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WHAT IS DPI?

2019-06-29  本文已影响15人  kyleduo
什么是DPI

前言

在Google上搜索”DPI vs PPI”可以看到非常多的关于这两个概念的讨论，而且讨论内容不仅仅是界面设计、软件开发的内容，也包含印刷、图像处理和其他内容。那么DPI到底是什么，和PPI又有什么区别呢？这篇文章，就让我来带你一探究竟。

DPI：Dots Per Inch。每英寸点数。

上面这个定义非常简洁，但是重点没说清楚：“点”/Dot是什么？这就是理解DPI的关键。

起源

DPI最初用于图像的印刷。图像如果要打印到纸上，实际上是通过一系列的墨点来绘制的，在“打印”这个场景中，墨点，就是DPI中D的概念。DPI的含义是点密度，用来描述打印的精细程度。

举个例子：目前常见的打印机，DPI是300。也就是说打印机能够在每英寸长度的纸上面，打印300个独立的墨点。这就是说，如果我们打印一个边长为1英寸的黑色正方形，那么打印机会在这个正方形的范围内，绘制300 × 300 = 90000个墨点。

你可以做个实验，然后会发现根本看不到墨点，为什么呢？因为墨点的间距太小了，而且墨点绘制到纸上之后会浸入纸张，和周围的墨点连到一起，所以墨点就分辨不出来了。

这便是DPI在印刷领域的定义。事实上DPI这个词最早就由印刷行业创建[1]。单色印刷通过控制墨点的密度，来区分不同的灰度，墨点的密度，就称作DPI。

最初的打印机是点阵式打印机（Dot Matrix Printer）[2]，原理是使用撞针撞击墨带，墨带和纸接触将墨印到纸上。一根撞针将颜色印到纸上，就形成一个“点”。因为撞针的物理特性。不能做得很小，这类打印机的DPI很低，在70左右。

随后喷墨打印机（Inkjet Printer）[3]的出现，让DPI提高了非常多，甚至可以支持打印灰度、颜色。最常见的喷墨式打印机，常用DPI为300。有些打印机可以达到1200。过高的DPI对纸张也有了更高的要求。通常我们都在使用300DPI作为打印参数。

数字显示时代

PPI是数字显示时代的参数，PPI是Pixel Per Inch的缩写，也就是每英寸像素。这个指标用于表示屏幕的物理精细度。

DPI就是PPI

最早的支持GUI的电脑屏幕，比如施乐的Alto，苹果的Macintosh，屏幕的像素密度都是72PPI[4]，这个值，就来自于当时的点阵式打印机的精度。因为PPI相同，所以屏幕上显示的一个像素，就对应打印出的纸上面的一个点，相同尺寸（5点）的文字，可以在显示器上得到所见即所得的效果。（当时，纸质文件是主要的信息交换方式）

在这个年代，DPI和PPI的含义是一样的，因为显示器上，图像的组成最小单位，就是屏幕上的一个物理像素。如果一张图片的尺寸为72×72，那么在屏幕上显示为1英寸，打印出来也是1英寸。

DPI不是PPI

如今，在显示领域DPI区别于PPI，要”归功“于微软当时的一个决策。因为眼睛和屏幕的距离，通常大于看纸张的距离（大约长30%）。所以虽然DPI和PPI一致能保证在屏幕上所见即所得，但直接观感上，屏幕上的内容相对于纸上会更小。

微软为了解决这个问题，在操作系统层面做了一个HACK：假定屏幕的PPI是96（因为当时大多数显示器都是72PPI，96 = 72 × 4/3）。所以运行在微软操作系统上的软件都认为这块显示器的PPI是96，以至于同样是10点（point）大小的文字，在实际上是72PPI的显示器上，最终实际看起来就会（相比于软件认为是72PPI，10像素）大1/3（13像素，实际用来显示的像素数变多了）。[5]

短期来看微软解决了”保护视力“的问题，但正是因为微软的这一决策，让DPI和PPI的概念开始如此难以理解。

同时，也说明了DPI和PPI的一个最重要的区别：

DPI的差异会影响使用密度无关单位（比如：点，point）设置尺寸的图像的显示。DPI > PPI，导致占用更多像素，整个屏幕显示更少内容，反之亦然。

更大的显示空间，还是更精细的图像

显示技术发展到现在，尤其2010年iPhone 4发布之后，PPI成为显示产品的一个重要竞争参数。高PPI可以带来更多的显示空间，也可以用来提升图像的显示效果。

从最初的72PPI/96PPI开始，后面几十年的发展，桌面显示器的PPI都提高到了110左右，相比于之前，增大的PPI带来的主要收益是显示空间的增大。举个例子：同样是17寸的显示器，1280 × 960分辨率相比于1024 × 768增加了像素数，同样也增大了PPI。因为都是17寸，虽然显示器的显示面积没有变大，但是像素数的增加使得屏幕可以显示更多内容，但是因为物理尺寸不变，界面元素就变小了。

在低PPI时代，操作系统默认会选择更大显示空间。长时间以来消费者已经习惯了低PPI的显示效果，厂商也不愿意创新，年复一年贩卖着低PPI的屏幕。

Retina Display

直到iPhone 4带着视网膜屏幕出现，才真正意义的让消费者感受到了高PPI带来的显示效果的提升。iOS的做法，是直接将PPI翻倍，使用4个像素来渲染原本仅用一个像素渲染的内容。对于文字来说，得益于矢量字体，文字的显示效果变得异常清晰，对于位图来说，高PPI的屏幕，也使得高质量的位图能够被显示。

事实证明，高PPI屏幕带来的显示效果提升是巨大的。高PPI移动设备的兴起，尤其是2013年MacBook Pro with Retina Display的发布，倒逼着桌面电脑厂商和显示器厂商生产更高PPI的屏幕。苹果使用移动、桌面两个平台的优秀体验，刷新了消费者对于显示的认知。不过，高PPI并不是一上来就完美。iOS和macOS视网膜屏幕推出之后很长时间，有很多应用仍然没有适配视网膜屏幕，也就是没有发挥高PPI的优势。

iOS和macOS对于没有适配的应用，在系统层面做了自动适配处理，就是对应用使用低PPI进行离屏渲染，然后将渲染结果拉伸到高PPI。这样的结果是：

  1. 功能可用。
  2. 图像有模糊和毛刺。

以下是适配视网膜屏幕之前、之后的Chrome的显示差异[6]：

Screen Shot 2012-06-11 at 8.21.29 PM

和苹果的境遇不同，兼容机厂商无法控制操作系统，微软无法控制硬件。所以Windows对高PPI屏幕的支持要逊色一筹。以至于直到Windows 8.1发布，才可以实现在高PPI设备上充分利用高PPI的优势，显示更精细的图像，同时还能保证旧应用功能可用（并不是所有应用）。[7]

现在，不管是macOS还是Windows 10，都能充分利用高PPI显示更精细的图像，并且默认，macOS和Windows都将内容放大，使用更多像素渲染更少内容，也即选择了“更精细的图像”。其实，视网膜屏幕的效果，是在足够高的PPI下，实现了不减少显示空间的前提下，将显示精度提高了一倍。

高PPI下的DPI

目前的操作系统：Windows、macOS、iOS、Android等，都提供了或者部分支持修改DPI的选项，让用户选择更多显示空间，或者更精细的图像。因为物理参数已经固定了，所以更多显示空间就意味着元素相对更小，更精细的图像就意味着元素相对更大。当然，得益于物理参数的提升，相比于非Retina显示设备，均可以达到更高精度，更大空间。

DPI并不是真正的DPI

高PPI下，DPI还是那个DPI吗？为了介绍高PPI时代的显示策略，先介绍一个在高PPI下，从DPI衍生出的一个更容易理解的参数：scaling factor，缩放因子。

视网膜屏幕诞生之时（iPhone 4，也包含之后所有的3.5英寸、4英寸、4.7英寸的iPhone以及iPhone Xr），缩放因子为2，DPI == PPI。

为了方便说明，我们要对显示过程进行抽象。抽象出两个过程：渲染、输出；和三层抽象屏幕：逻辑层、渲染层、物理层。开发软件时，是在逻辑层上使用逻辑像素设置元素的长度。操作系统首先将逻辑层上的图像渲染到渲染层，得到渲染分辨率的图像；再将渲染层的图像，输出到物理层，也就是物理显示设备上。

three-layers

场景分析

高PPI下，DPI实际指的是渲染层的渲染像素密度。如果渲染像素密度和物理像素密度恰好相等，那么DPI == PPI。不过，即便数值相等，含义还是不同的。下面通过在macOS，iOS，Android设备上的例子，来帮助理解这些概念，以及这些概念在操作系统实际显示过程中的相互作用。

macOS（Retina Display）

设备：MacBook Pro 2017
物理分辨率：2880 × 1800
屏幕尺寸：15.6英寸

macOS支持用户设置逻辑分辨率：

macos-resolution-setting

macOS系统在渲染时，缩放因子固定为2。以下示例中，为了获得渲染层的图像，可以简单通过全屏截图获得。

示例1：逻辑分辨率设置为1440 × 900

这个设置是MacBook Pro 2016以前的默认设置。

此时，DPI == PPI。

示例2：逻辑分辨率设置为1680 × 1050

这个设置是MacBook Pro 2016及以后的默认设置。

为了得到更大的显示面积，设置了更大的逻辑分辨率，因为缩放因子不变，渲染层渲染了超过物理分辨率的图像，DPI大于PPI（屏幕尺寸不变，分辨率增大）。虽然和Window早起的处理一样，增大了DPI，但因为这里并不是像Windows一样将渲染像素点对点显示到物理屏幕上，所以实际的效果是界面元素变小，使得显示空间变大。

因为物理分辨率（2880 × 1800）仍然大于逻辑分辨率（1680 × 1050），所以并没有丢失逻辑层的信息。

iOS

仅部分iOS设备支持修改逻辑分辨率，分别是4.7英寸、5.5英寸iPhone，iPhone Xr和iPhone Xs Max。并且仅支持将逻辑分辨率修改为逻辑分辨率更低的一档。比如5.5英寸的iPhone，可以将逻辑分辨率修改为4.7英寸iPhone的逻辑分辨率。和macOS一样，为了获得渲染层的图像，可以简单通过全屏截图获得。

ios-zoom-mode
示例1：5.5英寸iPhone，不开启放大模式。

设备参数：缩放因子 = 3，物理分辨率 = 1080 × 1920，PPI = 401。

类似macOS的示例2，虽然最终显示有缩小，但实际上没有丢失逻辑层的信息。DPI为461。

示例2：5.5英寸iPhone，开启放大模式。

设备参数：缩放因子 = 3，物理分辨率 = 1080 × 1920，PPI = 401。

类似macOS的示例2，虽然最终显示有缩小，但实际上没有丢失逻辑层的信息。DPI为417，相比上面的示例1，逻辑分辨率减少，显示内容变少，渲染分辨率变小，界面元素变大。可以看到macOS和iOS都是通过修改逻辑分辨率达到修改DPI，修改显示策略的目的。

示例3：iPhone XS Max，不开启放大模式。

设备参数：缩放因子 = 3，物理分辨率 = 1242 × 2688，PPI = 458。

iPhone XS Max因为物理像素密度增大到458，屏幕像素数量增加，所以能实现在缩放因子为3时，渲染分辨率和物理分辨率点对点显示。实际上iPhone XS Max的逻辑分辨率宽度，和5.5英寸iPhone的逻辑分辨率宽度一致，这也是iPhone XS Max和5.5英寸iPhone在横向上能显示相同数量内容的原因。

按照这个规律，你可以分析一下缩放因子为2的iPhone Xr的显示策略。

Android

Android的情况就比较特殊了。Google和Windows的境遇比较相似，作为软件提供商，他们的操作系统会运行在不同的设备上，要应对不同PPI的屏幕。好在Android在设计之初就已经为不同PPI的屏幕适配设计了API，所以不会有早期Windows那样糟糕的兼容问题，但也带来了更高的复杂度。

Android和macOS、iOS固定缩放因子 + 指定逻辑分辨率不同。Android直接提供修改DPI的方法，厂商可以在构建操作系统固件时，指定DPI。DPI、缩放因子、逻辑分辨率的关系如下：

DPI = 厂商指定
缩放因子 = DPI / 160 // 160为基准DPI
逻辑分辨率 = (物理分辨率) / 缩放因子

Android同样提供缩放因子这个参数，同样，我们依然使用上面介绍的三层抽象模型进行分析。DPI参数，使用resources.displayMetrics.densityDpi获取。

示例1：小米9，默认参数

设备参数：物理分辨率 = 1080 × 1920，PPI = 403，DPI = 440。
计算参数：缩放因子 = 440 / 160 = 2.75。

基准DPI为什么是160在下文讨论。

可以看到，默认参数下，小米9的渲染分辨率和物理分辨率一致。那么修改了DPI会怎样呢？Android从7.0版本[8]开始在开发者选项中提供了名为”最小宽度“的修改项（最小宽度是逻辑分辨率的一部分，短边分辨率）。这个修改项的数值，就是逻辑分辨率中的短边值。小米9的默认值是392，我们将其改到480看下效果。

示例2：小米9，修改”最小宽度“为480

设备参数：物理分辨率 = 1080 × 1920，PPI = 403，DPI = 360。
计算参数：缩放因子 = 360 / 160 = 2.25。

首先我们注意到DPI变成了360，为什么改了最小宽度，DPI的值会变化呢？实际上Android系统提供的修改最小宽度的方法，同样也是通过修改DPI实现的，只不过包装成了”最小宽度“（事实上就是在修改逻辑分辨率），系统在修改的时候换算成DPI，再修改系统参数。

其次我们看到因为Android使用动态的缩放因子，并且物理分辨率用作计算缩放因子的参数，所以反算出来的渲染分辨率，就是物理分辨率。这种做法的好处是避免了一次内存中的位图缩放操作。

因为逻辑像素的增加，屏幕可以显示更多内容，同时界面元素变小。

mi-9
关于160DPI

为什么基准DPI的值是160呢？Android并没有官方解释，我猜测有一下几方面原因：

  1. iPhone 4之前的iPhone，PPI均为160左右。
  2. 初代Android设备的PPI为180，和160接近。
  3. 16 = 2 ^ 4。以4位基数进行计算时比较方便。（Android的ldpi标准，120 = 160 / 4 * 3，如果使用180作为baseline，那么ldpi = 135，显然不够规整）
  4. 16相比于18，对工程师更亲切些吧~
关于位图素材

因为Android的渲染策略是通过DPI指定的，所以Android对位图的使用策略，也是通过DPI来确定的。Android将DPI划分为了几个档：

android-device-density

开发者需要提供不同DPI的图片，使用相同的名称，如artboard.png，放到不同的目录下。应用运行时，使用R.drawable.artboard引用这张图片。操作系统根据DPI设置选择合适的图片资源进行显示。系统的DPI和哪个档位的DPI值相近，就会使用哪个档位的图片资源。比如：

密度无关像素 / 逻辑像素

iOS和Android开发中使用的长度单位，都是密度无关像素，或者称作逻辑像素。逻辑像素和渲染像素之间的转换关系是：

渲染像素 = 逻辑像素 × 缩放因子

之所以这里在使用渲染像素，而不是物理像素，是为了结论的普适性。对于Android来说：

1 dp = (resources.displayMetrics.density) px

DP之所以是密度无关像素，就是因为使用DP进行开发，不需要关系DPI，因为在逻辑层，没有密度的概念（可以将逻辑层的图像内容，理解为矢量内容）。

总结

看到这里，相信你已经对DPI的来龙去脉都有了比较清晰的了解。我们总结一下：

  1. 印刷领域的，DPI表示每英寸点数，点指的是墨点。
  2. 数字显示领域早期，施乐和苹果生产的设备使用和打印机1:1的72PPI屏幕，DPI的含义就是PPI，D指的是物理像素；Windows为了解决显示器显示内容偏小的问题，在操作系统层面“欺骗”软件当前显示器为96DPI，即便显示器的实际分辨率仍然为72PPI，此时D指的是“软件认为的”像素，也就是逻辑像素。
  3. 随着显示技术的逐渐提升，PPI的数值逐渐提高，操作系统允许用户修改DPI参数，来控制让操作系统显示更多内容，或者显示更精细的图像。
  4. 苹果发布视网膜屏幕之后，开启了缩放因子时代，厂商和消费者逐渐淡化DPI的概念，使用缩放因子（Windows）或者逻辑分辨率（iOS、macOS、Android）来控制显示策略。
  5. 不同操作系统的显示策略不同，iOS和macOS都是固定缩放因子，修改逻辑分辨率。Android是完全使用系统预设的DPI来计算缩放因子。

怎么样，仅DPI这个概念，随着科技发展，特别是消费电子的发展，也发生了非常大的变化。各厂商和操作系统对DPI的使用也不尽相同，从早期微软的虚拟DPI开始，DPI的概念变得越来越难理解。不过，理解DPI不是最终的目的，对于用户来说，了解如何利用DPI调节最适合自己的显示效果；对于开发者来说，了解如何利用DPI构建更精细、协调的界面，才是更有价值的事情。

希望本文能帮助到你。

参考

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