Die unterschiedlichen. Eigenschaften unterschiedlicher Bildformate

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1 Die unterschiedlichen Eigenschaften unterschiedlicher Bildformate Ersin Akin(557117) 1 / 13

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Die verschiedenen Varianten der Bildspeicherung Rastergrafiken Vorteile der Rastergrafiken Nachteile Rastergrafiken Vektorgrafiken Vorteile Vektorgrafiken Nachteile Vektorgrafiken Farbmodelle additives Farbsystem RGB RGBA (mit alpha-kanal) subtraktives Farbsystem CMYK Bildformate Scalable Vector Graphics (SVG) Postscript (PS) Tagged Image File Format (TIFF) Joint Photographic Experts Group (JPEG) JPEG Graphics Interchange Format (GIF) Portable Network Graphics (PNG) Quellen Ersin Akin(557117) 2 / 13

3 1. Einführung Diese Dokumentation entstand im Rahmen der Lehrveranstaltung Fachseminar bei Herrn Prof. Dr. K.-O. Linn. Da ich mich in der Vergangenheit oft mit Bildbearbeitungssoftware beschäftigt habe und bei der Speicherung auf verschiedene Formate gestoßen bin, musste ich mir oft die Frage stellen, warum es überhaupt so viele verschiedenen Formate gibt. Wodurch unterscheiden sich überhaupt diese Bildformate? Hiermit möchte ich einige der wichtigsten Formate vorstellen und aufzeigen welche Vor- und Nachteile sie bieten und wo man sie am häufigsten einsetzt. 2. Die verschiedenen Varianten der Bildspeicherung Prinzipiell werden dabei zwei Kategorien zur Bearbeitung grafischer Elemente unterschieden: Rastergrafiken Vektorgrafiken Zusätzlich seien hier noch die Metaformate erwähnt, die sowohl Raster- als auch Vektorinformationen enthalten können Rastergrafiken Die Rastergrafiken oder auch Bitmaps enthalten punktweise Daten eines Bildes. Jedem Bildpunkt (Pixel) sind also seine Koordinaten und ein Farbwert zugeordnet. Die Höhe der Auflösung ergibt sich aus der Anzahl der Einzelpunkte innerhalb einer festgelegten Fläche. Wenn das Bild also 100x100 Bildpunkte groß ist, gilt es Bildpunkte mit einer eigenen Farbe zu versehen. Ersin Akin(557117) 3 / 13

4 Vorteile der Rastergrafiken Rastergrafiken eignen sich hervorragend zur Darstellung komplexerer Bilder, wie z.b. Fotos. Rastergrafiken können sowohl mit einem Scanner oder einer Digitalkamera digitalisiert oder mit Bildbearbeitungssoftware erstellt werden. Ein anderer Vorteil ist die Nähe zu den Rasterorientierten Ausgabegeräten (z.b. LCD s, CRT s und Drucker) Nachteile Rastergrafiken Der Nachteil liegt auf der Hand, da die Bildpunkte einzeln beschrieben werden haben diese Formate meist einen relativ hohen Speicherverbrauch im Gegensatz zu Vektorgrafiken. Diesem Nachteil begegnet man mit zahlreichen Komprimierungsverfahren, um die Datenmenge einer Rastergrafik auf ein Minimum zu beschränken. GIF- und JPEG-Dateien, die auch Rastergrafiken nach einem bestimmten Kodierungsverfahren komprimieren, sind nur die bekanntesten Beispiele. Da Rastergrafiken nur aus einer begrenzten Anzahl von Pixeln bestehen, werden geometrische Formen meist nur angenähert. Sie werden auch vielen einzelnen Rechtecken (Quadraten) zusammensetzt. Skalierungen der Rastergrafiken führt zu Qualitätsverlust, vor allem bei der Vergrößerung kommt es zu einer pixeligen oder unscharfen Darstellung. Bei einer Verkleinerung hingegen werden einfach Spalten oder Zeilen weggelassen Vektorgrafiken Bei Vektorgrafiken hingegen werden nicht einzelne Punkte abgespeichert, sondern mathematische Beschreibungen von allen im Bild vorkommenden geometrischen Figuren, wie z.b. Linien, Kreisen, Polygonen oder allgemeinen Kurven (Splines). So kann beispielsweise eine Linie in einer Vektorgrafik über Lage des Startpunktes, der Länge, Linienstärke und der Richtung vollständig beschrieben werden. Deshalb werden Vektorgrafiken vor allem bei Schriftzügen, grafischen Logos oder Illustrationen verwendet. Ersin Akin(557117) 4 / 13

5 Vorteile Vektorgrafiken Vektorgrafiken sind objektorientiert. Ihr Speicherplatzbedarf ist wesentlich geringer als der von Rastergrafiken. Eine Vektorgrafik kann ohne Qualitätsverlust skaliert werden. Wenn Vektorgrafiken skaliert werden, müssen keine komplexen Pixelberechnungen laufen um den Verlust möglichst gering zu halten, sondern die Angaben bleiben gleich. Sie werden lediglich auf die neue Größe gerechnet, also skaliert. Außerdem können Sie verlustfrei manipulieren oder bearbeitet werden (wenn man z.b. einen Text etwas höher platzieren möchte muss man nur die Koordinaten des Textelements ändern). Vektorgrafiken eignen sich ideal bei Diagrammen mit detailreichen Kurven und Objekten, da man eben bis ins kleinste Detail vergrößern kann und somit ganz genaue Werte ablesen kann Nachteile Vektorgrafiken Der Nachteil einer Vektorgrafik liegt darin, dass die Darstellungen detailreicher Bilder immer grafisch und nicht fotografisch wirken. Die Ausgabequalität ist nur optimal bei Vektorausgabegeräten wie z.b. Plotter. Programme, die Vektorgrafiken darstellen, müssen die Bilddaten aus den Formeln berechnen können. Vektorgrafikdateien müssen also vom Computer erst interpretiert werden. 3. Farbmodelle Farbe ist ein visueller Eindruck, den das Gehirn einer bestimmten Wellenlänge zuordnet, die vom Auge erfaßt wurde. Hier wird auch unterscheiden zwischen additiven und subtraktiven Farbsystemen. Ersin Akin(557117) 5 / 13

6 3.1. additives Farbsystem Hier leuchten die Farben selbst (es wird farbiges Licht gemischt): die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau ergeben zu gleichen Anteilen gemischt je nach Intensität Weiß (100 %) bis Schwarz (keine Lichtemission) RGB Das Kürzel RGB steht für den aus den drei Grundfarben Rot, Grün, Blau (RGB) bestehenden Farbraum für die additive Farbmischung, mit der beispielsweise Computermonitore arbeiten. Zu jedem binären Muster, das einem Pixel zugeordnet wird, gibt es in einer Tabelle drei Bytes, die für diese drei Grundfarben stehen. Der Inhalt dieser Bytes kann Werte zwischen 0 und 255 annehmen, die dem Grad der Farbintensität entsprechen (je höher, desto heller). Da jedes dieser RGB-Bytes 256 mögliche Werte haben kann, ergeben sich daraus 256x256x256 verschiedene Farbton-Möglichkeiten, also Farben, die auch als "TrueColor" oder "Echtfarbe" bezeichnet werden RGBA (mit alpha-kanal) Der Alphakanal ist ein zusätzlicher Farbkanal, der zusätzlich zu den in einem Farbraum kodierten Farbinformationen die Transparenz bzw. Durchsichtigkeit der einzelnen Bildpunkte speichert. Im Alphakanal werden bei den verschiedenen Grafikformaten (z. B. PNG oder TIFF) Transparenzinformationen zusätzlich zu den eigentlichen Bilddaten gespeichert. Dabei besitzt ein Alphakanal meist dieselbe Farbtiefe wie ein Farbkanal eines Bildes. So umfasst ein Alphakanal bei einem 8-Bit-Bild 256 Stufen. Ersin Akin(557117) 6 / 13

7 3.2. subtraktives Farbsystem Farbsystem bestehend aus den Grundfarben Cyan, Magenta und Yellow/Gelb (CMY), bei der das Ergebnis einer Mischung immer dunkler als die Ursprungsfarbe ist (im Gegensatz zum additiven Farbsystem). Hier wird also Licht wie von einem Farbfilter absorbiert. Die weiße Papierschicht wirft alles Licht zurück, das durch die darüberliegenden Farbschichten, entsprechend ihrer Farbe, gefiltert wird. Zum Auge gelangen nur die Farbanteile des Lichtes, die nicht ausgefiltert wurden. Kein Farbauftrag entspricht dem Farbempfinden "Weiß", alle Farben übereinander gedruckt "Schwarz" oder Dunkelbraun. Gegenüber dem RGB- Farbsystem ist ein Verlust der Reinheit und Leuchtkraft der Farben zu erkennen, der durch die vom Idealfall abweichenden Farbpigmente bedingt ist CMYK Während die roten, grünen und blauen Leuchtelemente von Bildschirmen den idealen R,G,B Farben sehr nahe kommen, sind die Druckfarben Zyan, Magenta und Gelb recht weit von den idealen Druckfarben entfernt. So ergibt die 100%-Mischung von Zyan, Magenta, Gelb auch nicht schwarz, sondern nur dunkelbraun. Daher verwenden fast alle Drucker schwarz als zusätzliche Farbe beim Vierfarbdruck. Die Umrechnung zwischen RGB und CMYK-Farbraum ist komplex und auch verlustbehaftet. Nicht jede auf einem RGB-Bildschirm darstellbare Farbe kann auch auf einem CMYK- Drucker gedruckt werden. für eine exakte Umrechnung müssen die Farbwerte der mit dem konkreten Druckermodell und Papier erreichbaren Farben berücksichtigt werden, d.h. die Umrechnung ist druckerabhängig. 4. Bildformate SVG, PS, TIFF, JPEG, JPEG2000, GIF, PNG, DICOM Ersin Akin(557117) 7 / 13

8 4.1. Scalable Vector Graphics (SVG) Scalable Vector Graphics (auf Deutsch: Skalierbare Vektorgrafiken) ist ein Standard zur Beschreibung zweidimensionaler Vektorgrafiken. Sie wurde 1998 entwickelt und 2001 vom W3C* als Empfehlung veröffentlicht. SVG ist vollständig auf XML basiert. Die definierte Grafik ist somit in einer Baumstruktur aus verschiedenen Elementen und diesen Elementen zugewiesenen Attributen aufgebaut. Man kann es also ganz einfach per Texteditor erzeugen oder bearbeiten. Hier sehen Sie ein einfaches Beispiel: Die Erzeugung eines Kreises mit schwarzem Umfang und rotem Inhalt. <?xml version="1.0"?> <!DOCTYPE svg PUBLIC "-//W3C//DTD SVG 1.1//EN" " <svg xmlns=" width="226" height="226"> <circle cx="110" cy="107" r="80" stroke="black" stroke-width="5" fill="red" /> </svg> *W3C = WWW-Consortium(Gremium zur Standardisierung, der das WWW-betreffenden Techniken) 4.2. Postscript (PS) PostScript wurde 1983 von der Firma Adobe Systems als Seitenbeschreibungssprache entwickelt. Hinter PostScript verbirgt sich eine Programmiersprache mit Grafikfunktionen, die in der Lage ist, geometrische Objekte, Schriften und Rasterbilder in einem Dokument anzuordnen. Die wichtigste Eigenschaft einer solchen PS-Datei ist die Bereitstellung einer normierten, geräteunabhängigen Schnittstelle für die Ausgabe solcher Dateien auf Drucker, Kopierer, Bildschirm, Belichtungs- oder Publishinggeräten. Ersin Akin(557117) 8 / 13

9 Solche Ausgabegeräte arbeiten meist rasterorientiert. Daraus folgt, dass die erzeugte Seite in Bildpunkte umgewandelt werden muss. Dazu benötigt man einen PS-Interpreter, auch RIP (Raster Image Processor) genannt, der die PS-Anweisungen analysiert und sie dann in die Sprache umwandelt, die das Ausgabegerät versteht. Hier sehen Sie ein einfaches Codebeispiel in Postscript: 4.3. Tagged Image File Format (TIFF) TIFF ist das gebräuchlichste Dateiformat für den Import von Bildern in Grafik- und Layoutprogramme sowie zum Austausch zwischen verschiedenen Computerplattformen. TIFF wurde von der Aldus Corp.(Seattle) und Microsoft entwickelt übernahm Adobe Systems die Arbeit von Aldus Corp. Eine TIFF-Datei kann beliebig viele Farbkanäle enthalten. Diese können entweder für den Vierfarbdruck und zusätzliche Sonderfarben verwendet werden oder dienen in bestimmten Anwendungen als Alphakanäle, die die Transparenz bestimmen. In TIFF-Dateien können Sie neben den normalen Pixeldaten auch Vektorpfade speichern. Besonders wichtig sind in diesem Zusammenhang die Beschneidungspfade, die für Transparenz in Layoutprogrammen sorgen. TIFF-Dateien sind optimal für Bilder mit einer hohen Qualität. Ersin Akin(557117) 9 / 13

10 4.4. Joint Photographic Experts Group (JPEG) Das JPEG wurde als konsequente Weiterentwicklung des TIFF vorgestellt. Dieses Verfahren sollte eine maximale Komprimierung von Bildinhalten bei Erhaltung aller relevanten Farbinformationen ermöglichen. Da JPEG auf TIFF basiert, sind die Inhalte eines JPEG-Bildes ebenfalls pixelbasiert. Bei JPEGs gilt die Regel: Je höher die Komprimierungsstufe, desto schlechter die Bildqualität. Bei einer Komprimierung werden, vereinfacht ausgedrückt, Gemeinsamkeiten der im Bild vorhandenen Pixel untersucht und vereinfacht. Nach der Komprimierung kann man jedoch schnell die Nachteile erkennen: Kanten und harte gerade Übergänge franzen mit zunehmender Komprimierung aus. Zu beachten ist, dass Sie ein Bild nicht mehrmals hintereinander im JPEG-Format speichern dürfen, denn bei jedem Speichervorgang kommt es zu erneutem Verlust. Deshalb empfiehlt es sich zur zukünftigen Nachbearbeitung immer eine Kopie im Originalformat zu sichern. Mit JPG können allerdings keine Transparenzen gespeichert werden. Es gibt diese 4 verschiedenen Kompressionsmodi: Beim progressive mode wird das Bild in mehreren Durchgängen kodiert und dekodiert. Bei jedem weiteren Durchgang verbessert sich dabei die Bildqualität, was besonders nützlich ist, wenn Daten über große Entfernungen übertragen werden. Sobald das Bild eine für den Benutzer ausreichende Schärfe erreicht hat, kann dieser die Übertragung stoppen. Der hirarchical mode speichert das Bild in einer geringeren Auflösung und ebenfalls in voller Auflösung. Das gering aufgelöste Bild kann wesentlich schneller übertragen und dekodiert werden und eignet sich somit bestens als schnelle Vorschau auf das eigentliche Bild. Bei Interesse kann dann die vollaufgelöste Version geladen werden. Der lossless mode ist das einzige Verfahren, das verlustfrei kodiert und dekodiert. Der große Nachteil ist, dass die Kompressionsrate recht gering ist, weil der volle Informationsgehalt gespeichert wird. Beim sequentiell mode wird das Bild in einem einzigen Durchgang von links oben nach rechts unten dekodiert, was in der Praxis für die meisten Anwendungen gut Ersin Akin(557117) 10 / 13

11 geeignet ist, die besten Kompressionsraten erzielt und am leichtesten zu implementieren ist JPEG2000 JPEG 2000 ist der Nachfolger von JPEG. Im Vergleich zu JPEG erreicht JPEG 2000 höhere Kompressionsraten bei gleicher Bildqualität. Während wiederholtes Öffnen und Schließen eines Bildes mit den gleichen Kompressionsparametern bei JPEG zu fortschreitenden Qualitätseinbußen führt, ist dies bei JPEG 2000 nicht der Fall. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, ausgewählte Bildbereiche in höherer Qualität zu komprimieren. Trotz seiner Qualitätsmerkmale ist JPEG 2000 derzeit noch nicht sehr weit verbreitet, was u. a. an der mangelhaften Unterstützung durch die gängigen Browser liegt. Es hat auch einen niedrigeren Speicherbedarf bei der Kompression und Dekompression, außerdem auch kürzere Kodier und Dekodierzeiten Graphics Interchange Format (GIF) GIF ist ein Grafikformat mit guter, verlustfreier Komprimierung für Bilder mit geringer Farbtiefe. Hierzu wird das Bild indiziert (also einzelne Farbtöne ausgewählt) und komprimiert. Aufgrund des angewendeten Zeilensprungverfahrens (Interlacing) wird das Bild beim Bildaufbau schon grob zur Ansicht gebracht als eine Art Vorschau. In GIF Dateien können zusätzlich Animationen erstellt werden. Hierzu werden wie in einer Art Daumenkino verschiedene Bilder hintereinander gelegt und mit Abspielzeiten belegt. Somit entsteht der Eindruck einer Animation. Außerdem sind Transparenzen in GIF-Dateien möglich. GIF-Dateien werden gerne als Vorschaubilder in Webbrowsern benutzt. Ersin Akin(557117) 11 / 13

12 4.7. Portable Network Graphics (PNG) PNG gilt als der Nachfolger von GIF. Hierbei handelt es sich um einen noch relativ jungen Bildstandard, der für das Internet entwickelt wurde und von den meisten Browsern neben GIF und JPEG unterstützt wird. PNG bietet hohe Komprimierungsraten, Halbtransparenz und Echtfarben. Es ist wie das GIF Format Streamable, es wird also im Browser eine Art Vorschaubild angezeigt die dann mit fortschreitender Datenmenge vollständig geladen wird. Jedoch kann das PNG-Format selbst keine Animation darstellen. Dies wird über das Animierte PNG-Format dargestellt (APNG). Ersin Akin(557117) 12 / 13

13 5. Quellen Sascha Kersken Kompendium der Informationstechnik (ISBN-13: ) Prof.Dr. Schulz (FH-Wiesbaden): Vorlesungsfolien Computergrafik SS ml F04E14F Ersin Akin(557117) 13 / 13