Digitale Medien Es ist ein Grundproblem der Menschen: Wir glauben, was wir sehen Frank Keil (Yale University)

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1 Digitale Medien 6. FARBE, FARBMODELLE,ARTEN VON GRAPHIKEN Es ist ein Grundproblem der Menschen: Wir glauben, was wir sehen Frank Keil (Yale University) Wenn Leute zum Beispiel einen Fernsehbericht betrachten, bei dem die Aussagen von Bild und Text einander widersprechen, denken sie, die Bilder seien wahr und die Texte fl falsch. h Thomas Knieper (Uni München) Der Grund dafür lautet: Das Auge ist der wichtigste Sinn des Menschen. Ihm vertraut er mehr als sämtlichen anderen Wahrnehmungen Wir sind Augentiere Ernst Pöppel, (Universität München) Diese Vormacht des Sehsinns drückt sich bis heute darin aus, dass die Hälfte des menschlichen Hirns für die Verarbeitung visueller Reize zuständig ist. Bildretusche Bildretusche 1

2 Bildretusche Wer die Bilder beherrscht, beherrscht die Köpfe der Menschen. Bill Gates html Bildretusche Bildretusche Bildmanipulation Die Macht der Bilder 2

3 Überblick heutige Vorlesung 1. Raster & Vektorgraphiken 2. Farbe 3. Farbmodelle 4. Ausgabegeräte g 5. Farbwahrnehmung 6. Dateiformate für Graphiken 14 Rastergraphik Beschreibung eines Bildes in Form einer matrix/rasterförmigen Anordnung von Bildpunkten (Pixel), denen jeweils eine Farbe zugeordnet ist Merkmale: Breite, Höhe [Pixel] Farbtiefe [Bit, Byte, Anzahl Farben] pictureelement unteilbare Einheit eines Rasterbildes Gitterförmig angeordnet in Zeilen und Spalten Alle Pixel sind gleich große quadratische Bereiche. Pixel bedecken ein Bild vollständig (keine Lücken) und überlappen nicht. Was ist ein Pixel? 16 Pixel und Farbe Farbtiefe (Anzahl der Farben) wird durch Graphikspeicher bestimmt erster Ansatz: jedes Pixel wird durch ein Bit repräsentiert Pixel ist entweder da oder nicht zweifarbige Darstellung z.b. schwarz/weiß Raster Pixel und Farbe zweiter Ansatz: Erhöhung des Speichers pro Pixel jedes Pixel wird durch 1 Byte repräsentiert 2 8 =256 mögliche Farbwerte 18 Pixel und Farbe dritter Ansatz: True Color Trennung in Rot, Grün, Blau Farbkanal Verwendung von 1 Byte pro Farbe 256 mögliche Farbabstufungen 256x256x256= Farbwerte modere Scanner arbeiten mit 48Bit Farbtiefe = 2 Byte pro Farbkanal 2 16 =65536 Abstufungen je Kanal x x = Farben 19 3

4 Vorteile: Pixelgraphiken: Vor- und Nachteile Einfache Speicherung (einfache Anordnung der Elemente) Viele Verarbeitungsmöglichkeiten (Bildverarbeitung) Nachteile: Diskretisierung einer geometrischen Beschreibung erforderlich Probleme beim Vergrößern, Rotieren, allgemein Transformieren (Aliasing) Hoher Speicherplatzbedarf 20 Speicherung von Rasterbildern Problem Speicherbedarf: geg.: heute übliche Bildschirmgröße 1280x1024 Pixel pro Pixel 3 Byte für Farbinformation 1280x1024x3 Byte = Byte geg. Digitalkamera: 12.8 MegaPixel: Canon 5D x3 Byte= 36 MByte Vergleich: CD max. 800MB 22 Bilder geg. Scanner mit 4800x9600 Punkten pro Zoll (dpi), 2Byte pro Farbkanal: 4800x9600x6= pro Quadratzoll (2.54cm x 2.54cm) Vektorgraphiken aus graphischen Primitiven zusammengesetzt Beispiel: Linie, Rechteck, Kreis, Punkt, Ellipse, Kurve lassen sich beliebig ohne Qualitätsverlust transformieren Eigenschaften von graphischen Primitiven bleiben bei Transformation erhalten Erfordern meist weniger Speicherplatz Parameter: je nach graphischem Primitiv: Position: x, y Größe: Breite, Höhe, Radius, Start & Endposition Farbe: RBG, Farbangabe im Klartext Ausgabegeräte rasterorientiert erfordert Rasterisierung von Vektorgraphiken Vektorgraphik Beispiel 23 mögliche Beschreibung rect(0, 0, 400, 600); circle(100, 100, 50); rect(100, 100, 100, 200); line(20, 20, 200, 60); nicht berücksichtigt: Füllfarbe und Linienfarbe, Linienbreite 23 Schriftzeichen 24 Erzeugung von Vektorgraphiken Windows: True Type Fonts Schriftzeichen sind Vektorgraphiken Outline Schriften: Form wird durch Kurven beschrieben Werden je nach Schriftgröße verlustfrei skaliert Text nicht als Bitmap (Rasterbild) erzeugen Text aus Scannerbild ist nicht veränderbar Software: Corel Draw (kommerziell) Adobe Illustrator (kommerziell) Macromedia Freehand (kommerziell) Xara Xtreme (Windows: kommerziell/linux:frei) Inkscape (frei) OpenOffice Draw (frei) Hardware: Gaphiktablett 3D Scanner 4

5 Skalierung Vergleich Vektor/Raster 26 Raster Vektor 26 Farbe Definition 27 Farbe ist diejenige Gesichtsempfindung eines dem Auge des Menschen strukturlos erscheinenden Teiles des Gesichtsfeldes, durch die sich dieser Teil bei einäugiger Beobachtung mit unbewegtem Auge von einem gleichzeitig gesehenen, ebenfalls strukturlosen angrenzenden Bezirk allein unterscheiden kann. (Definition nach DIN 5033) Farbe ist eine subjektive visuelle Wahrnehmung, die durch sichtbares Licht von bestimmten Wellenlängen im menschlichen Auge hervorgerufen wird. Die Farbe wird durch das individuelle Empfinden des menschlichen Auges bestimmt ist und subjektiv von der Augenempfindlichkeit abhängig. color.html Licht und Farbe Wahrgenommene Farbe eines Objektes ist abhängig von: Lichteinfall, Reflexions und Transmissionseigenschaften Farbe umgebender Objekte, Visueller Wahrnehmung (Unterschiedlich bei jungen und alten Menschen, Wahrnehmungsstörungen) Grundlagen: Physik (Optik, Lichtausbreitung), Physiologie und Psychologie 28 Was ist Licht? Licht und Farbe o sichtbarer Teil des elektromagnetischen Spektrums o Wellenlängenbereich von 380 bis 780 nm (bei Tieren unterschiedlich) o Frequenz des sichtbaren Lichtes entsprechend: ~1015 Hz o Licht breitet sich sehr schnell in alle Richtungen aus. wird an Oberflächen reflektiert, teilweise gebrochen von strahlenden Oberflächen emittiert. Zusammenhang Farbe und Licht: o Farbe: Wahrnehmung der spektralen Zusammensetzung des Lichtes (welcher Anteil des einfallenden Lichtes hat welche Wellenlänge) 29 Achromatisches Licht o keine Farben o Lichtmenge (Intensität / Leuchtkraft / Helligkeit) Licht und Farbe 30 Licht und Farbe 31 Farbe eines Objektes wird durch zwei Spektren bestimmt: o die Reflexionscharakteristik der Oberfläche des Objektes o das einfallende Licht Objekte sehen bei unterschiedlicher Beleuchtung unterschiedlich aus Chromatisches Licht o Farbe o Farbton, Sättigung, Helligkeit Quelle: Stone A Field Guide to Digital Color 5

6 Das menschliche Auge besitzt lichtsensitive Zellen in der Retina: Stäbchen und Zapfen: o Stäbchen als Sensoren für Helligkeit, o Zapfen als Sensoren für Farbe. Höchste Dichte in der Fovea centralis (Durchmesser: 4 μ m) 32 Tristimulus-Theorie Bild wird auf Netzhaut projiziert Photorezeptorzellen wandeln Lichtimpulse in elektrische Impulse um Stäbchenzellen: o Hell Dunkel o 498 nm Zapfenzellen o Farbe o 3 Empfindlichkeiten 33 Tristimulus-Theorie Zapfen haben unterschideliche Sensitivitäten für Rot, Grün und Blau. Alle anderen sichtbaren Farben können aus diesen drei Grundfarben gemischt werden 34 blau: grün : rot Tristimulus-Theorie 35 Quelle: blau: grün : rot Tristimulus-Theorie 36 blau: grün : rot Tristimulus-Theorie 37 6

7 1931: Commission Internationale de l'eclairage Stellt die gesamten sichtbaren Farben eines Normbetrachters dar Experimentelle Bestimmung der Empfindlichkeit der Helligkeits und Farbsensoren Vergleich normierter monochromer Farben mit additiver Farbmischung dreier Emitter (xyz) (x,y,z), Versuchspersonen justieren Stärke der Emitter Hufeisenförmig Wellenlänge außen Geschlossen durch Purpurlinie Alle Farben, die aus den Spektralfarben additiv gemischt werden können, liegen innerhalb dieser Fläche Menge aller Farben, die ein Gerät wiedergeben kann Gamut CIE-Farbspezifikation 38 Farbmodelle Hardwareorientierte Farbmodelle Motiviert durch die Charakteristika von Ausgabegeräten. Beispiele: (additiv) RGB und (subtraktiv) CMY Modell 39 RGB: Additives Farbmodell, bei dem Farben als Linearkombination ihres Rot, Grün, Blau Anteils beschrieben werden. Genutzt für Ansteuerung von Monitoren. CMY: Subtraktives Farbmodell, bei dem Farben als Linearkombination ihres Cyan, Magenta, Yellow Anteils beschrieben werden. Genutzt für Ansteuerung von Druckern. Beim Druck: Hinzunahme von reinem Schwarz: CMYK Farbmodelle Perzeptionsorientierte Farbmodelle: o Gleiche Abstände im Farbraum korrespondieren zu (etwa) gleichen Abständen in der Farbwahrnehmung. o Nutzung von physiologischen Größen: Farbton, sättigung, helligkeith k it Beispiele: HLS und HSV Modell Hardwareorientierte Modelle sind unerlässlich; perzeptionsorientierte für die Farbeingabe wünschenswert. 40 Farbmodelle RGB Benutzt für selbstleuchtende Objekte Beschreibt die Mischung verschiedener Wellenlängen des Lichts, um Farberscheinungen hervorzurufen Drei Grundfarben: o Rot R, Grün G und Blau B Additive Mischung : alle Grundfarben addieren sich zu Weiß Mischen (RGB ) um andere Farben zu erzeugen 41 Farbmodelle CMY Gegenteil der additiven Farbmischung Erklärt die Farbmischung mit Tinten bzw Malfarben, die verschiedene Wellenlängen absorbieren und andere reflektieren Drei Grundfarben: Cyan C, Magenta M, and Yellow Y 44 Farbmodelle CMY Subtraktive Farben: Farben werden dadurch spezifiziert, wieviel von weiß subtrahiert wird, nicht dadurch, wieviel zu schwarz hinzugefügt wird G 45 Mischen CMY um andere Farben zu erzeugen -R -R -B -B -R -G -B -G 7

8 Farbmodelle HSV Farbtemperatur Hue Farbton Saturation Sättigung Value Helligkeit perzeptionsorientiert p intuitive Herangehensweise: o Auswahl einer Farbe o Bestimmung der Sättigung o Änderung der Helligkeit durch Hinzunahme von Weiß Licht kann durch Wärme erzeugt werden sogenannte black body radiators emittieren Licht, dessen spektrale Zusammensetzung eine Funktion der Temperatur ist Beschreibung der Farbe durch die Temperatur 1200 K: Kerzenlicht 2800 K: Tungsten Lampe (Glühlampe), Sonnenauf / untergang untergang 3000 K: Studio und Photolampen 5000 K: Blitzlicht, Tageslich. Standard für Photographie 6000 K: helle Mittagssonne 7000 K: leicht bedeckter Himmel 8000 K: dunstig K: wolkenverhangener Himmel Andere Farbmodelle Dateiformate für Graphiken 49 basierend auf direktem visuellen Vergleich einer Farbe mit Referenzfarben häufig eingesetzt in der Drucktechnik (Farbmusterbücher, tabellen) verschiedene Systeme o PANTONE o Munsell o DuPont 48 Raster: BMP BitMaP GIF Graphics Interchange Format JPEG Joint Expert Group PNG Portable Network Graphics RAW Kamera Rohdaten JPEG2000 Nachfolger von JPEG Vektor: Postscript Seitenbeschreibungssprache FH Freehand PDF Portable Document Format SWF Macromedia Flash SVG Scalable Vector Graphics 49 GIF 50 Interlaced GIF wurde 1987 von Compuserve (US Onlinedienst) eingeführt benutzt Kompression zur Reduzierung der Datenmenge verlustfrei Lempel Ziv Welch (LZW) Komprimierung Farbinformationen sind in Farbtabelle abgelegt max. 256 Farben (1Byte pro Pixel) frei wählbar aus erweiterte Version: Speicherung mehrerer Bilder in einer Datei animiertes Gif Transparenz Interlacing Transparenz: ein Farbeintrag in der Tabelle kann als transparent gewählt werden keine Alpha Transparenz (halbtransparente Bereiche) Betrifft den Bildaufbau bei non interlaced: Bildaufbau zeilenweise interlaced: Trennung des Bildaufbaus in 4 Phasen Phase 1: jede 8. Zeile wird aufgebaut Phase2: jede 4. Zeile wirdaufgebaut Phase 3: jede 2. Zeile wird aufgebaut Phase 4: Rest Nachteil: Umwandlung in GIF reduziert Farben Anwendung: Web, Icons 8

9 PNG entwickelt, um GIF abzulösen keine Animationen aber Graustufenbilder mit 1, 2, 4, 8, 16 Bit Farbbilder mit 8 oder 16Bit pro Farbkanal Komprimierung i erfolgt verlustfrei Transparenz: Alpha Wert: 8 oder 16Bit Interlacing: 7 Pass weniger Bildverzerrungen als GIF JPEG 53 verlustbehaftet oder verlustfrei 24 Bit Farbtiefe Verlustbehaftete Komprimierung Algorithmus entfernt Daten aus Bild Prinzip der Kompression: Entfernen nicht sichtbarer Teile Kompressionsrate ist einstellbar entscheidet über Qualität Hohe Kompressionsrate = wenig Speicherplatz = schlechte Qualität Nachteil: Originalbild lässt sich nicht wieder herstellen. 53 progressive JPEG 54 Bild wird in mehreren Durchgängen kodiert und dekodiert Bild wird von Durchgang zu Durchgang schärfer ähnlich GIF gut zur langsamen Datenübertragung geeignet wenn ausreichende Schärfe erreicht, kann Übertragung abgebrochen werden 54 SVG Standard zur Beschreibung von 2D Vektorgraphiken XML basiert Bild wird aus graphischen Primitiven zusammengesetzt Scripting und Animationen sind möglich Anwendung: Web SVG Beispiele 57 SVG Beispiele grundlegender Aufbau eines SVG Dokumentes: Einfügen verschiedener geometrischer Primitive: <?xml version="1.0" encoding="utf-8"?> <?xml version="1.0" encoding="utf-8"?> <svg xmlns=" width="800" height="600"> <! Beschreibung der Graphik --> </svg> <svg xmlns=" width="400" height="600"> <circle cx="100" cy="100" r="50" /> <rect x="100" y="100" width="100" height="200" /> <line x1="10" y1="10" x2="200" y2="60" stroke="red" stroke-width="4px"/> </svg> 9

10 Was man beachten sollte 59 eine Rastergraphik kann nicht mehr in Vektorgraphik umgewandelt werden Vektorgraphik auch im Vektorformat speichern Verlustbehaftete Komprimierung kann nie das Originalbild erzeugen Scanner und Digitalkameras erzeugen Rasterbilder Rasterbild enthält keine Informationen über graphische Formen Schriftarten und deren Parameter Wahrnehmungsaspekte berücksichtigen 59 10

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