V/UE: Computer und Kunstunterricht

SS 2002

Dozent: A. Schräpler

Datum: 29.04.2002

Referenten: Margit Herold, Martin Jäschke, Jeanette Maccioni

1. Graphikformate

Rasterbilder

Rasterbilder bestehen aus unsichtbar kleinen Quadraten, welche ab einer gewissen Entfernung zu einem Gesamtbild verschmelzen (Bei entsprechend starker Vergrößerung des Bildes in der Ansicht, kann man die Pixel jedoch deutlich erkennen). Je höher die Auflösung gewählt wird, desto kleiner fallen die Pixel aus, was einerseits zu mehr Detailreichtum andererseits aber auch zu einem erhöhten Speicherbedarf führt. Der Grund dafür liegt darin, dass für jedes Pixel Position und Farbwert gespeichert werden. Wird also eine höhere Auflösung gewählt, so steigt die Zahl der Pixel in einem Bild, und damit auch die Größe der Datei.

Rasterprogramme: z.B. Photoshop

Vektorbasierte Bilder

Während Rasterbilder bei entsprechender Auflösung feinste Details eines Fotos abbilden, liegt der Vorteil von Vektorbildern in ihrer absoluten Präzision. Die einzelnen Objekte werden durch Koordinaten definiert, so dass viel weniger Speicher als bei einem Rasterbild beansprucht wird. Für eine Linie z.B. müssen nur der Anfangs- und der Endpunkt sowie ihre Farbe gespeichert werden. Bei einem Kreis der Mittelpunkt, Radius sowie die gewünschte Füllfarbe der Fläche.

Ein Vorteil von Vektorbildern liegt in ihrer problemlosen Vergrößerung und Verkleinerung ohne Qualitätsverlust. Außerdem lassen sich vektorbasierte Bilder problemlos in Rasterbilder umwandeln, während der umgekehrte Vorgang nicht bzw. nicht so problemlos bewältigt werden kann.

Vektorprogramme: z.B. Freehand, Illustrator

2 Bildformate

BMP (Bitmap)

BMP ermöglicht eine Farbtiefe von 1 bis 24 Bit (2 bis 16,7 Mio. Farben). Es speichert Bilder immer verlustfrei bei hohem Speicherbedarf. Der Vorteil dieses Dateiformates ist, dass es auf fast jedem Computersystem verarbeitete werden kann, da es schon sehr lange existiert und einfach aufgebaut ist. Am gängigsten ist das Format mit einer Farbtiefe von 8 Bit (265 Farben). Bei dieser kann das Bild optimal komprimiert werden, was v.a. bei flächigen Zeichnungen eine große Speicherersparnis einbringt.

Insgesamt betrachtet ist die Qualität dieses Dateiformates aber nicht empfehlenswert für den Hausgebrauch.

TIFF (Tagged Image File Format)

Das vermutlich gängigste Bildformat beim elektronischen Publizieren ist das TIFF-Format. Es wird von vielen Mehrzweckanwendungen akzeptiert und für die meisten gescannten Bilder empfohlen. Es eignet sich zur verlustfreien Speicherung von Bildern. Die hochwertigen Bilder benötigen aber einen beträchtlichen Speicherplatz.

Die Farbtiefe erstreckt sich von 1-Bit über 8-Bit bis hin zu 32-Bit farbseparierten Darstellungen. Optional kann eine LZW-Komprimierung vorgenommen werden, die bei TIFF-Formaten keinen Qualitätsverlust nach sich zieht.

Neben der großen Dateigröße ist die Unterscheidung zwischen MS-DOS und Macintosh TIFF-Versionen problematisch, da man beim Öffnen eines Mac-codierten Dokumentes auf einem PC böse Überraschungen erlebt. Anders herum lassen sich auf einem Mac DOS-formatierte Dateien problemlos öffnen.

Für die Arbeit zu Hause kann dieses Bildformat uneingeschränkt empfohlen werden.

GIF (Graphic Interchange Format)

Das GIF Format ist das gebräuchlichste Format für die Darstellung von indizierten Farbbildern im Internet und basiert auf der LZW-Komprimierung. (Indiziert heißt: auf 256 Farben oder weniger reduzierte Farbeinformation). Besonders effektiv ist es deswegen bei der Speicherung von Grafiken. Das standardmäßige GIF-Format unterstützt keine Alpha-Kanäle.

GIF wird als Speicherformat erst angeboten, wenn das Bild auf 256 Farben heruntergerechnet ist. Die Reduktion auf weniger Farben – z.B. 128 oder 32 – belohnt GIF mit verkleinerter Dateigröße.

Wie alle Acht-Bit-Farbdateien lässt sich auch GIF nur beschränkt bearbeiten ; wer Filter benutzen oder Farbe und Helligkeit ändern möchte, wechselt zurück in den 24-Bit-RGB-Modus. Das ist im Bildbearbeitungsprogramm einstellbar.

Mehrere GIF-Bilder können zu einer Animation aneinander gekoppelt werden. Dies wird auf Web-Seiten ohne Flashprogrammierung angewendet.

Durch "Interlacing" können die GIF-Bilder schneller aufgebaut werden. Dazu lädt der Browser zunächst jede neunte, dann jede vierte Zeile und interpoliert die fehlenden Informationen aus den vorhandenen Pixel.

GIF kann auch Transparente Farben darstellen. Dadurch kann man Bilder z.B. mit einem Namenszug versehen ohne das dadurch Bildteile völlig verdeckt werden.

JPG (Joint Photographic Experts Group)

Das JPG Format ist ein gebräuchliches Format für die Darstellung von Fotos und anderen Halbtonbildern. Auch viele digitale Kameras speichern in diesem Format ab, um Platz zu sparen.

Das JPG-Format ist ziemlich universell: Es unterstützt CMYK-, RGB- und Graustufen-Farbmodi, jedoch keine Alpha-Kanäle. JPG wendet eine Komprimierung an, mit der die Dateigröße reduziert wird, indem Bildinformation im Bildteilen " zusammengefasst" werden. Wenn man ein JPG-Bild öffnet, wird es automatisch dekomprimiert. Je höher die Komprimierung, desto niedriger wird die Bildqualität ; je niedriger die Komprimierung, desto höher ist die Bildqualität. In den meisten Fällen erzeugt eine Komprimierung mit der maximale Qualitätsstufe ein Bild, das sich praktisch nicht vom Original unterscheidet.

JPG speichert die Bilder im 24-Bit-Echtfarbmodus, jedoch nicht verlustfrei. Während die Helligkeitswerte voll erhalten werden, verschwinden Farbinformationen, die zwei Drittel der Datenmenge ausmachen, zum Teil und werden nachträglich per Mittelwert-Berechnung wieder herbei hinterpoliert. Die Qualität lässt sich über die Kompressionsrate regeln: bis zum Faktor von 1:10 oder 1:15 sind Verluste kaum erkennbar. Ohne weiteres lässt sich aber auch 1:100 erreichen.

Auf Grund der Verluste sollte man JPG nicht als Arbeitsformat nutzen: in Bildteilen, die zuvor bearbeitet wurden, kommt es beim Sichern zu weiteren Verlusten! Informationsverlust entsteht auch in unbearbeiteten Bildern, wenn man zum Beispiel nur den Kompressionsfaktor ändert.

Das erweiterte Format "Progressive JPG" genannt, ermöglicht im Web eine schnellere Bildvorschau: das Motiv wird nicht Zeile für Zeile aufgebaut, sondern entsteht aus immer feineren Varianten der Gesamtansicht. Datenmenge und -qualität ändern sich gegenüber dem konventionellen JPG kaum.

Harte, farbige Kontraste – wie z.B. bei Buchstaben in einem Bild - leiden in JPG-Dateien besonders: sie werden "pixelig".

3. Komprimierung

Bei den Komprimierungsverfahren unterscheidet man zwischen "verlustbehafteter Komprimierung" und " verlustfreier Komprimierung". Die gebräuchlichsten Verfahrens sind:

RLE (Run Length Encoding) ist eine verlustfreie Komprimierungsmethode, die von TIF sowie einigen Windows-Dateiformaten unterstützt wird.

Das JPG Verfahren ist eine verlustbehaftete Komprimierung. Das Verfahren wird von den Dateiformaten JPG und Postscript benutzt.

LZW (Lemple-Zif-Welch)

Die nach ihren Erfindern benannte Komprimierungsmethode LZW ist eine verlustfreie Komprimierung, die von den Dateiformaten TIF, GIF und Postscript unterstützt wird. Das Verfahren eignet sich zum Komprimieren von Bildern mit einfarbigen Flächen, z. B. Screenshots oder einfache Farbbilder. Hier ist der Komprimierungseffekt am größten.

ZIP

Neben dem Dateiformat gebundenen Komprimierungsmethoden, können Bilddateien auch mit üblichen Komprimierungsverfahren komprimiert werden. Diese Dateien können dann allerdings nicht direkt in Bildbearbeitungsprogramme geöffnet werden, sondern müssen zunächst mit einem entsprechenden Hilfsprogramm Entpackt werden.

4. Farbmodelle

Die wichtigsten Farbmodelle sind:

RGB-Modus

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.

Indizierte Farben

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.

CMYK-Modell

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.

HSB-Modell

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

Graustufen-Modus

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:

• Röper, Michael: Bildverarbeitung und Visualisierung unter UNIX. München/Wien 1996

• www.Gottweißwoüberall.de

• aus Referat von: Andreas Biendl (2001). EWF. Dozent: Schräpler.