Proseminar Computergrafik

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1 Proseminar Computergrafik Vektor- / Pixelorientierte Grafik Volker Braun Universität Ulm SS

2 1. Historische Entwicklung der Computergrafik Wenn man sich die historische Entwicklung der Computergrafik vor Augen führt, muss man bedenken, dass man sowohl die Geschichte der Hardware als auch die der Software betrachten sollte. Dabei lässt sich die Geschichte der Hardware leichter zurückverfolgen, da die Evolution der Hardware einen größeren Einfluss auf die weitere Entwicklung der Computergrafik hatte. Abb. 1 Kathodenstrahlröhre Ausgabegeräte wie Fernschreiber und Zeilendrucker ermöglichten bereits in den Anfangstagen des Computers eine grobe Grafikdarstellung. Als weiteres Ausgabegerät wurde bereits im Jahre 1950 eine computergesteuerte Kathodenstrahlröhre (Cathode Ray Tube, CRT) verwendet. Der erste Rechner, der dieses Sichtsystem als Ausgabegerät verwendete, war der am Massachussetts Institut of Technology (MIT) entwickelte Whirlwind- Computer, der zur Untersuchung der Stabilität von Flugzeugen diente. Die Kathodenstrahlröhre diente damals sowohl der Anzeige für den Bediener, als auch zum Erstellen von Bildschirmfotos mit Hilfe einer Kamera. Abb. 2 Whirlwind-Computer 2

3 Die Computergrafik hat also ihren Ursprung im Einsatz von Kathodenstrahlröhren zum Zeichnen einfacher Liniengebilde. Durch die Vektorgrafik der ersten Geräte wurden einfache Strich- und Kurvenzeichnungen möglich. So wurden räumliche Objekte durch Linienelemente dargestellt. Diese Epoche der Computergrafik wird meist als Analog-Zeitalter der Computergrafik bezeichnet. Da die Ein- und Ausgabe am Computer zu dieser Zeit meist in Stapelverarbeitung mit Lochkarten erfolgte, wurden große Hoffnungen auf einen Durchbruch in der interaktiven Kommunikation zwischen Mensch und Computer gesetzt. Die Ursprünge der modernen interaktiven Grafik finden sich dann Anfang der sechziger Jahre in Ivan Sutherlands ideenreicher Doktorarbeit über das Linienzeichensystem Sketchpad (Sketchpad A Man Machine Graphical Communication System, 1963). Mit Sketchpad war es erstmals möglich, interaktiv am Bildschirm Linienzeichnungen zu erzeugen. Abb. 3 Ivan Sutherland am Sketchpad Abb. 4 Sketchpad Als Eingabegeräte für Auswahl-, Zeige- und Zeichenmethoden dienten dabei Tastatur und Lichtgriffel (ein in der Hand gehaltenes Zeigegerät, das das von Objekten auf dem Bildschirm ausgestrahlte Licht misst). Im Jahre 1965 wurde dieser Lichtgriffel durch die 1963 von Douglas Engelbart erfundene Maus ersetzt. Abb. 5 / 6 Douglas Engelbart mit Maus Abb. 7 Erste Maus Etwa zur selben Zeit begann die Entwicklung von CAD- und CAM-Systemen (Computer Aided Design, CAD Computer Aided Manufacturing, CAM), d.h. von Systemen für computerunterstützten Entwurf und computerunterstützte Herstellung. 3

4 So fanden bereits Mitte der sechziger Jahre erste Pionierprogramme für den Automobilentwurf ihre Anwendung (General Motors, 1964), ehe Anfang der achtziger Jahre die Anwendung solcher Systeme immer verbreiteter wurde. Abb. 8 CAD-Beispiel von 1983 Die 1965 von der Firma IBM erstmalig in Serie gefertigten vektorkalligrafischen Sichtsysteme (Vektorbildschirm, Vektor-Display) fanden aufgrund des hohen Preises von $ nur geringe Verbreitung. Abb. 9 Funktionsprinzip eines Vektorbildschirms Abb. 10 Vektorbildschirme Die Ergebnisse im Bereich der interaktiven Computergrafik waren bis Anfang der achtziger Jahre nicht sehr bedeutend und zudem nur für technologisch sehr anspruchsvolle Organisationen erschwinglich. So blieb die Computergrafik bis in die frühen achtziger Jahre ein kleines Spezialgebiet, da die notwendige Hardware teuer und grafische Anwendungsprogramme rar waren. Mitte der siebziger Jahre wurden die Vektor-Displays von Sichtsystemen abgelöst, die nach dem sogenannten Raster-Scan-Prinzip arbeiteten und hierzu mit einem Bildwiederholspeicher ausgestattet waren. Abb. 11 Raster-Scan-Prinzip Abb Funktionsweise 4

5 Eine Voraussetzung für die interaktive Computergrafik war also die Abspeicherung grafischer Primitiven in einem Bildwiederholspeicher. Dadurch hatte der Benutzer die Möglichkeit, ohne größeren Zeitverlust grafische Daten interaktiv zu ändern oder zu bewegen. Bei den sogenannten Skelett- oder Drahtmodellen der Vektorgrafik lagen aber keine Informationen über Flächenoder Volumeneigenschaften vor, so dass Operationen wie Schnittbildung oder Evaluierung verdeckter Kanten nicht direkt möglich waren. Ein wesentlicher Nachteil der rastergrafischen Sichtsysteme waren jedoch ihre langen Bildaufbauzeiten, so dass die Darstellung von dynamischen Bildfolgen in Echtzeit bis in die achtziger Jahre eine Domäne der vektorkalligrafischen Sichtsysteme blieb. Erst mit der Revolution der Computer-Kultur Anfang der achtziger Jahre wurde der Einsatz von Bitmap-Grafik für die Interaktion zwischen Benutzer und Computer populär. Dies begann mit der Einführung von Personal Computern wie dem Apple Macintosh oder dem IBM PC und den dazu kompatiblen Geräten mit eingebauten Rastergrafik- Bildschirmen im Jahre Abb. 13 Apple Abb. 14 IBM PC Sobald die Bitmap-Grafik erschwinglich wurde, entstand eine Vielzahl von billigen und leicht zu bedienenden grafischen Anwendungsprogrammen, wie z.b. Tabellenkalkulations-, Textverarbeitungs- und Zeichenprogramme. Durch die Verwendung grafischer Benutzerschnittstellen konnten Millionen neuer Anwender diese einfachen und billigen Applikationen bedienen. Dies ist sicherlich auch ein Verdienst, der bis heute verwendeten Desktop-Metapher und der Fenstertechnik. Im Zeitalter der digitalen Medien haben Rastergrafikgeräte (z.b. CRT-Bildschirm) die früher üblichen Vektorgrafikgeräte (z.b. Vektorbildschirm) nahezu vollständig abgelöst. Abb. 15 Rastergrafikbildschirm Abb. 16 Aufbau des Bildschirms 5

6 Dadurch entstanden neue Methoden und Möglichkeiten der Bildsynthese und Verarbeitung, die in der Computergrafik von größter Bedeutung sind. Durch die enorme Entwicklung bei der Gerätetechnik, sowie auch die Verbreitung digitaler Anwendungen und deren Anforderungen an Echtzeitverhalten und Realismus, ist die uns heute bekannte Computergrafik ermöglicht worden (z.b. 3D- Computerspiele). Abb. 17 / 18 Fifa 2002 Die Fußballweltmeisterschaft in Japan / Südkorea Abb. 19 Counterstrike Condition Zero Abb. 20 / 21 / 22 Star Wars Jedi Knight II Jedi Outcast 6

7 Die folgende Tabelle gibt einen kurzen Überblick über die Entwicklung der Computergrafik und Computergeometrie, sowie über die jeweils wichtigsten technischen Anwendungen. Grafik Geometrie Technische Anwendungen Vektor- bzw. Liniengrafik Interaktive Computergrafik, Algorithmen für verdeckte Kanten und Flächen Rastergrafik, Standardvorschläge, Computeranimation, Computerspiele Kognitive Computergrafik, Bewegung, Computervision, realistische Bildsynthese Echtzeit-Computergrafik, 3D-Grafikhardware, mobile Grafikgeräte Einfache geometrische Algorithmen, 3D-Drahtmodelle Approximationsmethoden für Kurven und Flächen, Entwicklung geometrischer Programmiersprachen Eindeutige Darstellung räumlicher Objekte, Komplexitätsbetrachtungen geometrischer Algorithmen Geometrische Daten- und Methodenbanken, logische Systeme, Standards Parametrische und Constraintbasierte Modelle, grafische 3D-Interaktion Numerische Steuerung, Fräsprogramme Entwurfssysteme zum Zeichnen, Simulation, Bildverarbeitung Entwurfssysteme für mechanische Teile, integrierte Schaltungen, Industrieroboter, geographische Systeme Grafische Benutzeroberfläche, integrierte CAD-/CAM- Systeme, wissensbasierte Systeme für Produktionsplanung und Fertigung Visualisierung, Virtual Reality, Augmented Reality, Multimedia im Web, 3D-Computerspiele 7

8 2. Vektororientierte Grafik Bezeichnungen Als Synonym für die Vektororientierte Grafik wird häufig einfach die Kurzform Vektorgrafik verwendet. Gebräuchlich sind zudem auch die Begriffe Liniengrafik oder Objektorientierte Grafik. Im folgenden wird überwiegend der Begriff Vektorgrafik verwendet, da dieser am verbreitetsten ist. Grundlegendes Die Vektorgrafik ist die früheste Form der Repräsentation geometrischer Objekte am Computer. Dabei liegt ihr das Vektor- bzw. Linienmodell zu Grunde, bei dem jedes Bild aus Strichen mit den Attributen Linientyp, Koordinaten, Farbe und Dicke aufgebaut ist. Bei der Vektorgrafik wird der Bildinhalt also durch mehr oder weniger einfache Vektorformen und mathematische Kurven beschrieben. Dabei weiß der Computer explizit, um welche Form es sich jeweils handelt. Abb. 23 Geometrische Grundformen Abb. 24 Grundformen Die wichtigsten geometrischen Objekte aus denen die meisten Vektorgrafiken aufgebaut sind, sind beispielsweise Linien und Rechtecke, sowie Kreise, Ellipsen und Polygone. Abb. 25 Geometrische Grundformen 8

9 Stärken Zu den Stärken der Vektorgrafik ist zu sagen, dass sie sehr nah am mathematischen / geometrischen Modell orientiert ist und sich daher programmtechnisch leicht umsetzen lässt. Vektorgrafiken stellen Objekte dar, die ganz leicht angepasst und transformiert werden können. So existieren verdeckte Flächen von Objekten, obwohl diese gar nicht sichtbar sind. Bei einer Verschiebung von Objekten ist dies sehr nützlich, da die Informationen über den Hintergrund vorhanden sind und dieser dargestellt werden kann. Ein offensichtlicher Vorteil der Vektorgrafik ist, dass sich jede Vektorgrafik ohne Qualitätsverlust nach Belieben vergrößern lässt (Zoom). Man kann also die Vektorgrafik in beliebigen Zoomstufen betrachten, ohne dass sie an Qualität verliert. Abb. 26 Porsche Abb. 27 Porsche stark vergrößert Deshalb ist die Darstellung einer Vektorgrafik auch unabhängig von der verwendeten Auflösung immer gleich gut. Zudem sind Vektorgrafikdateien im Vergleich zu Bitmapdateien kleiner, d.h. Vektorgrafiken verbrauchen viel weniger Speicherplatz als Pixelgrafiken, da nur die Objektbeschreibung gespeichert werden muss. Abb. 28 Beispiel Vektorgrafik 9

10 Schwächen Ein Nachteil der Vektorgrafik ist aber, dass die resultierenden Bilder im Allgemeinen nur beschränkt komplex sein können. Für die Darstellung von natürlichen Bildern wie Fotos sind Vektorgrafiken nur schlecht geeignet. Das Erstellen von exakten und guten Vektorgrafiken erfordert einen hohen Zeitaufwand. Vektorgrafiken können derzeit noch nicht direkt auf Websites dargestellt werden. Sie müssen zuerst ins Pixelformat konvertiert werden, um im Internet präsentiert werden zu können. Zudem sind heutzutage nahezu alle Bildschirme pixelorientiert, was einen entscheidenden Nachteil darstellt. Denn die Ausgabequalität ist nur bei vektororientierten Ausgabegeräten wie z.b. einem Plotter optimal. Formate Hier wird nun ein Auszug einiger bekannter Dateiformate von Vektorgrafiken vorgestellt. Diese Liste ist dabei keinesfalls vollständig und soll nur die wichtigsten Formate erwähnen. DXF (Drawing exchange Format) EPS (Encapsulated PostScript) PDF (Portable Document Format) SVG (Scalable Vector Graphics) CDR (Corel DRaw) Abb. 29 Beispiel Vektorgrafik Das Dateiformat DXF findet vor allem Anwendung in den Bereichen des CAD, da es im Gegensatz zu vielen anderen Vektorformaten auch dreidimensionale Grafiken abspeichern kann. Das Dateiformat EPS steht für Encapsulated PostScript File, was in etwa soviel wie verkapselte PostScript-Datei bedeutet. Tatsächlich ist EPS eine Weiterentwicklung der Seitenbeschreibungssprache PostScript. PostScript beschreibt den Aufbau einer Druck- bzw. Bildseite, d.h. Text, Vektorgrafik und eingefügte Pixelgrafiken. Der einzige Unterschied von EPS im Vergleich mit PS liegt nur in ein paar Kommentarzeilen, die dem PS-Code beigefügt werden. Diese wenigen Kommentarzeilen gewährleisten dann, dass das PS-Format zwischen verschiedenen Programmen ausgetauscht werden kann. 10

11 Programme zur Bearbeitung Zum Erstellen und Bearbeiten von Vektorgrafiken werden sogenannte Vektororientierte Grafikprogramme oder einfach kurz Grafikprogramme verwendet (Drawing Programs). Einige bekannte Beispiele sind dabei sicherlich Corel Draw, Adobe Illustrator und Macromedia Freehand. Doch auch im Bereich des CAD gibt es spezielle Anwendungsprogramme um technische Zeichnungen zu erstellen, wie z.b. AutoCAD. Abb. 30 Corel Draw 10 Grafikprogramme eignen sich besonders zum Erstellen von exakten Zeichnungen oder Logos und werden überall dort eingesetzt, wo es um Exaktheit geht. Die meisten Grafikprogramme bieten neben dem einfachen Erstellen und Bearbeiten von Vektorgrafiken auch Layoutfunktionen zum Erstellen von Broschüren, Heften oder Bannern. Alle Grafikprogramme sind in der Lage, die wichtigsten Vektordateiformate wie DXF, EPS, PDF oder SVG zu lesen und auch in diesen Formaten zu speichern. Interessanterweise ist es aber auch möglich, mit einem Vektorgrafikprogramm Pixelbilder zu bearbeiten. Aber nur die wenigsten Programme sind dabei in der Lage mit den Funktionen und Fähigkeiten von Bildbearbeitungsprogrammen zu konkurrieren, wenn es um die Bearbeitung von Fotos geht. 11

12 Anwendungsbereiche Ideale Einsatzgebiete der Vektorgrafik sind Logos, und Illustrationen. Abb. 31 Logo Abb. 32 CAD-Modell eines Gamepad So wird das Vektormodell in interaktiven Anwendungen wie Zeichenprogrammen und CAD-Programmen zum Erstellen von exakten technischen Zeichnungen eingesetzt. Abb. 33 Schriftzug Üblicherweise wird es auch für Schriftzüge verwendet und ist auch in Grafikpaketen von Programmiersprachen wie JAVA enthalten. Darüber hinaus wird die Vektorgrafik auch in Modellierungssprachen verwendet, wie beispielsweise bei der Grafiksprache OpenGL oder der Druckersprache PostScript. Abb. 34 Beispiel Vektorgrafik 12

13 Ursprüngliche Ausgabetechnik Die Ausgabegeräte, die Mitte der sechziger Jahre entwickelt wurden und bis zur Mitte der achtziger Jahre im allgemeinen Gebrauch waren, heißen Vektor-, Stroke-, Linien- oder vektorkalligrafische Displays. Ein typisches Vektorsystem besteht aus einem Display-Prozessor, der als peripheres Ein-/Ausgabegerät mit dem Zentralprozessor (Central Processing Unit, CPU) verbunden ist, einem Pufferspeicher für die Anzeige und einer Kathodenstrahlröhre. Bei einem solchen Vektorsystem wird der Elektronenstrahl, der die Phosphorschicht der Kathodenstrahlröhre (Cathode Ray Tube, CRT) beschreibt, zwischen den beiden Endpunkten durch eine beliebige Reihe von Bildschirmanweisungen abgelenkt. Diese Technik heißt vektororientiert. Um ein Flackern des Bildschirms zu vermeiden, muss der Display-Prozessor die Abarbeitung der Display-Liste mindestens fünfzigmal pro Sekunde (50 Hz) wiederholen. Abb. 35 Aufbau eines Vektorbildschirms Abb. 36 Ausgabebeispiel Heute erfolgt die Ausgabe meist auf den standardmäßigen Rasterbildschirmen, wobei die durch Linienzüge und andere mathematische Beschreibungen repräsentierten Objekte jeweils auf eine bestimmte Anzahl von Punkten des Rastersystems abgebildet werden. 13

14 3. Pixelorientierte Grafik Bezeichnungen Ebenso wie bei der Vektorgrafik gibt es auch für die Pixelorientierte Grafik mehrere Bezeichnungen. Als Synonym für die Pixelorientierte Grafik wird ebenfalls die Kurzform Pixelgrafik gebraucht. Aber auch Begriffe wie Rastergrafik, Bitmap oder Bitmapgrafik werden oftmals verwendet. Im folgenden wird nun überwiegend die Bezeichnung Pixelgrafik verwendet. Grundlegendes Anschaulich kann eine Pixelgrafik mit einem Mosaik verglichen werden, wobei natürlich einige Unterschiede vorliegen. Abb. 37 Mosaik Abb Pixelraster Der Pixelgrafik liegt das sogenannte Pixelmodell zugrunde. Das Pixelmodell sieht vor, dass jedes Bild aus einzelnen Bildpunkten, den sogenannten Pixeln besteht. Pixel ist dabei die Kurzform von Picture Element. Diese Pixel sind meist kleine Quadrate, die in Form eines Gittermusters nebeneinander angeordnet und alle gleich groß sind. Jedem Pixel wird das Attribut Pixelwert zugeordnet und der Pixelwert kann je nach Farbmodell folgende Eigenschaften besitzen:! Ein / Aus # Schwarz / Weiß! Grauwert! Farbwert! Farb- / Grauwert und Wert des Alphakanals (Transparenz) Die Schlüsselmaße einer Pixelgrafik sind dabei die räumliche Auflösung in X- und Y-Richtung (z.b x 768), sowie die Bildtiefe. Diese gibt an, wie viele Bit pro Pixel zur Grauwert- bzw. Farbwertkodierung zur Verfügung stehen. 14

15 Pixelgrafiken beschreiben also Rasterdaten, wie sie zum Beispiel beim Scannen von Bildern entstehen. Die Rasterdaten können neben Skizzen und Zeichnungen auch textuelle Informationen enthalten. Abb. 39 Funktionsweise Pixelgrafik Grundlegende Typen von Pixelbildern Im folgenden werden einige grundlegende Typen von Pixelbildern betrachtet, die für die einzelnen Entwicklungsstufen der Pixelgrafik stehen. Zum einen gibt es das eigentliche Bitmap, bei dem 1 Bit pro Pixel (Schwarz / Weiß) für die Farbdarstellung verwendet werden kann. Hierbei gilt, dass das Speichervolumen eines solchen Bitmap gleich der räumlichen Auflösung ist (Einheit: bit). Graudarstellungen werden dabei durch SW-Muster mit Hilfe des Halbtonverfahrens (Dithering) erzielt. Dann gibt es noch das sogenannte Pixmap, bei dem nicht nur ein Bit pro Pixel für die Farbkodierung zur Verfügung steht, sondern mehrere Bit pro Pixel. So lassen sich beispielsweise mit 8 Bit pro Pixel bereits 256 Graustufen oder Farben kodieren. Beim Typ Truecolor stehen 24 Bit zur Verfügung, was je 1 Byte pro Farbkanal (rot, grün, blau) entspricht. Möglich sind auch 32 Bit, wobei dann das zusätzliche Byte für den Alphakanal (Transparenz) verwendet wird. So lassen sich alle vom Menschen wahrnehmbaren Farben realistisch darstellen. Eine weitere Möglichkeit stellt die Verwendung von Farbtabellen dar. Hier ist die Bildtiefe üblicherweise 1 Byte pro Pixel, wobei aber nicht der Farbwert selbst gespeichert wird. Stattdessen wird nur der Index der Farbe in der Farbtabelle gespeichert. 15

16 Dithering Wie bereits bei den grundlegenden Typen von Pixelgrafiken erwähnt, werden Graudarstellungen bei einem Bitmap (Schwarz / Weiß) durch SW-Muster mit Hilfe eines Halbtonverfahrens erzielt, das auch Dithering genannt wird. Folgende Grafik soll die Funktionsweise dieses Verfahrens deutlich machen. Abb Dithering Bei einer hohen Auflösung lassen sich mit Hilfe dieses Verfahrens sehr gute Graudarstellungen erzielen. Dithering wird unter anderem auch von Druckern zum Darstellen von Grauwerten verwendet. Aliasing / Antialiasing Bei der Pixelgrafik erfolgt die Darstellung geometrischer Objekte durch Berechnung der Pixel aufgrund geometrischer Vorgaben. Dabei werden die geometrischen Formen aber nur angenähert. Die Darstellung geometrischer Objekte durch Annäherung wird als Aliasing-Effekt bezeichnet. Da bei der angenäherten Darstellung die Bilder oft scharfe und zackige Kanten, d.h. starke Treppeneffekte bei schrägen, gekrümmten oder runden Kanten, aufweisen, versucht man diese zu glätten. Den Glättungseffekt, der durch das Einfügen farblich abgeschwächter Pixel erzielt wird, nennt man Antialiasing. Abb. 41 Aliasing / Antialiasing 16

17 Moirée-Effekt Wenn sich in einem Bild mehrere Streifenmuster überlagern, so entstehen bei der Betrachtung des Bildes zusätzliche Muster, die sogenannten Interferenz- oder Überlagerungsmuster. Dieser Effekt trägt den Namen Moirée-Effekt. Im folgenden Beispiel tritt ein Moirée-Effekt auf. Dieser kommt durch die Interferenz der schwarzen und roten horizontalen Streifen mit den von rechts ausgehenden schwarzen Strahlen zustande. Abb. 42 Moirée-Effekt Abb. 43 Erklärung des Moirée-Effekt Interpolation Bei der Interpolation werden zur besseren Bilddarstellung eigentlich nicht vorhandene Pixel hinzugefügt und ihr Farbwert aus den vorhandenen Pixeln errechnet. Dabei gibt es natürlich unterschiedliche Methoden zur Berechnung der Pixelfarbwerte. Bei der bikubischen Interpolation bekommt ein neuer Bildpunkt die durchschnittliche Farbe von allen umgebenden Bildpunkten. Dabei wird dann so vorgegangen, dass intensive Kanten betont werden, um die subjektive Bildschärfe möglichst gut zu erhalten. Die bikubische Interpolation ist die rechenaufwändigste Methode unter den verbreiteten Interpolationsmethoden, führt allerdings im Allgemeinen auch zu den besten Ergebnissen. Downsampling Beim Verkleinern einer Pixelgrafik müssen einzelne Pixel des Bildes einfach weggelassen werden. Dieser Vorgang wird als Downsampling bezeichnet. Dabei gibt es natürlich unterschiedliche Methoden, um festzulegen, welche Pixel weggelassen werden sollen und welche nicht. Die wahrnehmbare Qualität des verkleinerten Bildes hängt auch hier ganz entscheidend vom gewählten Downsampling-Algorithmus ab. Ein positiver Effekt des Downsampling ist, dass solche Bilder oft als besser wahrgenommen werden, als die die gleich in der richtigen Auflösung produziert wurden. 17

18 Pixelmanipulation / Filter Mit Hilfe von Bildbearbeitungsprogrammen können Pixelgrafiken verändert, aufbereitet oder in der Qualität verbessert werden. Hierfür bieten die gängigen Anwendungsprogramme grundsätzlich zwei Lösungen an. Zum einen die direkte Pixelmanipulation bzw. Pixelbearbeitung und zum anderen die Verwendung von Filtern. Bei der Pixelmanipulation kann jeder einzelne Pixel unabhängig von den anderen Pixeln bearbeitet werden. Angewendet wird diese Methode beispielsweise bei der Helligkeits-, Kontrast- und Tonwertveränderung. Bei der Verwendung von Filtern wird eine Gruppe von benachbarten Pixeln betrachtet, die um den zu ändernden Pixel angeordnet sind. Diese Gruppe bestimmt dann den neuen Farbwert des Pixels. Eingesetzt wird diese Vorgehensweise z.b. beim Weich- und Scharfzeichnen. Abb. 44 Original Abb. 45 Weichzeichner Abb. 46 Scharfzeichner Kompression Um bei zunehmender Bildgröße und Auflösung die effektive Speicherung und Übertragung von pixelorientierten Daten gewährleisten zu können, ist eine Kompression der vorliegenden Pixelgrafiken notwendig. Das Grundprinzip der Kompression ist, dass alle Daten Redundanz enthalten. Unter Redundanz versteht man wiederholt vorkommende Elemente in einem Datenstrom. Durch Unterdrückung der Redundanz erhöht sich die Informationsrate und man erreicht einen geringeren Speicherbedarf. Grundsätzlich unterscheidet man zwei Kompressionsarten. Dies ist einerseits die Verlustfreie Kompression (Lossless Compression), bei der das Original vollständig wiedergewonnen werden kann. Andererseits gibt es auch die Verlustbehaftete Kompression (Lossy Compression), bei der ein Unterschied zwischen dem Original und dem dekodierten Objekt besteht. Dabei werden physiologische und wahrnehmungspsychologische Eigenschaften des Auges ausgenutzt, um den Verlust gering zu halten. Der Vollständigkeit halber werden hier noch einige wichtige Kompressionsverfahren genannt, auf deren Funktionsweise aber nicht genauer eingegangen wird. 18

19 Verlustfreie Kompressionsverfahren sind unter anderem die Lauflängenkodierung (Run-Length Encoding, RLE), die Huffman-Kodierung und das Lempel-Ziv-Welch- Verfahren (LZW, Wörterbuch-basierte Kodierung). Zu den Verlustbehafteten Kompressionsverfahren gehören beispielsweise die JPEG-Kompression (Joint Photographic Experts Group) und das PNG-Format (Portable Network Graphics). Abb. 47 JPEG Faktor 12 Abb. 48 JPEG Faktor 7 Abb. 49 JPEG Faktor 1 In diesem Beispiel wird das verlustbehaftete Verfahren der JPEG-Kompression demonstriert. Der Faktor 12 entspricht dabei einer hohen, der Faktor 7 einer mittleren und der Faktor 1 einer niedrigen Qualitätsstufe. Die Unterschiede werden aber erst sichtbar, wenn man die unterschiedlichen Bilder vergrößert betrachtet. Abb. 50 JPEG % Abb. 51 JPEG % Abb. 52 JPEG % 19

20 Stärken Pixelgrafiken sind für fotorealistische und natürliche Darstellungen bestens geeignet. Sie werden deshalb besonders für Fotos und natürliche Zeichnungen mit vielen Farben und weichen Farbverläufen verwendet. Abb. 53 Foto vom Reichstag in Berlin Im Internet ist es bisher nur möglich, Pixelgrafiken zu präsentieren. Dies verleiht der Verbreitung von Pixelgrafiken einen entscheidenden Vorteil. Pixelgrafiken sind sehr leicht zu erstellen oder auch durch einen Scanner zu erhalten, da dieser die gescannten Bilder als Pixelgrafik liefert. Jeder Pixel kann sehr einfach einzeln oder auch in Gruppen nachbearbeitet bzw. manipuliert werden. So können kleine Details ganz gezielt herausgearbeitet werden. Da die meisten Bildschirme heute pixelorientiert sind, können Pixelgrafiken optimal für dieses Ausgabegerät erstellt werden. Zudem liegt der Pixelgrafik das einfache Pixelmodell zu Grunde. 20

21 Schwächen Ein großer Nachteil der Pixelgrafik ist allerdings, dass sich Pixelgrafiken nur sehr schlecht skalieren, d.h. vergrößern oder verkleinern lassen. So müssen beim Vergrößern eines Bildes durch Interpolation bisher nicht vorhandene Pixel hinzugefügt werden. Dies führt je nach Interpolationsmethode zu einem Qualitätsverlust, der sich in verpixelten bis unsauberen Bildern zeigt. Beim Verkleinern von Bildern müssen dagegen einzelne Pixel des Bildes einfach weggelassen werden (Downsampling). Solche Bilder werden zwar meist als besser wahrgenommen als die gleich in der richtigen Auflösung erstellten Bilder, jedoch ist durch das Downsampling eine anschließende Vergrößerung mit Qualitätsverlust verbunden. Es ist also im Unterschied zu Vektorgrafiken nicht möglich, eine Pixelgrafik ohne Qualitätsverlust beliebig oft zu Skalieren. Es ist auch nicht möglich eine Pixelgrafik ohne Qualitätsverlust in beliebig großen Zoomstufen zu betrachten. Der Ausdruck Qualitätsverlust ist hier nicht unbedingt angemessen, da prinzipiell nicht die Qualität verloren geht, sondern nur nie vorhanden war. Abb. 54 Original Abb. 55 Zoom 500 % Abb. 56 Zoom 1000% Folglich sind Pixelgrafiken nicht auflösungsunabhängig. Ihre Darstellung ist also je nach Auflösung von unterschiedlicher Qualität und es können bei zu geringen Auflösungen Moirée-Effekte auftreten. Da bei der Pixelgrafik nur einzelne Pixel bzw. Gruppen von Pixeln bearbeitet werden können und keine Objekte vorliegen, ist die Editierbarkeit von Pixelgrafiken meist recht mühsam. Da Pixelgrafiken keine Objekte kennen und nur aus Pixeln aufgebaut sind, besitzen sie keine Information über den Inhalt. Verdeckte Flächen im Bild existieren in der Regel nicht im Rechner, jedoch kann mit der Ebenentechnik vieler Bildbearbeitungsprogramme (z.b. Adobe Photoshop) dieser Nachteil aufgehoben werden. Im Vergleich zu Vektorgrafikdateien sind die Dateien von Pixelgrafiken größer, d.h. Pixelgrafiken benötigen mehr Speicherplatz als Vektorgrafiken. Dies macht Kompressionsverfahren zum Verkleinern von Pixelgrafiken notwendig. 21

22 Formate Hier wird nun ein Auszug einiger bekannter Dateiformate von Pixelgrafiken vorgestellt. Diese Liste ist dabei keinesfalls vollständig und soll nur die wichtigsten Formate erwähnen. BMP (Microsoft Windows BitMaP) JPEG (Joint Photographic Experts Group) GIF (Graphics Interchange Format) TIFF (Tagged Image File Format) PNG (Portable Network Graphic) In der nachfolgenden Tabelle werden diese Formate genauer betrachtet und es wird auf die jeweilige Besonderheit hingewiesen. Alternative Bezeichnungen Farben Kompression BMP JPEG GIF TIFF PNG DIB 1-Bit -> SW 4-Bit -> 16 8-Bit -> Bit -> 16,7 Mio - Keine (meistens) - RLE Maximale Größe [Pixel] Besonderheit Geräteunabhängig Weite Verbreitung durch Einsatz im Internet JPG JFIF JFI --- TIF Bit bis 32-Bit 1-Bit bis 8-Bit 1-Bit bis 32-Bit 1-Bit bis 24-Bit JPEG LZW - Keine - RLE - LZW - JPEG x x x Ca. 4 Milliarden Bildzeilen Verwendung Jedes Bildmaterial Fotorealistische Motive - Mehrere Bilder in einer Datei möglich - Animierte GIFs Bilder mit Flächen gleicher Farbwerte Mehrere Bilder in einer Datei möglich LZW + Huffman??? Neues Format speziell fürs Internet Jedes Bildmaterial Jedes Bildmaterial Programme zur Bearbeitung Zum Erstellen und Bearbeiten von Pixelgrafiken werden sogenannte Pixelorientierte Grafikprogramme oder Bildbearbeitungsprogramme verwendet (Painting Programs). Bekannte Vertreter dieser Applikationen sind beispielsweise Adobe Photoshop und Corel Photo Paint, sowie Macromedia Fireworks. Bildbearbeitungsprogramme eignen sich besonders gut für die Bearbeitung von Fotos und fotorealistischen Abbildungen. Zudem bieten sie auch die Möglichkeit der Verwendung als Malprogramme, in dem mit ihrer Hilfe natürliche Maltechniken nachgeahmt werden können. Hierfür gibt es spezielle Funktionen oder wenigstens die Möglichkeit zur Erweiterung des Programms durch Plugins. Alle Bildbearbeitungsprogramme sind in der Lage die wichtigsten Pixelgrafikformate wie BMP, JPEG, GIF und TIFF zu lesen und auch in diesen Formaten zu speichern. 22

23 Abb. 57 Adobe Photoshop 5.5 Aber im Gegensatz zu den Vektorgrafikprogrammen, die auch in der Lage sind Pixelgrafiken zu editieren, ist es mit den genannten Bildbearbeitungsprogrammen nicht möglich, Vektorgrafiken zu bearbeiten. Anwendungsbereiche Wenn genügend Pixel auf einer Fläche eng nebeneinander liegen, ergibt das eine sehr gute Möglichkeit, Bilder mit feinen Farbabstufungen und Details darzustellen. Pixelgrafiken eignen sich daher besonders gut für Fotos. Pixelgrafiken sind aber nur bedingt geeignet, um den Inhalt von CAD- Zeichnungen abzubilden. Denn dabei können starke Treppeneffekte bei schrägen, gekrümmten oder runden Kanten auftreten. Werden diese Treppeneffekte dann durch Antialiasing-Maßnahmen aufgelöst, so können feine Strukturen verloren gehen. Die Pixelgrafik erfreut sich auch im Internet großer Beliebtheit und wird dort zur Darstellung von Bildern und Grafiken verwendet. Die Pixelgrafikformate GIF und JPEG werden standardmäßig von allen bekannten Web-Browsern unterstützt. Aber auch andere Formate wie PNG und TIFF können mit Hilfe von Plugins in Browsern dargestellt werden. 23

24 Ursprüngliche Ausgabetechnik Die Entwicklung billiger Rastergrafik auf der Basis der Fernsehtechnik in den frühen siebziger Jahren trug mehr zum Aufblühen dieses Bereichs bei als jede andere Technik. Ein Rasterbildschirm speichert die Display-Primitiven (z.b. Linien, Buchstaben, flächige oder mit Mustern gefüllte Gebiete) in einem Wiederholspeicher (Refresh Buffer) als Pixel, die die Primitiven beschreiben. Ein Display-Controller (Hardware / Software) empfängt Folgen von Ausgabeanweisungen und interpretiert diese Anweisungen. Der Bildwiederholspeicher ist einfach ein Teil des Hauptspeichers der CPU, der von dem Teilsystem zur Bildausgabe ausgelesen werden kann. Dieses Teilsystem wird oft Video-Controller genannt und erzeugt das eigentliche Bild auf dem Bildschirm. Das vollständige Bild auf einem Raster-Display wird durch das Raster gebildet. Das ist eine Anzahl horizontaler Rasterzeilen (Scan Lines), die wiederum jeweils aus einer Reihe einzelner Pixel bestehen. Das Raster wird daher als Matrix von Pixeln gespeichert, die den gesamten Bildschirmbereich darstellen. Das gesamte Bild wird regelmäßig vom Video-Controller gelesen. Er liest dabei von oben nach unten Rasterzeile für Rasterzeile und beginnt dann wieder oben. Die Intensität des Kathodenstrahls entspricht dem Wert der einzelnen Pixel. Bei Farbsystemen werden drei Elektronenstrahlen je einer für die Primärfarben rot, grün und blau so gesteuert, wie es die drei Farbkomponenten jedes Pixels angeben. Abb. 58 Funktionsprinzip Abb. 59 Delta-Röhre Abb. 60 Bildschirmausgabe Abb. 61 Kathodenstrahlröhre 24