9. FARBE, FARBMODELLE, AUSGABEGERÄTE, ARTEN VON GRAPHIKEN

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1 Digitale Medien 9. FARBE, FARBMODELLE, AUSGABEGERÄTE, ARTEN VON GRAPHIKEN

2 Überblick heutige Vorlesung 1. Raster & Vektorgraphiken Vkt 2. Farbe 3. Ausgabegeräte 4. Farbmodelle 5. Farbwahrnehmung 6. Dateiformate für Graphiken 2

3 Ausgabegeräte g Dienen der Darstellung der Informationen in einer Form, die der Mensch verarbeiten kann Typische Ausgabegeräte Monitore Drucker 3 3

4 Ausgabegeräte Monitore (Datensichtgeräte) 4 Langsam veraltet: Kathodenstrahlröhren Monitore (CRT) o übliche Auflösungen bis und größer o Monochrom Monitore nur noch selten o üblich: 16bit oder32bit Farbtiefe o Prinzip: Fluoreszierende Stoffe werden durch Kathodenstrahl zum leuchten angeregt Standard heute: LCD bzw. TFT Displays 4.htm Plasmadisplays l für Spezialanwendungen il und große Displayflächen 4

5 Grundlagen Flüssigkristalle: i ll Ausgabegeräte Monitore LCD 1888 von Friedrich Reinitzer entdeckt Organischen Moleküle mit Oi Orientierungsordnung Form ist langgestreckt oder scheibenförmig Achsensindeinheitlich sind einheitlich ausgerichtet. Einteilung der Flüssigkristalle je nach Ausrichtung: nematische: smekmatische: cholesterinische: fadenförmig 5 schichtenförmig wendelförmig 5

6 Ausgabegeräte Monitore LCD Aufbau Verdrillter nematischer Flüssigkeitskristall (twisted nematic cells) Zwei parallele Glasplatten, Abstand von 5 10 mm Ausrichtung der Moleküle ohne angelegtes elektrisches Feld durch mikroskopisch feine Längsriffelung der Glasplatten Glasplatten sind mit einem feinen Elektrodenmaterial bedampft 6 6

7 Ausgabegeräte Monitore LCD Funktionsweise: unterschiedliche Menge der weißen Hintergrundbeleuchtung wird von einen aktiven Filter durchgelassen Farbe (RGB) durch Farbfilter Ausrichtung der Moleküle ohne Spannung entlang der Rillen entsprechend den Polfiltern, Licht wird entlang der Moleküle gedreht, und daher durchgelassen Bei angelegter Spannung wird Licht nicht gedreht und aufgrund der Polfilter blockiert 7 7

8 Vorteile o Geringe Leistungsaufnahme, o niedrige Betriebsspannung o Flimmerfrei o gute Kontrastwerte o Digital, strahlungsarm Ausgabegeräte Monitore LCD o Leicht, klein, notwendig für mobile Geräte Nachteile o Geringer Betrachtungsbereich 8 8

9 Ausgabegeräte Plasmadisplays Wirkprinzip: Anlegen einer Hochspannung an ein Gas mit niedrigem Druck erzeugt Licht Plasmadisplay: Matrix kleiner Leuchtzellen Anlegen einer Spannung: Ionisieren ii des Gases (Übergang zu Plasma) UV Licht wird emittiert, bringt Phosphorschicht zum Leuchten Jede Zelle hat drei Subzellen (RGB) 9

10 Ausgabegeräte Drucker Ausgabe von Text und Bild Daten Dt auf Papier verschiedene Drucktechnologien unterschiedliche Qualität der Ausgabe, unterschiedliche Anwendungsbereiche heute gebräuchlich: Nadeldrucker Tintenstrahldrucker Laserdrucker 10 10

11 Ausgabegeräte Tintenstrahldrucker Tinte wird iddurch hfi feine Düsen aufs Papier gespritzt. t Funktionsprinzipien: 11 continuous flow: Tinte fließt ununterbrochen, wenn kein Bildpunkt erzeugt werden soll, wird der Tintenstrahl in eine Ablenkschale geleitet Drop on demand: Tinte fließt nur, wenn ein Bildpunkt zu erzeugen ist: Bubble Jet in der Druckerdüse befindliche Tinte wird kurzzeitig stark erhitzt. Tinte verdampft ftlokal, l bildet eine Gasblase, Gasblase schießt Tinte, aus Düse auf das Papier. Wird das Heizelement abgeschaltet, schrumpft die Blase, es entsteht Unterdruck, Tinte wird aus dem Vorratsbehälter in Druckkopf gesaugt. 11

12 Ausgabegeräte Tintenstrahldrucker piezoelektrisch: i Tintenaustritt t itt wird durch mechanische h Verformung eines piezoelektrischen Wandlers erzwungen. Funktionsweise ansonsten wie Bubble Jet Drucker 12 D. Jackèl, Uni Rostock 12

13 Ausgabegeräte Laserdrucker rotierende Trommel negativ geladen Laserstrahl baut beim Auftreffendie negative Ladung ab Toner (negativ geladen) kann nur an den entladenen Stellen haften Papier positiv geladen, Übertragung des Toners von der Trommel auf das Papier Toner durch Hitze (180 ) und Druck auf dem Papier fixiert 13 D. Jackèl, Uni Rostock 13

14 Ausgabegeräte Laserdrucker Erweitern auf 4 Farb Druck mit Cyan, Magenta, Yll Yellow, Black Aufbringen der Farbauszüge nacheinander direkt auf das Papier oder nacheinander auf ein Zwischenmedium und dann gemeinsam auf das Papier 14 14

15 Rastergraphik 15 Beschreibung eines Bildes in Form einer matrix/rasterförmigen Anordnung von Bildpunkten, denen jeweils eine Farbe zugeordnet ist Merkmale: Breite, Höhe [Pixel] Farbtiefe [Bit, Byte, Anzahl Farben] 15

16 Was ist ein Pixel? pictureelement unteilbare Einheit eines Rasterbildes Gitterförmig angeordnet in Zil Zeilen und Spalten Alle Pixel sind gleich große quadratische Bereiche. Pixel bedecken ein Bild vollständig (keine Lücken) und überlappen nicht. 16

17 Pixel und Farbe Farbtiefe (Anzahl der Farben) wird irddurch Graphikspeicher bestimmt erster Ansatz: jedes Pixelwirddurch durch ein Bitrepräsentiert Pixel ist entweder da oder nicht zweifarbige Darstellung z.b. schwarz/weiß Raster

18 Pixel und Farbe zweiter Ansatz: Erhöhung Ehöh des Speichers pro Pixel jedes Pixel wird durch 1 Byte repräsentiert 2 8 =256 mögliche Farbwerte 18

19 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

20 Vorteile: Pixelgraphiken: Vor- und Nachteile Einfache Speicherung (einfache Anordnung der Elemente) Viele Verarbeitungsmöglichkeiten (Bildverarbeitung) Nachteile: 20 Diskretisierung einer geometrischen Beschreibung erforderlich Probleme beim Vergrößern, Rotieren, allgemein Transformieren (Aliasing) Hoher Speicherplatzbedarf

21 Speicherung von Rasterbildern 21 Problem Speicherbedarf: geg.: heute übliche Bildschirmgröße 1280x1024 Pixel pro Pixel 3 Byte für Farbinformation 1280x1024x3 Byte = Byte geg. Digitalkamera: 12.8 MegaPixel: Canon 5D x3Byte= 36MByte Vergleich: CD max. 800MB 22 Bilder geg. Scanner mit 4800x9600 Punkten pro Zoll (dpi): 4800x9600x6= pro Quadratzoll (2.54cm x 2.54cm) 21

22 Vektorgraphiken 22 ausgraphischen Primitivenzusammengesetzt 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: i x, y Größe: Breite, Höhe, Radius, Start & Endposition Farbe: RBG, Farbangabe im Klartext, g Ausgabegeräte rasterorientiert erfordert Rasterisierung von Vektorgraphiken 22

23 Vektorgraphik Beispiel 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

24 Schriftzeichen 24 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 24

25 Erzeugung g von Vektorgraphiken 25 Software: Corel Draw (kommerziell) Adobe Illustrator (kommerziell) Macromedia Freehand (kommerziell) Xara Xtreme (frei) Inkscape (frei) OpenOffice Draw (frei) Hardware: Gaphiktablett 3D Scanner 25

26 Vergleich Vektor/Raster Skalierung Raster Vektor

27 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 dasindividuelle Empfinden des menschlichen Auges bestimmt ist und subjektiv von der Augenempfindlichkeit abhängig. gg color.html

28 Licht und Farbe Wahrgenommene Farbe eines Objektes ist abhängig von: Lichteinfall, Reflexions und Transmissionseigenschaften 28 Farbe umgebender Objekte, Visueller Wahrnehmung (Unterschiedlich bei jungen und alten Menschen, Wahrnehmungsstörungen) h Grundlagen: Physik (Optik, Lichtausbreitung), Physiologie und Psychologie

29 Was ist Licht? Licht und Farbe o sichtbarer Teil des elektromagnetischen Spektrums o Wellenlängenbereich von 380 bis 780 nm (bei Tieren unterschiedlich) 29 o Frequenz des sichtbaren Lichtes entsprechend: ~1015 Hz o Licht breitet sich sehr schnell in alle Richtungen aus. Es wird an Oberflächen reflektiert und teilweise gebrochen bzw. von strahlenden Oberflächen emittiert. Zusammenhang Farbe und Licht: o Farbe ist die Wahrnehmung der spektralen Zusammensetzung des Lichtes (welcher Anteil des einfallenden Lichtes hat welche Wellenlänge)

30 Ah Achromatisches h Licht o keine Farben o Lichtmenge Lichtmenge (Intensität / Leuchtkraft / Helligkeit) Licht und Farbe 30 Chromatisches Licht o Farbe o Farbton, Sättigung, Helligkeit

31 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 Quelle: Stone A Field Guide to Digital Color

32 Farbwahrnehmung des Menschen Das menschliche h Auge besitzt tlichtsensitive iti Zellen in der Retina: Stäbchen und Zapfen: o Stäbchen als Sensoren für Helligkeit, it o Zapfen als Sensoren für Farbe. Höchste Dichte in der Fovea centralis (Durchmesser: 4 μ m) 32

33 Farbwahrnehmung des Menschen Tristimulus Theorie Tristimulus-Theorie 33 Bild wird i d auff Netzhaut N t h t projiziert ji i t Photorezeptorzellen wandeln Lichtimpulse in elektrische l k h Impulse l um Stäbchenzellen: Hell Dunkel o 498 nm o Zapfenzellen f ll Farbe o 3E Empfindlichkeiten fi dli hk it o

34 Farbwahrnehmung des Menschen Tristimulus-Theorie Theorie Zapfen haben unterschideliche Sensitivitäten fürrot Rot, Grün undblau Blau. Alle anderen sichtbaren Farben können aus diesen drei Grundfarben gemischt werden 34 Quelle:

35 blau: grün : rot Farbwahrnehmung des Menschen Tristimulus-Theorie Theorie 35

38 CIE-Farbspezifikation 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 (x,y,z), yz) 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 38

39 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, beidemfarben alslinearkombination ihres Cyan, Magenta, Yellow Anteils beschrieben werden. Genutzt für Ansteuerung von Druckern. Beim Druck: Hinzunahme von reinem Schwarz: CMYK

40 Farbmodelle Perzeptionsorientierte i t Farbmodelle: 40 o Gleiche Abstände im Farbraum korrespondieren zu (etwa) gleichen Abständen in der Farbwahrnehmung. h o Nutzung von physiologischen Größen: Farbton, sättigung, helligkeith k it Beispiele: HLS und HSV Modell Hardwareorientierte Modelle sind unerlässlich; perzeptionsorientierte für die Farbeingabe wünschenswert.

41 Farbmodelle RGB Benutzt für selbstleuchtende 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

42 Farbmodelle CMY Gegenteil der additiven Farbmischung Erklärt die Farbmischung mit Tinten bzw Malfarben, die verschidene Wellenlängen absorbieren und andere reflektieren Drei Grundfarben: Cyan C, Magenta M, and Yellow Y 44 Mischen CMY um andere Farben zu erzeugen

43 Farbmodelle CMY 45 Subtraktive Farben: Farben werden dadurch spezifiziert, wieviel von weiß subtrahiert wird, nicht dadurch, wieviel zu schwarz hinzugefügt wird G -R -R -B -B -R -G -B -G

44 Hue Farbton Saturation Sättigung Value Helligkeit perzeptionsorientiert p Farbmodelle HSV intuitive Herangehensweise: o Auswahl einer Farbe o Bestimmung der Sättigung o Änderung der Helligkeit durch Hinzunahme von Weiß 46

45 Farbtemperatur Licht kann durchwärme erzeugtwerden 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 47

46 Andere Farbmodelle 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

47 49

48 Dateiformate für Graphiken 50 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 50

49 GIF 51 wurde 1987von 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 ih mehrerer Bilder in einer Datei animiertes i Gif Transparenz Interlacing Transparenz: ein Farbeintrag in der Tabelle kann als transparent gewählt werden keine Alpha Transparenz (halbtransparente Bereiche) Nachteil: Umwandlung in GIF reduziert Farben Anwendung: Web, Icons 51

50 Interlaced GIF 52 Betrifft den Bildaufbau bei non interlaced: Bildaufbau zeilenweise interlaced: Trennung des Bildaufbaus in 4 Phasen 52 Phase 1: jede 8. Zeile wird aufgebaut Phase 2: jede4 4. Zeile wird aufgebaut Phase 3: jede 2. Zeile wird aufgebaut Phase 4: Rest

51 PNG 53 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 53

52 JPEG 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 Bild wird din mehreren Durchgängen kodiert und dekodiert di Bild wird von Durchgang zu Durchgang schärfer ähnlich GIF gut zur langsamen Datenübertragung geeignet wenn ausreichende Schärfe erreicht, kann Übertragung abgebrochen werden

54 RAW Kamera Rohdaten 56 modellabhängiges Dateiformat bei Digitalkameras Vor Speicherung als Jpeg Bildverarbeitungsschritte: Farb Rekonstruktion Interpolation für Digitalzoom Rauschfilterung Entfernen bekannter Fehler des Bildaufnahmesystems Kompression Entfallen bei RAW Vorteil: alle Schritte können manuell durchgeführt werden 56

55 SVG 57 Standard d zur Beschreibung von 2D Vektorgraphiken Vkt XML basiert Bild wird aus graphischen Primitiven zusammengesetzt Scripting und Animationen sind möglich Anwendung: Web 57

56 SVG Beispiele 58 grundlegender Aufbau eines SVG Dokumentes: 58 <?xml version="1.0" encoding="utf-8"?> <svg xmlns=" width="800" height="600"> <! Beschreibung der Graphik --> </svg>

57 SVG Beispiele 59 Einfügen verschiedener geometrischer Primitive: <?xml version="1.0" encoding="utf-8"?> <svg xmlns=" width="400" height="600"> <circle cx="100" cy="100" r="50" /> <rect x="100" y="100" width="100" height="200" /> <line x1="100" y1="100" x2="200" y2="200" stroke="red" stroke-width="4px"/> </svg> 59

58 Metadaten EXIF Exchangeable ImageFileFormat Format Speicherung von Zusatzinformationen über Hardware und deren Parameter Blende, Belichtungszeit, Brennweite, Blitz, Datum, Uhrzeit, Vorschaubild, etc. IPTC oder IPTC NAA: International Press Telecommunications Council Standard zur Speicherung von Textinformationen über Fotos und Graphiken Nutzung hauptsächlich für Bilddatenbanken definiert Felder wie: Headline, Caption, Keywords, Copyright, Country, Province, Sublocation, City, etc. auch Datum der Erstellung und Datum der Veränderung

59 Was man beachten sollte 61 eine Rastergraphik kann nicht mehr in Vektorgraphik umgewandelt werden Vektorgraphik auch im Vektorformat speichern Verlustbehaftete Komprimierung kann nie das Originalbild erzeugen Scanner Auflösung beachten! erzeugt Rasterbild Rasterbild bldenthält hlkeine Informationen über graphische Formen Schriftarten und deren Parameter Wahrnehmungsaspekte 61