Farb- und Bildformate Warum gibt es so viele unterschiedliche Formate? Unterschiede und Vorteile

Grafik Formate Was ist überhaupt ein Grafikformat Grafikarten: Grafikformate enthalten spezifische Methoden zur Speicherung von Bilddaten verschiedener Art. Grafikarten: Allgemein wird zwischen 2 Grafikarten unterschieden den Bitmapgrafiken und den Vektorgrafiken Bitmapgrafiken bestehen aus einzelnen Pixeln, die jeweils durch ihre Lage und Farbe definiert sind. Jedes dieser Pixel wird einzeln und unabhängig betrachtet. Vektorgrafiken bestehen aus sogenannten Objekten. Jedes Objekt ist als Ansammlung von geometrischen Figuren und mathematischen Formeln definiert. Vorteile: Das Objekt besteht aus weniger Daten und kann jederzeit vergrößert oder verkleinert werden ohne Verschlechterung der Ausgabequalität. Außerdem kann es später wieder aus der Grafik entnommen werden. Farbsysteme: Die Speicherung der Bilddaten kann in unterschiedlichen Farbsystemen zum Einsatz kommen.

Farbkreise Die Grundfarben: Mit ihnen kann man jede beliebige Farbe mischen. Subtraktiver Farbkreis: Bestehend aus Rot, Gelb, Blau Zusammen gemischt ergeben alle Farben: Schwarz Additiver Farbkreis: Bestehend aus Rot, Grün, Blau Zusammen gemischt ergeben alle Farben: Weiß

RGB Das System des RGB-Formates beruht auf dem Gedanken das man alle Farben mit den Farben rot grün und blau mischen kann. Additiver Farbkreis, da der Monitor auf “Lichtfarben“ beruht. Jeder Pixel bekommt einen Farbwert zugeschrieben. Der RGB-Wert besteht aus 4*256 Bit. Die letzten 3 Werte bestehen aus dem jeweiligen Anteil der Farbe Rot, Grün oder Blau. Wobei der Wert 0 keine Anteile und der Wert 255 maximale Intensität dieses Farbanteiles bedeutet. Die Helligkeit des Pixels ist somit von der Intensität der Farbanteile abhängig. Der erste Wert ist der alpha-Wert. Durch ihn lässt sich der Grad der Transparenz für jeden Bildpixel einstellen. Er dient unter anderem dazu, weiche Übergänge zwischen Bild und Hintergrund darzustellen. Probleme: Wie erzielt man einen gewissen Farbton? Wie kann man eine bestimmte Farbe behalten, aber die Helligkeit o.ä. verändern? Das RGB-System entspricht nicht der menschlichen Wahrnehmung

Menschliche Farbwahrnehmung Das menschliche Auge ist anders aufgebaut. Es nimmt nur einen allgemeinen Farbton und dessen Sättigung auf und nicht die einzelnen Farbverhältnisse. Über die Iris haben wir einen guten Helligkeitssinn. Das Auge ist für Helligkeitssprünge sensitiver als für Farbdifferenzen. Dieses Modell ist die Grundlage der sich sehr ähnlichen Formate HLS (hue, lightness, saturation), HSV (value) und HSB (brightness). (Genauere Unterschiede siehe Anhang) Des weiteren betrachten wir das von Java bevorzugte HSB.

Aufbau des HSB-Modells Der Punkt besteht aus einem Farbwert, der Sättigung und der Helligkeit. Der Farbwert wird als Winkel von 0° – 360° angegeben. 0° ist dabei Blau, 120° Rot und 240° Grün. Will man eine Farbe die zur Hälfte Blau und Rot gemischt ist (Mangenta) so hat diese den Wert (0°+120°)/2 = 60°! Auf diese Art kann man jede Farbe in jedem Verhältnis mischen. Die Sättigung hat einen Wert zwischen 0 und 1, wobei 1 der maximalen Reinheit entspricht. Das Licht hat ebenfalls einen Wert zwischen 0 und 1. Hierbei ist 0 der totalen Verdunklung (Schwarz) und 1 dem Weiß zuzuordnen.

Modell Diese Modelle kann man sich Grafisch so vorstellen Hier unterscheiden sich die Modelle etwas in der Form, jedoch nur unwesentlich. Siehe Anhang

RGB -> HSB Setze cmax = max(r,g,b); cmin = min(r,g,b); Die Helligkeit ist die Intensität der hellsten Farbe Brightness = cmax/255 um einen Wert zwischen 1 und 0 zu bekommen. Die Sättigung ist gleich der relative Differenz der Farben Saturation = (cmax-cmin)/cmax Die Farbe ist das komplizierteste bei der Umrechnung. Falls Sättigung 0 ist => hue = 0, sonst red = (cmax-r)/(cmax-cmin) green = (cmax-g)/(cmax-cmin) blue = (cmax-b)/(cmax-cmin) Hinzu kommt die Abhängigkeit der hellsten Farbe. Der Farbwinkel wird gedrittelt (drei Grundfarben). Wenn r = cmax : hue = blue – green 0 Grad Wenn g = cmax : hue = 2 + red - blue 120 Grad Wenn b = cmax : hue = 4 + green- red 240 Grad Der Farbwinkel wird abschließend gekürzt. hue = hue / 6; wenn hue < 0 dann hue + 1;

HSB -> RGB Etwas komplizierter als RGB->HSB Wenn saturation = 0 dann sind alle Farben gleich und nur abhängig von der Helligkeit r=g=b=(brightness *255+0.5 ) Teilt das Farbspektrum in 6 Intervalle (Winkel) (0 bis 5) auf. Nehmen zusätzliche Hilfsvariablen p,q,t p = brightness * (1-saturation) (mitte des jeweiligen Intervalls) q,t sind die linken und rechten Grenzen des Intervalls r,g,b ist abhängig von diesen Teilen Bsp. Intervall = 0 : r = brightness * 255 +0.5 g = t*255 + 0.5 b = p*255 + 0.5 In den anderen Intervallen ist die Berechnung analog dazu.

Dateiaufbau Gif Das Graphics Interchange Format wurde von CompuServe eingeführt und wird benutzt um ggf. mehrere Bilder in einer Datei zu speichern. Es ist eines der am weitesten verbreitete Format. Das Format besteht aus einer Reihe von Datenpaketen (Blöcken) kombiniert mit zusätzlicher Protokollinformation. GIF verwendet das RGB-Modell und ist imstande diese bis zu einer Farbtiefe von 8 Bit (256 Farben) darzustellen. Hierbei benutzt sie eine eigene Farbtabelle, die sie in der Datei abspeichert. Die Bilddaten werden immer „LZW“-kompremiert. (Lempel, Ziv ‘77 und Welch ’84) wobei mehrere gleiche Bytewerte in ein “Codewort“ reduziert werden. Vorteil: Diese Kompremierung reduziert die Datenmenge um 40% Nachteil: Nur 256 Farben möglich! Harte Lizenzbedingungen

PNG Sprich : ping 1995 entstand das Portable Network Graphics – Format. (Intern: PiNG is Not Gif) PNG ist ein Bitmap Grafikformat Es unterstützt alle Farbtiefen von 1 bis 48 Bit, wobei dabei sowohl Echtfarbdateien als auch die für GIF typische Farbpalette möglich ist. Ebenso wie bei GIF ist auch Transparents möglich Vorteile: ca. 10% mehr Kompression als GIF Verlustlose Kompression da Echtfarbbild (siehe auch JPEG) Wie GIF und JPEG verfügt PNG über ein “Vorschaumodus“, d.h. es wird sofort angezeigt und verbessert dann erst die Qualität.Was im Internet Vorteile hat. Nachteile: Keine Animationen möglich (Arbeit an MNG – noch nicht unterstützt)

Andere Farbmodelle YUV Ein Farbwert wird hier durch einen YUV-Tripel beschrieben, wobei Y die Helligkeit (Luminanz) und U,V die Farbdifferenzen (Chrominanz) bezeichnet. Die Helligkeitsempfindung resultiert zu ca. 60% aus Grün, 30% aus Rot und 10 % aus dem Blauanteil. Genauer: Y=0.299*r + 0,587*g + 0.114*b In den Farbdifferenzen is die restliche Information codiert: U = 0.493*(B-Y) V = 0.877*(R-Y) Vorteile dieses Farbmodells: Die Y-Komponente bildet eine Matrix das dem Bild in Grauwerten entspricht. Das Bild kann separat von der Farbinformation weiterverarbeitet werden.

Dateiaufbau JPEG Die Joint Photographics Experts Group (Mitglieder der Standardisierungsgremien CCITT und ISO einigten sich auf einen gemeinsamen Standart. Zunächst Umwandlung des Bildes in YUV, da das Auge für Helligkeitssprünge sensitiver ist. (s.o.) kann man die Y-Pixel-Matrix in der vollen Auflösung belassen und in den U- und V- Matrizen jeweils 4 Pixel mitteln. (4:1:1 Subsampling) Für je 4 Originalpixel mit insgesamt 12 Bytes werden nun nur noch 4+1+1 = 6 Bytes benötigt. Pro Bildpunkt also 6*8/4 = 12 Bit. Die Reduktion beträgt hierbei 50% Bei der Mittlung von je 16 Originalpixeln sind die 16+1+1=18 Bytes Pro Bildpunkt also 18*8/4 = 9 Bit) entspricht ca. 37,5% Die 3 Matrizen werden in weitern Blöcken aufgeteilt und mathematisch nochmals kompremiert. Die Rekonstruktion funktioniert genau in inverser Reihenfolge mit inverser Funktionalität. Vorteile: Dies gibt dem Nutzer die Möglichkeit selber die Kompremierung auszuwählen. Selbst hohe Kompression auf 10 % sind kaum vom Auge zu unterscheiden.

Andere Farbmodelle CMY / CMYK CMY (Cyan, Mangenta, Gelb ) beruht auf den subtraktiven Farbkreis. Es wird meistens von Drucker genutzt Da die Mischung der Grundfarben meist kein klares Schwarz sondern ein dunkles Blau wird meistens noch ein Schwarzanteil dazu gemischt. -> CMYK Vorteile: Nutzung des subtraktiven Farbkreises, z.B. mit Druckerfarbe