EWF- Nürnberg

PS: Kunst und Computer

Dozent: A. Schräpler

Semester: WS 2000/2001

Referent: Andreas Biendl

Datum: 22.01. 2001

 

 

Bildformate und Farbmodelle

1. Vektorbilder und Rasterbilder

Grundsätzlich gibt es zwei Verfahren zur digitalen Beschreibung von Bildern:

a. Vektorbasierte Bilder
Jeder Bildbestandteil wird mathematisch beschrieben. Intern besteht das Bild also aus einer Menge von Flächen, Kurven und Ankerpunkten. Diese Art der Bildbeschreibung wird vor allem im technischen Bereich (Beispiel CAD: Computer Aided Design) verwendet. Der Vorteil dieser Bilder besteht darin, dass jedes Bildelement ohne Auswirkungen auf die benachbarten Bildelemente einzeln verändert werden kann, und dass solche Bilder ohne jeden Qualitätsverlust vergrößert oder verkleinert werden können. Im graphischen Bereich wird es vor allem zur Erstellung und Kombination von geometrischen Mustern und Schriften verwendet. Das wahrscheinlich bekannteste Programm zur Erzeugung und Manipulation solcher Bilder ist Corel Draw.
Vektorbasierte Bilder lassen sich problemlos in Rasterbilder umwandeln, während der umgekehrte Weg vor allem bei komplexen Bildmustern (Fotos) in der Regel keine zufriedenstellenden Resultate bringt.
b. Rasterbilder (=Bitmap-Bilder)
Hier wird über das gesamte Bild ein mehr oder weniger feines Raster gelegt, das Bild also in einzelne Bildpunkte (Pixel) zerlegt. Die einzelnen Pixel sind in der Regel so klein, dass sie mit bloßem Auge nicht zu erkennen sind. Erst in der Vergrößerung wird die Rasterung sichtbar.
Neben den beiden erwähnten Formaten, gibt es noch sogenannte Metaformate, die einfach ausgedrückt eine Kombination der beiden oben beschriebenen Bildformate sind. Teile eines Bildes sind also Bitmaps, andere Teile sind durch Vektoren beschrieben. Die Metaformate werden allerdings erst von sehr wenigen Bildverarbeitungsprogrammen unterstützt.



2. Bildformate (Bitmaps)

Je nach der Qualität eines Bildes und seinem Verwendungszweck sollte ein adäquates Bildformat gewählt werden. Folgende Bildformate sind am weitesten verbreitet:

a. BMP (Bitmap)

Der für dieses Format verwendete Name "Bitmap" ist verwirrend, weil alle hier vorgestellten Formate zur Beschreibung von Bitmap-Bildern dienen. BMP ist nur ein Bitmap-Format unter vielen, das sich sozusagen den Überbegriff "Bitmap" als Namen angeeignet hat. BMP ist das Windows-eigene Bildformat, wird aber inzwischen auch auf anderen Plattformen unterstützt. Technisch gesehen und auch was die universelle Einsetzbarkeit betrifft, ist es TIFF unterlegen. Als Standardbildformat von Windows sollte jedes Windows-Programm, das die Verwendung von Bildern unterstützt, mit diesem Bildformat umgehen können. BMP erlaubt eine Farbtiefe von 1 bis 24 Bit (also 2 bis 16,7 Millionen Farben) und speichert Bilder immer verlustfrei. Komprimierung ist in eingeschränktem Maße möglich. Bitmap-Dateien sind nur eine Notlösung. Das Dateiformat ist zwar verbreitet, aber benötigt sehr viel Platz. Bitmap-Dateien können problemlos durch TIFF-Dateien ersetzt werden. Diese sind kleiner und auch auf dem Macintosh lesbar.

 

b. TIFF (Tagged Image File Format)

TIFF stellt eine Art "Industriestandard" dar und ist auf praktisch allen Plattformen verfügbar. Es ist also eines der gängigsten Graphikformate und wird für das Austauschen von Dokumenten zwischen unterschiedlichen Programmen und Computer-Plattformen verwendet. Es wird von vielen Mehrzweckanwendungen akzeptiert und für die meisten gescannten Bilder empfohlen. Das TIFF-Format ist geeignet, wenn Bilddateien ohne Verluste gespeichert werden sollen. Die Dateien sind dann qualitativ hochwertig, aber auch entsprechend gross. Im professionellen Werbe- und Druckbereich wird für die Aufbereitung von Prospekten oft TIFF verwendet. Solche Dateien umfassen aber oft mehrere Megabytes, denn sie beinhalten eine extrem hohe Auflösung und Farbtreue. Es unterstützt aber auch die LZW-Komprimierung, dieselbe Komprimierung, die auch das GIF-Format benutzt. Im Gegensatz zu GIF unterstützt LZW TIFF auch andere Bildarten als indizierte Farben (256 Farben oder weniger). Wenn man ein Bild im TIFF-Format speichert, kann man meistens ein Format wählen, das entweder unter Windows oder Macintosh Computern gelesen werden kann. Man kann auch bestimmen, dass das Dokument automatisch auf eine kleinere Dateigröße komprimiert wird, indem man die entsprechende Option ("LZW-Komprimierung" oder TIFF 5.0 Compressed) einschaltet. Bilder mit großen, gleichfarbigen Bereichen lassen sich gut komprimieren. Das komprimierte TIFF-Format wird jedoch nicht so häufig akzeptiert wie das Standardformat. Das Laden eines komprimierten Bildes kann länger dauern.

c. GIF (Graphics Interchange Format)

GIF kann mit 2 bis 256 indizierten Farben (oder Graustufen) umgehen. Die verlustfreie aber dennoch sehr effektive Komprimierung und weitere Features haben dazu beigetragen, dass GIF eines der wichtigsten Formate im WWW geworden ist. GIF-Bilder können im "interlaced mode" gespeichert werden, was bedeutet, dass das Bild nicht zeilen- sondern schichtweise aufgebaut und damit während des Bildaufbaus schneller erkennbar wird. Bei "Nichtgefallen" kann somit die weitere Übertragung abgebrochen werden.

Außerdem kann GIF mit transparenten Hintergründen umgehen, d.h. eine Farbe kann als "transparent" definiert werden. Damit lässt sich der Hintergrund einer Graphik ersetzen durch die Farbe des Hintergrundes des Fensters.

Und es kann sogar mehrere Bilder in einer Datei enthalten. Durch zusätzliche Optionen zur Steuerung der Einzelgraphiken können bewegte Bilder (animated GIFs) entstehen.

Der Nachteil von GIF ist, dass es mit nur 256 Farben umgehen kann. Für Icons, Buttons usw., die weniger als 256 Farben enthalten ist es jedoch besonders geeignet.

 

d. JPEG (Joint Photographic Experts Group)

Dieses Format ist erste Wahl, wenn es um die Darstellung von Fotos oder Farbverläufen im WWW geht. JPEG kann mit 16,7 Millionen Farben umgehen und kann sehr stark komprimiert werden. Die Joint Photographic Experts Group (JPEG) Komprimierung rationalisiert die Art, wie Daten gespeichert werden und erkennt bzw. entfernt "überflüssige" Daten, d. h. Informationen, die über die Wahrnehmung des menschlichen Auges hinausgehen. Da Daten entfernt werden, wird der JPEG-Algorithmus als "verlustreiche" Komprimierung bezeichnet. Das bedeutet, dass ein einmal komprimiertes Bild nach der Dekomprimierung nicht mehr mit dem Originalbild identisch ist.

Deshalb sollte ein Bild während eines mehrstufigen Bearbeitungsprozesses keinesfalls in diesem Format gespeichert werden. Erst die letzte Version sollte ein JPEG werden. JPEG erreicht verblüffend kleine Dateigrößen, wobei die Stärke der Komprimierung eingestellt werden kann. Je nach Bildbearbeitungsprogramm kann die Komprimierung in Prozent oder auf einer zehnteiligen Skala eingestellt werden. Diese Angaben beziehen sich jedoch nicht auf die Dateigröße, sondern auf die Bildqualität. Je nach Bildinhalt reicht eine Qualität zwischen 50% und 75% aus, damit mit freiem Auge kein Unterschied zur unkomprimierten Version des Bildes festgestellt werden kann. Das Bildformat JPEG speichert ein Bild mit Qualitätsverlust. Je nach Komprimierungsfaktor leidet das Bild mehr oder weniger. Die Dateien sind aber sehr kompakt und verbrauchen nur wenig Speicherplatz.

Warum Graphiken nicht als JPG?



e. PNG (Portable Networks Graphics)

Das relativ neue PNG-Format (sprich: Ping) wurde geschaffen, um die Vorteile von GIF und JPEG in einem neuen und noch dazu freien Bildformat zu vereinen. Haupteinsatzgebiet sollte das Internet sein. Jedoch können nur neuere WWW-Browser dieses Format darstellen - und das nur mit Einschränkungen. Das ist wohl auch ein Grund für die erstaunlich geringe Akzeptanz dieses Formats. PNG kann 16,7 Millionen Farben darstellen, aber auch mit indizierten Farben umgehen. Im Unterschied zu GIF kennt es transparente Hintergründe auch bei vollem Farbumfang (was jedoch von den Browsern noch immer nicht unterstützt wird). PNG-Bilder werden immer verlustfrei komprimiert. Deshalb stellt es bezüglich der Dateigröße keine Konkurrenz zu JPEG dar. Die Dateigröße von GIFs ist bei Verwendung von indizierten Farben erreichbar.

Fazit:

Im Normalfall reicht es, Bilder als JPG oder GIF zu speichern. Beide Formate haben sich als Standard im Internet hervorgetan, lassen auch eine relativ hohe Bildqualität mit einer verhältnismäßig kleinen Dateigröße zu und jeder, der einen Webbrowser hat, kann diese Dateien anzeigen. Welches Format sollte man aber nun wählen? Das ist ziemlich einfach.

Für Bilder mit wenigen Farben und ohne Farbverläufe wählt man GIF. Das könnten Logos oder Schriftzüge sein, Icons, einfache Strichzeichnungen oder Buttons auf einer Webseite. Wenn es sich um Fotografien handelt, wird man eher JPG wählen. Hier ist auch die Kompression zu beachten. Je höher die Kompression, desto schlechter die Bildqualität und Detailtreue. Je geringer die Kompression, desto größer die Datei. Im Normalfall wird man eine Kopie der Originaldatei machen und damit etwas herumexperimentieren, bis man das beste Verhältnis zwischen Dateigrösse und Bildqualität hat.

 

Bewegtbildformate:

Animated GIF (Animierte GIF-Dateien)

Das Datenformat für animierte Grafiken verwendet mehrere GIF-Bilder, welche in mehr oder weniger rascher Reihenfolge angezeigt werden und damit den Eindruck eines Filmes vermitteln.

MPEG-Format (Moving Pictures Expert Group)

MPEG benutzt das Verfahren, von zwei aufeinanderfolgenden Bildern nur die Differenz zu kodieren, dadurch wird sehr viel Speicherplatz eingespart. Bei geringen

Qualitätseinbußen sind Kompressionsraten von 1:100 möglich.

MJPEG-Format ( Motion JPEG)

MJPEG ist ein Format, in dem viele Einzelbilder im JPEG-Format aneinander gereiht sind.]

 

 

3. Farbmodelle

Die wichtigsten Farbmodelle sind:

Jede Farbe hat einen Rotanteil, einen Grünanteil und einen Blauanteil. Jeder Farbanteil wird durch einen Wert zwischen 0 und 255 definiert; das ergibt maximal 256³ bzw. 16,7 Mio Farben.

Da für jede Farbe ein Byte (=8 Bit) verwendet wird, arbeitet RGB mit 24Bit Farbtiefe.
Dieser Farbmodus beruht auf der additiven Farbmischung. Auf schwarzem Hintergrund werden rote, grüne und blaue Lichtquellen übereinander projiziert. Je heller die einzelnen Grundfarben leuchten, umso höher wird der jeweilige Farbanteil. Leuchten alle mit der Helligkeit 0, dann bleibt der so beleuchtete Bildpunkt schwarz, leuchten alle mit der Helligkeit 255, wird der Bildpunkt weiß. Immer wenn alle drei Grundfarben mit derselben Intensität leuchten, entsteht (zumindest theoretisch) ein Grauton. Leuchten die Grundfarben mit unterschiedlicher Intensität, entstehen aus der Mischung weitere Farben.

Dieses Modell findet seine Anwendung v.a. im Bereich der Bildröhren, die das Bild auf diesem Modell beruhend aufbauen. Das betrifft z.B. Monitore und Fernseher.

Während im RGB-Modus zur Beschreibung einer Farbe 3 Bytes notwendig sind, reicht bei indizierten Farben 1 Byte oder weniger aus. Das dahinter stehende Prinzip ist einfach. Ausgewählten Farben (wie viele das sind, hängt von der Farbtiefe ab) wird in der Farbpalette eine Indexnummer zugeordnet.

Die Farbpalette wird mit dem Bild gespeichert und bei der Darstellung wird jeder Indexwert wieder durch den in der Farbpalette verspeicherten Farbwert ersetzt.

Dieses Modell hat den Vorteil, dass die Dateigröße der Bilder relativ klein ist, unterliegt jedoch der Einschränkung auf maximal 256 Farben (8 Bit). Es wird vor allem dort eingesetzt, wo es auf möglichst kleine Bilder ankommt (z.B. für einfache Bilder im WWW). Hat ein Bild mehr Farben, als in der Farbpalette abgespeichert werden können (also z.B. mehr als 256 Farben), bricht die Bildqualität erschreckend ein, weil für jene Farben, die nicht indiziert werden können, eine "ähnliche" in der Palette vorhandene Farbe verwendet wird.

Jede Farbe besteht aus einem Cyan- (Grünblau), einem Magenta (Purpur) und einem Yellow- (Gelb) Anteil sowie der Zusatzfarbe Schwarz für die Tiefenwirkung. Jeder Bildpunkt eines CMYK-Bilder wird also durch 4 Byte (=32 Bit) beschrieben, braucht also um 8 Bit mehr Speicherplatz als ein RGB-Bild. Der Grund, warum man mit dem kompakteren RGB kein Auslangen findet ist simpel: Die meisten Druckverfahren arbeiten nach dem CMYK-Modus. Falls ein Bild also gedruckt werden soll, empfiehlt sich, die Druckvorlage in CMYK abzuliefern, da die Konvertierung von RGB zu CMYK unter Umständen unerwünschte Farbveränderungen zur Folge haben kann.

Der Hauptunterschied zwischen der additiven (z.B. RGB) und subtraktiven Farbmischung (CMYK) besteht darin, daß bei der additiven Farbmischung das Licht selbst farbig ist. Die unterschiedlichen Farben werden also durch das Übereinanderprojizieren verschiedenfarbiger Lichtquellen erzeugt. Die subtraktive Farbmischung dagegen basiert auf der Verwendung von weißem (=einer Mischung aller Spektralfarben) Licht. Dieses Licht fällt auf ein Bild und wird dort teilweise absorbiert und teilweise reflektiert. Bestimmte Farbanteile des weißen Lichts werden also von den Druckfarben verschluckt. Jener Restanteil des Lichts, der reflektiert wird, hat dann eine bestimmte Farbe. (Die von den Druckfarben absorbierten Spektralfarben werden sozusagen von der Gesamtheit aller Spektralfarben (=Weiß) subtrahiert.)

Während beim additiven Verfahren eine Mischung der 3 Grundfarben mit jeweils 100% Leuchtkraft zur Farbe Weiß führt, entsteht beim subtraktiven Verfahren im selben Fall Schwarz. (Als Eselsbrücke: Der Bildhintergrund ist bei einem Computermonitor in der Regel schwarz, bei zu bedruckendem Papier dagegen weiß.)

Theoretisch würden auch beim CMYK-Modus die drei Farben Cyan, Magenta und Yellow ausreichen, um alle Farben darzustellen. Da jedoch eine Mischung der drei Grundfarben nur theoretisch Schwarz ergibt (in der Praxis dunkelgrau oder dunkelbraun), braucht man zusätzlich die Farbe Schwarz um einen Tiefeneindruck zu erzeugen.

Das Problem bei der Verarbeitung von Bildern im CMYK-Modus am Monitor besteht darin, dass Monitore nur mit dem RGB-System arbeiten. Das Bildverarbeitungsprogramm muss also für die Darstellung den CMYK-Modus in RGB umrechnen. Daher empfiehlt es sich, Bilder zunächst im RGB-Modus zu bearbeiten (benötigt auch weniger Speicher) und erst am Ende in CMYK umrechnen zu lassen. Diesen Vorgang nennt man Farbseparation. Mehrfache Umwandlungsvorgänge zwischen RGB und CMYK führen zu einem Qualitätsverlust und sollten deshalb unterlassen werden.

Jede Farbe wird definiert durch Hue (Farbton, Werte 0 - 359 = 360o), Saturation (Sättigung, Werte 0-100%) und Brightness (Helligkeit, Werte 0[=schwarz]-100[=weiß]%). Im HSB-Modell können Farbton, Farbsättigung und Helligkeit unabhängig von einander eingestellt werden. Der Farbwert wird als Kreis (360o gedacht, der bei Rot beginnt (0o=360o), Grün liegt bei 120o, Blau bei 240o. Die CMYK Farben (ohne Schwarz) liegen bei 195o, 326o und 59o. Die Farbsättigung wird in Prozent angegeben, wobei 100% jeweils für die reine Farbe steht, 0% für Grau. Die Helligkeit definiert den Helligkeitsanteil einer Farbe. Sie liegt zwischen 0% (Schwarz) und 100% (Weiß). Daher gilt: 0,0,0 = Schwarz; 0,0,100 = Weiß und 0, 100, 100 = Rot

Bei Graustufenbildern wird jeder einzelne Bildpunkt nur über seine Helligkeit beschrieben. Es fehlen also Informationen zu Farbton und Sättigung. Dadurch benötigen Graustufenbilder nur ein Drittel des Speicherplatzes von entsprechenden Farbbildern. Meist verwendet man 256 Graustufen, wobei jeder Bildpunkt durch 8 Bit beschrieben wird.




Literatur: