Farb- und Bildformate

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

2. Grafik Formate • Was ist überhaupt ein Grafikformat • 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.

3. 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

4. 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

5. 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.

6. 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.

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

8. 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;

9. 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.

10. 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

11. 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)

12. 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.

13. 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.

14. 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