则必须在每个像素中执行图像转换访问图像的时间）。此外，一个易于遵循并使某些函数的算法更简单的索引系统将非常有价值。
• 图像处理操作——为了有效利用六边形坐标系，必须设计或转换操作以利用系统的优势，特别是用于索引和存储的寻址系统的优势。
• 图像显示 – 与首先实际获取图像一样，显示设备通常不使用六边形点阵。因此，转换后的图像必须返回到可以发送到输出设备（无论是监视器、打印机或其他实体）的形式，结果显示以自然的比例和比例出现。这种转换的确切性质取决于所使用的索引方法。这可能是对原始转换过程的简单还原，也可能是更可观的卷积。

六边形坐标系的问题

然而，六边形坐标系存在一些问题。一个问题是人们非常习惯传统的方形格子。

六边形推理似乎不自然，因此有点困难。虽然可以争辩说，如果必须的话，人们可以习惯它，但他们仍然会自然地倾向于默认使用传统的笛卡尔坐标系进行推理，六边形系统只是次要选择。

缺少映射到六边形点阵上的输入设备，以及缺少这样显示的输出设备也是一个障碍：

• 从正方形到六边形再转换回来的必要性降低了对六边形点阵操作的有用性。

• 由于这种点阵比相同外观尺寸的等效方形点阵更密集，除非图像以比要操作的分辨率更高的分辨率输入，转换后的图像必须外推一些像素位置（这通常比拥有所有像素位置更不理想直接从源提供的像素）。

• 转换回方形点阵会使一些像素位置相互折叠，从而导致明显细节的丢失（这可能导致图像质量低于最初输入的图像）。

如果一个人在自己的视觉工作中寻求使用六边形坐标系，那么他们首先应该确定这些问题是否被六边形操作的固有优势所抵消。

源六边形坐标系

是否尝试过任何其他形状或布局？

XO-1 显示器为每个像素提供一种颜色。颜色沿着从右上到左下的对角线对齐。为了减少由这种像素几何结构引起的颜色伪影，当图像发送到屏幕时，显示控制器会模糊图像的颜色分量。

XO-1 显示器（左）与典型液晶显示器 (LCD) 的比较。图像显示每个屏幕的 1×1 毫米。典型的 LCD 将 3 个位置的组作为像素进行寻​​址。OLPC XO LCD 将每个位置作为单独的像素进行寻​​址：

源OLPC XO

其他显示器（尤其是 OLED）采用不同的布局 - 例如PenTile：

该布局由梅花形组成，每个单元格中包含两个红色子像素、两个绿色子像素和一个中央蓝色子像素。

它的灵感来自人类视网膜的仿生学，其 L 型和 M 型视锥细胞数量几乎相等，但 S 视锥细胞明显减少。由于 S 锥体主要负责感知蓝色，不会明显影响亮度感知，因此减少显示器中相对于红色和绿色子像素的蓝色子像素数量不会降低图像质量。

此布局专门设计用于并依赖于平均每个像素仅使用一个又四分之一子像素来渲染图像的子像素渲染。也就是说，任何给定的输入像素都被映射到以红色为中心的逻辑像素或以绿色为中心的逻辑像素。

源PenTile 矩阵系列

像素的简单定义

在电视屏幕、计算机显示器等上形成画面的任何一个非常小的点。

来源http://www.merriam-webster.com/dictionary/pixel

像素

在数字成像中，像素、像素或图片元素是光栅图像中的一个物理点，或者是所有点可寻址显示设备中最小的可寻址元素；所以它是屏幕上呈现的图片的最小可控元素。

...

像素不需要渲染为小方块。此图像显示了使用点、线或平滑过滤从一组像素值重建图像的替代方法。

源像素

像素纵横比

大多数数字成像系统将图像显示为微小的方形像素网格。然而，一些成像系统，尤其是那些必须与标准清晰度电视电影兼容的成像系统，将图像显示为矩形像素的网格，其中像素的宽度和高度是不同的。像素纵横比描述了这种差异。

源像素纵横比

一个像素不是一个小方块！

一个像素是一个点样本。它只存在于一个点上。

对于彩色图片，一个像素实际上可能包含三个样本，一个用于在采样点对图片有贡献的每种原色。我们仍然可以将其视为颜色的点样本。但是我们不能将像素视为正方形或点以外的任何东西。

在某些情况下，可以通过一个小方块以低阶方式对像素的贡献进行建模，但永远不能对像素本身进行建模。

Source A Pixel 不是一个小方块！（Microsoft 技术备忘录 6 Alvy Ray Smith，1995 年 7 月 17 日）

Answer 2

我想为 David Postill 深思熟虑的答案提供一个替代方案。在他的回答中，正如标题所暗示的那样，他解决了像素为正方形的问题。但是，他在回答中发表了非常有见地的评论：

有些人会争辩说它们从来都不是方形的（“一个像素是一个点样本。它只存在于一个点上。”）。

这个立场实际上可以产生一个完全不同的答案。与其关注为什么每个像素是正方形（或不是），不如关注为什么我们倾向于将这些点采样组织成矩形网格。其实并不总是这样！

为了提出这个论点，我们将在将图像视为抽象数据（例如点网格）和在硬件中实现它之间来回切换。有时一种观点比另一种更有意义。

首先，让我们回到很远的地方。传统的胶片摄影根本没有“网格”，这也是为什么与现代数码照片相比，照片总是看起来如此清晰的原因之一。相反，它有一个“颗粒”，它是薄膜上晶体的随机分布。它大致均匀，但它不是一个很好的直线阵列。这些颗粒的组织来自薄膜的生产过程，使用化学特性。结果，电影真的没有“方向”。这只是信息的二维飞溅。

快进到电视，特别是旧的扫描 CRT。CRT 需要与照片不同的东西：它们需要能够将其内容表示为数据。特别是，它需要能够以模拟方式通过电线传输的数据（通常作为一组连续变化的电压）。照片是二维的，但我们需要把它变成一维的结构，这样它就可以在一个维度（时间）上变化。解决方案是按行（而不是像素！）对图像进行切片。图像是逐行编码的。每条线都是模拟数据流，不是数字采样，但线彼此分开。因此，数据在垂直方向上是离散的，但在水平方向上是连续的。

电视必须使用物理荧光粉来渲染这些数据，而彩色电视需要一个网格将它们划分为像素。每台电视可以在水平方向上以不同的方式执行此操作，提供更多或更少的像素，但它们必须具有相同的行数。从理论上讲，它们可以完全按照您的建议每隔一行像素进行偏移。然而，在实践中这是不需要的。事实上，他们走得更远。人们很快意识到，人眼处理运动的方式是让他们实际上每帧只发送一半的图像！在一个帧上，他们会发送奇数行，在下一帧中，他们会发送偶数行，并将它们拼接在一起。

从那时起，将这些隔行扫描图像数字化就成了一个小技巧。如果我有一个 480 行的图像，由于隔行扫描，我实际上每帧只有一半的数据。当您尝试看到某些物体在屏幕上快速移动时，其结果非常明显：每条线与另一条线在时间上相移 1 帧，从而在快速移动的物体中产生水平条纹。我提到这一点是因为它很有趣：您的建议将网格中的每隔一行向右偏移半个像素，而隔行扫描将网格中的每隔一行及时偏移一半！

坦率地说，为事物制作这些漂亮的矩形网格更容易。没有比这更好的技术理由，它卡住了。然后我们进入了计算机时代。计算机需要生成这些视频信号，但它们没有模拟能力来写出模拟线。解决方案很自然，将数据拆分为像素。现在数据在垂直和水平方向都是离散的。剩下的就是选择如何制作网格。

制作矩形网格非常自然。首先，那里的每台电视都已经这样做了！其次，在矩形网格上绘制线条算算是多少比绘制他们的六角形一个简单的。您可能会说“但是您可以在六边形网格上沿 3 个方向绘制平滑线，但在矩形网格中只能绘制 2 条。” 然而，矩形网格使得绘制水平线和垂直线变得容易。六边形网格只能用来绘制一个或另一个。在那个时代，没有多少人将六边形用于任何非计算工作（矩形纸、矩形门、矩形房屋……）。能够使平滑的水平和垂直线远远超过了制作平滑的全彩色图像的价值……特别是考虑到第一个显示器是单色的，而且图像的平滑度在思考中发挥主要作用还需要很长时间。

从那里，您有一个非常强大的矩形网格先例。图形硬件支持软件正在做的事情（矩形网格），软件针对硬件（矩形网格）。理论上，一些硬件可能试图制作六边形网格，但软件只是没有奖励它，而且没有人愿意为两倍的硬件付费！

这让我们快进到今天。我们仍然需要漂亮平滑的水平线和垂直线，但是对于高端视网膜显示器，这变得越来越容易。但是，开发人员仍受过训练，可以根据旧的矩形网格进行思考。我们看到一些新的 API 支持“逻辑坐标”并进行抗锯齿处理，使其看起来像是一个完整的连续 2d 空间，而不是刚性 2d 像素的网格，但速度很慢。最终，我们可能会看到六边形网格。

我们确实看到了它们，只是没有屏幕。在印刷中，使用六边形网格是很常见的。人眼接受六边形网格比接受矩形网格要快得多。它与不同系统中行“别名”的方式有关。六边形网格以不太苛刻的方式别名，眼睛更舒服（如果六边形网格需要向上或向下一行，他们可以通过对角线过渡平滑地完成。矩形网格必须跳过，创建一个非常明显的不连续性）

Answer 3

两个原因：

• 矩形与圆形、三角形或 4 边以上的矩形相比，其优势在于它可以与其他矩形相邻放置，并且“浪费的空间”最少。这确保了像素的整个区域都对图像有贡献。可以存在“组合在一起”的其他形状，但它们的制造可能比简单的正方形或矩形更复杂，但不会引入任何额外的优势。

• 通用像素化显示器 - 可用于显示任何类型信息的显示器需要具有不支持某些类型形状的像素。所以像素应该是正方形而不是在一个方向上更长或更宽，并且不能以任何方式剪切或旋转。

  • 如果像素高大于宽，则水平线的最小粗细将比垂直线的最小粗细更宽，对于相同数量的像素，水平线和垂直线看起来不同。

  • 如果像素被旋转，那么只有与旋转角度匹配的倾斜线才会看起来平滑，任何其他线看起来都是锯齿状的。大多数操作系统和生产力软件都依赖于直线，因此会有很多边缘或锯齿状的线条。

  • 剪切像素（菱形）将是两个世界中最糟糕的 - 对角线或水平/垂直线都不会平滑。

如果您对通用显示器不感兴趣，而是针对特定用途的显示器，那么您可以更加灵活。一个极端的例子是 7 段 LED，如果你只需要显示一个数字，那么按这种方式排列的 7 个非方形像素就是你所需要的。或允许字母的 15 段 LED。

Answer 4

像素不一定是正方形！

在过去，像素具有矩形形状。这就是为什么在 Photoshop、Premiere、Sony Vegas 等任何专业图像/视频编辑器中……您会看到像素纵横比选项。只有现代电视和 PC 显示器标准才有方形像素。

著名的例子：

• PAL 模拟电视/DVD：720x576显然不是 16:9 或 4:3，而是 5:4。但是，当设置正确的像素纵横比时，它会产生正确的未拉伸输出图像

• NTSC 模拟电视/DVD：720x480，即 3:2。设置纵横比后，它将变成 16:9 或 4:3，就像上面的 PAL。较低的垂直分辨率也解释了为什么 NTSC DVD 看起来不如 PAL 清晰

• VCD：PAL 352x288，NTSC 352x240。两者都使用 4:3 的屏幕纵横比

• SVCD : 480x480，不出所料，它不会产生方形输出

• DV：1440x1080 16:9 全高清分辨率

• CGA：4:3 的320x200和640x200（是的，旧电脑屏幕确实有矩形像素）

• 除了 320x200 和 640x200 之外，EGA 还支持 4:3 屏幕的 640x350

Adobe Premiere Pro - 使用纵横比

Answer 5

答案是：它们应该是六边形的，因为六边形平铺提供了最佳的光学质量，所以这将是未来。
但我认为它们仍然是方形的有两个主要原因：

• 将方形网格上的位图图像数据表示为二维数组更容易（为了硬件简单性和人类）
• 它在历史上发生过，所以由于 #1 的原因，它会在一段时间内如此。

更新

这个话题是惊悚片。几乎 10,000 次观看。人们想要掌握像素 :) 有趣的是有人如何找到问题与屏幕分辨率或四边形的“二次方”的关系。
对我来说是：哪个积木，正方形或六边形可以提供更好的光学效果？

首先，我们需要一个简单的平铺，但它更好地覆盖了自定义区域，它确实是六边形平铺。从简单的测试中可以很容易地理解。强测试将被称为“环”测试。为简单起见，我在这里制作了三元色：0 - 背景，1 - 灰色和 2 - 黑色。

盯着一个点，我们将尝试扩大环，使其看起来像这样连续：

当然，我还想为许多任务绘制水平/垂直线，例如 UI 和印刷设计，或平台游戏。我们称之为“酒吧测试”：

通过这个测试，我可以选择在实际条件下看起来更好的线条样式。有了垂直线，它就更简单了。对于特定的任务显示，一切都可以进行硬编码，因此要使用函数绘制一条线，我们只需在水平方向重复其线段即可。问题是，这两个正方形和正六边形像素的办法作品，但如果你试图用方形瓦片同样的测试，你很快就会发现其中的差别。非常高的 DPI 并不是那么明显，但是为什么要尝试提高 DPI 而不是尝试更有效的方法呢？我看没有多大意义。

对于 RGB 颜色，这可能需要更复杂的结构。实际上，我想要一个灰度设备，如上图所示。拥有快速的像素响应来制作动画也会很酷。

只是为了好玩，我制作了简单的六边形结构，其中像素可以是 RGB。当然，我不知道这在真实设备上看起来如何，但即使这样看起来也很酷。

可以
帮助描述情况的非正式解释说明：

Answer 6

方形像素是“合乎逻辑的事情”，他们的发明者 Russel Kirsch 说：

“当然，合乎逻辑的事情并不是唯一的可能性……但我们使用了正方形。从那时起，世界上的每个人都在遭受这种痛苦，这是非常愚蠢的事情。”

http://www.wired.com/2010/06/smoothing-square-pixels/

Answer 7

一些答案已经触及这一点......我认为在数据存储方面的非矩形数组会产生几乎无法想象的复杂性，并且非常容易出错。我在建模物理系统方面有很多经验，其中网格不是矩形（交错网格 - 半边的数据点等）。索引是一场噩梦。

首先，是如何定义边界的问题。图像通常是矩形的（同样，这是历史问题——如果我们的屏幕是六边形的，事情会容易一些）。因此，即使图像边界也不是直线。您是否在每行中放置了相同数量的像素？你交替偶数/奇数吗？并且...左下像素是在它上面的左边还是右边？您会立即获得近 10 种不同的标准，并且程序员每次都必须记住它是如何进行的（即使是行主要和列主要差异或自上而下/自下而上的索引差异有时也会导致错误）。这带来了转换风景/肖像的巨大问题（自然变换，在矩形网格上是微不足道的，但需要插值并且几乎必然是在十六进制或不同网格上的有损过程）。

然后是人们对矩形布局的自然本能。您在数学中有矩阵，它们具有相同的布局。同样，在大多数情况下，笛卡尔坐标系几乎是最容易使用和理解的。在 (x,y) 处获取像素的索引只是 x+width*y （不是相反的 - 扫描线索引的遗产）。如果宽度是 2 的倍数，您甚至不需要乘法。当基向量不正交时，使用非直角会产生许多源于向量代数的复杂情况：旋转不再是简单的 cos/sin 叠加。翻译变得奇怪。这带来了大量的计算复杂度（计算成本会高出几倍），并且 代码复杂性（我记得曾经对 Bresenham 算法进行过编码，我真的不想尝试以十六进制进行）。

插值和抗锯齿一般有很多算法依赖于方形网格。例如，双线性插值。所有基于傅立叶的处理方法也都与矩形网格相关（FFT 在图像处理中非常有用）……好吧，除非您先进行一些昂贵且有损的变换。

所有显示，数据在存储器和文件格式应当存储为矩形网格。如何显示取决于显示设备/打印机，但这应该是驱动程序的问题。数据应该是独立于设备的，不应假设您拥有什么硬件。如上面的帖子所示，由于人眼生理学和其他更多技术因素，使用非矩形像素有很多优点 - 只需将数据保留在方形网格上，否则您将有一大群神经质的程序员来回答： )

尽管如此，我实际上考虑过将圆形像素排列集成到表盘中（使指针呈直线）。当我开始想象画一条不穿过中心的直线这样简单的东西会有多困难时，我得出了上面提到的很多结论。

Answer 8

这个问题更多的是关于排列而不是像素的实际形状。

六边形排列的问题在于将六边形位置转换为笛卡尔坐标，反之亦然，这并非易事。

要么使用原始布拉维点阵索引

https://en.wikipedia.org/wiki/Bravais_lattice

或者您使用矩形常规单元格并添加几个内部“基向量”。（最小矩形晶格需要两个基向量，最小方形晶格需要大约 16 个基向量）。

在第一种情况下，涉及角度变换，在第二种情况下，每个像素都需要指定x, y一个基本索引j。

所以最后，“方形”像素一定是我们笛卡尔文化的副产品。

顺便说一句，拥有这项技术会很酷，但它与当前的范式非常不兼容。事实上，生物系统在为视觉系统生成格子时更喜欢六边形。想想苍蝇的眼睛。人类视网膜也遵循更接近六边形（而不是正方形）的东西。

请参阅此处http://www.kybervision.com/resources/Blog/HumanRetinaMosaic.png并回到显示点http://www.kybervision.com/Blog/files/AppleRetinaDisplay.html

我毫不怀疑六边形点阵更适合可视化。但是你可以这样想，每次工程师想要改进显示器时，他们都会面临以下困境，1）切换到六边形，改变范式，重写数万亿行代码和硬件 2）使“正方形”变小，添加内存，增加两个数字以显示尺寸以像素为单位。选项 2) 总是更便宜。

最后是方形像素发明者的一句话http://www.wired.com/2010/06/smoothing-square-pixels

方形像素的发明者拉塞尔·基尔希 (Russell Kirsch) 回到绘图板。在 1950 年代，他是开发方形像素的团队的一员。'“正方形是合乎逻辑的事情，”基尔希说。“当然，合乎逻辑的事情不是唯一的可能性，但我们使用了正方形。从那时起，世界上的每个人都在遭受这种非常愚蠢的事情。” 现已退休并居住在俄勒冈州波特兰市的 Kirsch 最近着手弥补。受到古代马赛克建造者的启发，他们用小块瓷砖构建了令人惊叹的细节场景，Kirsch 编写了一个程序，可以将数字的厚实、笨重的方块变成将图像转换为由形状各异的像素组成的更平滑的图片。

Answer 9

要理解为什么直线像素具有价值，您需要了解传感器和显示器的制造过程。两者都基于硅布局。两者都源自 VLSI 的起源。

要实现非直线 传感器像素，您需要做好以下准备：

1. 以非直线方式布置光敏元件（例如六边形填充圆圈）。
2. 以非直线方式布置收集电荷的导线（例如 CMOS / CCD）
3. 将此布局扩展到 >> 1M x 1M 以满足市场需求
4. 将信息匹配（或内插）到直线显示

为了实现非直线显示像素，您需要所有相同的东西。

许多人试图制作中央凹相机和显示器（我们眼睛最好的中间部分是高分辨率，外围是低分辨率）。结果总是比直线传感器更昂贵且功能更差。

商业效率的现实是您可以梦想非直线传感器/显示器，但此时它不具有成本效益或可扩展性。

Answer 10

有两种方法可以回答这个问题：

1. 在硬件中，像素在物理上不一定是正方形，但可以是显示设备制造商认为合适的任何形状或排列。实际上，它们通常不是方形的。
2. 在软件中，像素被认为是“正方形”，因为它们被假定代表一个具有相同宽度和高度的区域。这并不意味着渲染时，例如如果放大，它们必须绘制为正方形，但它们必须代表具有正方形比例的图像区域的数据，否则图像会以一种或另一种方式拉伸。这纯粹是约定俗成的。

在这两种情况下，像素不需要是方形的，而是纯粹按照惯例。举个例子：早期的宽屏显示器在硬件和软件上都使用与非宽屏显示器相同数量的像素，但像素在概念上是矩形的（水平尺寸大于垂直尺寸），而不是概念上的正方形。标准。然而，使用不近似正方形的像素形状是非标准的，并且可能会导致大量的兼容性问题，至少在日常使用中是这样。

简短回答：

按照惯例，像素被视为正方形。