Raster- und Vektorgrafik

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Alwin Hummel
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Raster- und Vektorgrafik 3 Eine Rastergrafik ist aus einzelnen kleinen Flächenelementen (Bildelementen) zusammengesetzt, die ihrerseits unterschiedlich gefärbt bzw.

1 Raster- und Vektorgrafik 3 Eine Rastergrafik ist aus einzelnen kleinen Flächenelementen (Bildelementen) zusammengesetzt, die ihrerseits unterschiedlich gefärbt bzw. mit verschiedenen Grauwerten belegt sein können und ein Raster bilden. Eine Vektorgrafik ist aus grafischen Primitiven wie Linien, Kreisen, Polygonen oder allgemeinen Kurven (Splines) zusammengesetzt. [Lexi] 3.1 Rastergrafik Rastergrafiken werden in einem Raster aus einzelnen Bildpunkten (Pixel) erzeugt, von denen jedes einzelne unterschiedlich gefärbt sein kann, z. B. Bitmaps und digitale Bilder. Mit dem Betriebssystem wird diegrößeder Pixel-Matrix für den ganzen Bildschirm im Rahmen seiner technischen Möglichkeiten ein- oder umgestellt. Je feiner diese Einstellung gewählt wurde (je mehr Pixel auf der verfügbaren Fläche vorhanden sind), umso kleiner werden vorgefertigte Grafiken dargestellt, beispielsweise die Icons in Abb Bezüglich seiner Größe ist eine Rastergrafik daher an diejenige Pixelmatrix gebunden mit der sie erstellt wurde; in obigen Beispielen jeweils in einer 32 2 Pixelmatrix. Bei Darstellung auf einem anderen Ausgabegerät mit einer anderen Auflösung können sich merkliche Unterschiede ergeben. Abb. 3.1 Beispiele für Icons H.-G. Schiele, Computergrafik für Ingenieure, DOI / _3, c Springer-Verlag Berlin Heidelberg

24 3 Raster- und Vektorgrafik Abb. 3.2 Treppeneffekt bei Vergrößerung Der große Vorteil von Rastergrafiken besteht darin, dass flächenhafte Darstellungen viel leichter erzeugt werden können.

2 24 3 Raster- und Vektorgrafik Abb. 3.2 Treppeneffekt bei Vergrößerung Der große Vorteil von Rastergrafiken besteht darin, dass flächenhafte Darstellungen viel leichter erzeugt werden können. Dies geschieht durch Einfärben aller Pixel innerhalb einer Berandung. GDIC stellt hierfür verschiedene grafische Grundobjekte zur Verfügung, wie Linien, Polygone, Kreise, Ellipsen und andere Kurven. Zur Füllung der Flächen werden Floodfill-Algorithmen verwendet. Eine realistische Darstellung von komplexen Szenerien lässt sich nur durch farbliche Differenzierung ihrer Oberflächen (Facetten) erreichen, mit denen die Szenerie modelliert wurde. Die Vektorgrafik ist hierfür nicht besonders gut geeignet. Allerdings leiden Rastergrafiken an Darstellungsproblemen wie dem Treppeneffekt, der ein Ergebnis der begrenzten Bildauflösung (Pixelanzahl) ist. Dieser Nachteil ist prinzipiell nicht zu vermeiden. Besonders bei kleinen Schriftzeichen ist dies ein Problem. Methoden, die die als Folge der Rasterung auftretenden unerwünschten Effekte abzuschwächen suchen, werden Antialiasing genannt. Der Treppeneffekt lässt sich deutlich reduzieren, wenn auch die ein Pixel umgebenden Bildregion in die Rasterung mit einbezogen wird. Selbst kleine Details fließen so in die Farbe eines Pixels ein, auch wenn diese zwischen zwei Pixeln liegen sollten. In Abb. 3.2 ist der eingekreiste Ausschnitt in zwei Vergrößerungen dargestellt: links ohne, rechts mit Aktivierung der Antialiasing-Funktion. Die Linien sind nicht glatt durchgezogen, sondern punktweise aneinander gereiht. Durch eine höhere Auflösung, also kleinere und mehr Pixel im Darstellungsbereich, kann die Grafik soweit verbessert werden, dass dieser Nachteil optisch kaum noch sichtbar ist. In der Vergrößerung sieht die Grafik mit Antialiasing-Effekt eher noch unruhiger aus als ohne diesen. Bei normaler 1 W 1-Betrachtung wirken die geraden Linien jedoch wesentlich glatter. Auch zur Ausgabe von Computergrafiken auf Papier oder Folie kommen hauptsächlich Rastergrafik erzeugende Geräte zum Einsatz, wie z. B. Nadel-, Tintenstrahl- oder Laserdrucker. Für die Ausgabe von mittels CAD erstellten

3 3.2 Vektorgrafik 25 technischen Zeichnungen, die ausschließlich aus Linien bestehen (Liniengrafik) werden hauptsächlich Flachbett- oder Trommelplotter verwendet. 3.2 Vektorgrafik Manche Arten von Bildern, etwa Strichzeichnungen oder Diagramme, werden besser als Vektorgrafiken gespeichert. Eine Vektorgrafik ist die praktische Umsetzung der analytischen Geometrie, mit der ausnahmslos Linien auf dem Ausgabegerät gezeichnet werden. Die Linien werden wie Vektoren behandelt (daher die Bezeichnung), mit einem Anfangs- und einem Endpunkt und Koordinaten für diese Punkte. Diese Art der Repräsentation ist unabhängig von der Bildauflösung und erlaubt die verlustfreie Bearbeitung der Bildinhalte. Vektorgrafik findet man heute nur noch ausgeprägt bei Flachbett- und Trommelplottern (siehe Abb. 3.3) sowie Tintenstrahlplotter. Auch die Röhrenbildschirme früherer Jahre arbeiten nach dem Vektorprinzip. Das Zeichnen eines Vierecks und eines Dreiecks auf einem Plotter könnte folgendermaßen aussehen: Der Zeichenstift steht in Ruhestellung oben links und ist vom Papier abgehoben. In verkürzter Form sind die weiteren Plotkommandos die Schritte 1 7 in Abb Das Zeichnen von Vektorgrafiken hat den Vorteil exakter Linienführung im Gegensatz zur Rastergrafik. Allerdings bereitet das Einfärben von Facetten erhebliche Schwierigkeiten. Auch aus diesem Grunde wurden die Röhrenbildschirme in der Computergrafik sehr schnell ausgemustert; wir werden uns mit diesen nicht weiter beschäftigen. Um eine Vektorgrafik auf Rasterbildschirmen anzeigen zu können, muss sie zunächst in eine Rastergrafik umgewandelt werden. Dieser Vorgang wird Rasterung genannt. Vektorgrafik ist nicht möglich bei allen Geräten, die auf Rastertechnologie beruhen. Bei diesen sind keine genauen Koordinaten einstellbar, sondern alles basiert auf ganzzahligen Adressen, was zu treppenförmigen Linienzügen führt. Abb. 3.3 Trommelplotter

4 26 3 Raster- und Vektorgrafik Abb. 3.4 Plotkommandos zum Zeichnen von Formen 3.3 Vektor Raster? Die gesamte Mathematik in der Computergrafikbasiert auf Vektoren- und Matrizen- Operationen. Insofern ist naheliegend, auch die Grafik als Vektorgrafik zu bezeichnen. Im GDIC von Microsoft wird tatsächlich so verfahren. Eine Vektorgrafik aus grafischen Grundobjekten (Primitiven: Linien, Kreise, Ellipsen, Polygone usw.) muss erst gerastert werden, um sie auf einem Rasterbildschirm darstellen zu können. Dabei müssen die Pixel-Farbwerte der resultierenden Rastergrafik ermittelt und auch Parameter wie Füll- und Linienfarben, Linienstärken und Linienstile berücksichtigt werden. Diesen Prozess nennt man Scan Conversion, der naturgemäß mit einem hohen Rechenaufwand verbunden ist. Schon bei der bescheidenen Auflösung von Pixeln müssen für rund eine halbe Millionen Pixel deren Farbwerte ermittelt werden. Rastergrafiken können sowohl von Software erzeugt werden als auch das Ergebnis einer Digitalisierung sein, beispielsweise durch Scannen einer Vorlage. 3.4 Auflösung Die erforderliche Auflösung ist direkt proportional zum qualitativen Anspruch an eine realitätsnahe Grafik. Die Auflösung ist eine bezogene Größe und wird in Punkten oder Pixel pro Länge angegeben, also Dot/Inch D dpi oder Pixel/Inch D ppi. Die Grenzen der Auflösung sind einerseits durch die technischen Daten der Geräte festgelegt und andererseits fließend wegen des erforderlichen Speicherbedarfs und wegen des Rechenaufwandes.

5 3.4 Auflösung 27 Tab. 3.1 Auflösungsvermögen von TFT-Bildschirmen (Stand 2010) Größe [Zoll] Seitenverhältnis Pixelmatrix [Pixel] Anz. Pixel 10 6 Auflösung [ppi] 15 4 : , , : , , : , , : , , : , , : , , : , ,86 TV-Gerät (full-hd) 16 : , Icon (32/32) Größe [cm] Betrachten wir die technischen Daten der heute angebotenen TFT-Bildschirme bzgl. ihres Auflösungsvermögens etwas genauer. Tabelle 3.1 gibt den aktuellen Stand (2010) wieder, wobei es sich um Durchschnittsdaten handelt. Die ersten Bildschirme haben sich nur relativ kurz am Markt gehalten. Die neueren Entwicklungen nähern sich im Format langsam dem TV-Format an und sind in der Auflösung [ppi] dem TV-Standard mindestens gleichwertig. Womit wir wieder beim Fernsehen sind: Mit den 8 W 5-TFT-Bildschirmen lassen sich TV- Programme in gleicher Qualität betrachten wie mit einem full-hd -Fernseher. Für professionelle CAD-Anwendungen sind mittlerweile die alten Röhrenbildschirme ersetzt worden durch TFT-Rasterdisplays ab einer Größe von 20 Zoll. In der Bildverarbeitung wird unter Auflösung auch nur die Anzahl der Bildpunkte des Bildformats verstanden, z. B. 10 Megapixel bei einer digitalen Kamera. Ein gesundes menschliches Auge hat ein Gesichtsfeld von ca Bildpunkten, also etwa 16 Megapixel. Die Auflösung der Drucker und Scanner ist meist einstellbar und stets besser als die der Bildschirme.

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