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Fotografie-Workshop III: Informatik für digitale Bilder

fotobrell Workshop III: Informatik für digitale BilderDie Themen digitale Fotografie und digitale Bildverarbeitung sind in wenigen Jahren zu einer Realität für jeden geworden, der sich beruflich mit Fotografie beschäftigt. Viele Anwender verwenden nicht nur die neue Technik wie selbstverständlich, sondern auch die damit einhergegangenen neuen technischen Begriffe. Was sich hinter diesen Begriffen verbirgt ist hingegen oft nicht klar, was zu Mißverständnissen führt und dazu, dass das Potenzial der digitalen Fototechnik oft nicht einmal annähernd vollständig genutzt werden kann. Dieser Artikel soll nun die Grundbegriffe des »Digital Imaging« erklären.

Informatik für digitale Bilder

Es ist eine Binsenweisheit, dass Computer dumm sind. Von Haus aus können sie nichts mit Bildern, Farben oder auch nur Worten anfangen. Sie verstehen sich lediglich auf die Interpretation von Zahlen – genau genommen von binären Zuständen, die sich durch die Zahlen 0 oder 1 beschreiben lassen. Alles andere wofür wir Computer täglich einsetzen, sei es Textverarbeitung, das Internet, Bankverkehr oder eben digitale Bildverarbeitung basiert auf nichts anderem als sehr, sehr vielen Nullen und Einsen und viel – mehr oder weniger – intelligenter Programmierung.

Die Definition von Bits und Bytes

1.024 Bytes = 1 Kilobyte (KB)
1.048.576 Bytes = 1 Megabyte (MB)
1.073.741.824 Bytes = 1 Gigabyte (GB)

Die Bezeichnung für dieses Grundelement der digitalen Datenverarbeitung nennt man »Bit« (nach »Binary digit«). Schon in der Frühgeschichte der Computertechnik wurden Bits für eine einfachere und schnellere Verarbeitung zu Paketen á 8 Stück zusammengefasst, die man wiederum Byte (Kunstwort aus »Bit« und »eight«) nennt. Ein Byte ermöglicht die Beschreibung von 256 (= 28) unterschiedlichen Werten, Zuständen, Zeichen oder was auch immer – je nach Interpretation durch das verwendete Programm. Diese Werte werden üblicherweise als Zahlen von 0 bis 255 beschrieben. Für die Beschreibung größerer Datenmengen wurden die Einheiten Kilobyte, Megabyte, Gigabyte etc. eingeführt. Anders als das metrische System funktioniert die Einheit Byte nicht mit Faktoren, die Vielfache von 10 darstellen (z. B. Kilogramm, Milliwatt, Hektoliter). Ein Kilobyte hat somit nicht 1.000 sondern 1.024 (= 210) Byte. Um diesen Unterschied hervorzuheben schreibt man das »K« in KB groß – anders als etwa in km.

Die Zahlenwerte von 0 bis 255, die ein Byte annehmen kann, werden in der digitalen Bildverarbeitung als Helligkeitswerte interpretiert, bei Schwarzweißbildern als Grauwerte, bei Farbbildern als Intensität einer von mindestens drei Grundfarben (meist Rot, Grün und Blau). Diese Abstufung der Helligkeitswerte in 256 Stufen ist bei einer Schwarzweißdarstellung mehr als ausreichend, um dem Auge einen kontinuierlichen Helligkeitsverlauf ohne Stufen vorzutäuschen. Ein einzelnes Bit hingegen könnte nur zwei Werte – schwarz und weiß – darstellen. Das wäre lediglich für Scherenschnitte ausreichend.

Wie bereits angedeutet, benötigt man für eine realistische Farbwiedergabe mehr als 256 Helligkeitsstufen. Praktisch wird jeder Bildpunkt durch drei Bytes beschrieben, sodass die Grundfarben Rot, Grün und Blau jeweils in einer Abstufung von 256 Helligkeitswerten dargestellt werden können. In der Farbmischung ergibt sich daraus folgende Rechnung für die Anzahl der darstellbaren Farben:

8 Bit für Rot: 256 Rotabstufungen
8 Bit für Grün: 256 Grünabstufungen
8 Bit für Blau: 256 Blauabstufungen
256 x 256 x 256 = 28 x 28 x 28 = 16.777.216

Diese Darstellung mit 16,7 Millionen Farben nennt man »True Color«.

Farbtiefe

Wie viel Speicherplatz pro Kanal (pro Grundfarbe) und Pixel zur Verfügung steht, wird durch den Begriff »Farbtiefe« beschrieben. Bei True Color ist somit die Farbtiefe 8 Bit. Verwirrenderweise wird häufig auch die Gesamtfarbtiefe für alle Kanäle angegeben, sodass beispielsweise ein 24-Bit-Scanner auch »nur« 16,7 Mio. verschiedene Farben unterscheiden kann. Farbtiefenangaben von Nikon beziehen sich aber immer nur auf einen Kanal.

Oft ist es sinnvoll, pro Kanal mehr als ein Byte zur Verfügung zu stellen, obwohl 16,7 Millionen Farben durchaus ausreichen, um beim Betrachter den Eindruck eines natürlichen Bildes zu erwecken. Farbtiefen von 10, 12, 14 oder auch 16 Bit/Kanal ermöglichen besonders im Druckvorstufenbereich mehr Reserven für spätere Helligkeits- und Farbanpassungen in der Nachbearbeitung. Damit gehen jedoch auch immer größere Bilddateien einher.

Nikons digitale Spiegelreflexkameras bieten Farbtiefen von 12 und 14 Bit/Kanal, die aktuellen Nikon- Scanner 14 bzw. 16 Bit. Somit ist immer ein Optimum an Brillanz und Dynamik gewährleistet, selbst wenn die Farbtiefe in der Ausgabe auf 8 Bit reduziert wird. Beim Speichern von Bildern mit einer höheren Farbtiefe als 8 Bit wird grundsätzlich immer »auf das nächste Byte aufgerundet«. In der Folge haben beispielsweise zwei gleich große Bilder mit den Farbtiefen 10 und 16 Bit als unkomprimierte TIFF-Datei dieselbe Dateigröße.

Prinzip des binären Datenpakets

00000000 -> 0
00000001 -> 1
00000010 -> 2
00000011 -> 3 … 11111111 -> 256

8 Bit (Graustufen)
8 Bit (Graustufen)
24 Bit (True Color)
24 Bit (True Color)

Ein Kommentar to “Fotografie-Workshop III: Informatik für digitale Bilder”

  1. Hallo,
    cool das ihr das hier nochmal erklärt. Ich habe während meines Medieninformatik Studiums mit der Fotografie angefangen. Eigentlich genau wegen Sachen wie Bildverarbeitung und dem Modul Digitale Fotografie. Eure Erläuterungen hier sind schon mal eine gute Grundlage für spätere tiefere Einstiege.

    LG