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Allgemeine Informationen

Grafiken im Computerbereich sind so selbstverständlich geworden wie Computer selbst. Zur täglichen Arbeit mit Computern gehören Grafiken dazu. Dabei werden zwei Arten von Computergrafiken unterschieden. Auf der einen Seite gibt es Vektorgrafiken und auf der anderen Seite Rastergrafiken.

Letzteres ist verbreiteter und die meisten bekannten Grafikformate bestehen aus Rastergrafiken. Diese Art Grafiken basiert auf Pixeln. Diese Bildpunkte sind die kleinste Einheit einer Rastergrafik und in unserem allgemeinen Sprachgebrauch bereits sehr verbreitet. Die gebräuchliche Abkürzung für Pixel ist „px“. Ein Pixel enthält Informationen zu Farbe und Helligkeit. Zusätzlich kann er aber noch Informationen zum Alphakanal – der Transparenz – enthalten. Pixel sind im allgemeinen Verständnis häufig rechteckig oder quadratisch. Diese äußere Gestalt des Pixels hängt jedoch von der Rekonstruktionsmethode ab. Da der Pixel die kleinste Einheit ist, ist er in Wirklichkeit nicht unbedingt quadratisch. Ein Pixel ist ein Abtastwert. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Pixeln wird als eine Breite von 1px bezeichnet. Die begrenzte Menge an Informationen, die mit einem Pixel abgespeichert werden, und die begrenzte Bildauflösung ermöglichen nur eine Annäherung an die Realität. Ist die Abtastrate zu gering – wenn also nicht jeder Pixel erfasst wird – kann es zu Problemen in der Darstellung der Rastergrafik kommen. Die verpixelte Darstellung, die das Ergebnis einer zu geringen Abtastrate ist, wird als Treppeneffekt oder Alias-Effekt bezeichnet. Mit Hilfe von Algorithmen kann man diesem Effekt entgegenwirken. Dieser Vorgang wird als Antialiasing bezeichnet. Ein weiteres Problem von Pixeln ist deren unscharfe oder fehlerhafte Darstellung von Bildern nach Transformationen, das heißt dem Vergrößern oder Verkleinern von Bildern zum Beispiel.

Auf dem Bildschirm besteht ein Pixel aus drei Farbbestandteilen – je einem Wert für die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau des RGB-Farbmodells. Die guten alten Röhrenbildschirme, die immer mehr von TFTs verdrängt werden, können bis zu einer festgelegten maximalen Auflösung alle Auflösungen gut darstellen. TFTs hingegen habe eine genau definierte Anzahl an Pixeln. Eine manuelle Änderung der Auflösung bei TFTs würde zu einem unscharfen Bildergebnis führen.

Rastergrafiken

Rastergrafiken bestehen aus Pixeln. Jedem dieser Pixel ist eine Farbe zugeordnet und aus der Zusammensetzung der Pixel ergibt sich somit im Auge ein Bild. Die Breite und die Höhe des Bildes in Pixeln definieren die Auflösung. Ein weiterer wichtiger Faktor der Rastergrafik ist die Farbtiefe. Sie sagt etwas darüber aus, wie viele Informationen zur Farbe in einem Pixel stecken. Die heutigen Grafikkarten unterstützten meist bereits eine Farbtiefe von 32 Bit. Eine solche Farbtiefe bedeutet, dass über 16 Millionen Farben darstellbar sind. Diese Farbtiefe wird auch als True Color bezeichnet. Eine Stufe tiefer wären 65.536 Farben, das heißt eine Farbtiefe von 16 Bit.

Fotos und detaillierte Bilder können am besten mit Hilfe von Rastergrafiken dargestellt werden. Dies betrifft vor allem Grafiken, die über Scanner oder Digitalkameras auf den Computer geladen werden. Typische Grafikformate, die die Methode von Rastergrafiken als Grundlage haben, sind Bitmaps, GIFs, JPEG und PNG.

Der Nachteil von Rastergrafiken ist der relativ hohe Speicherplatzbedarf. Außerdem sind Sie im Gegensatz zu Vektorgrafiken ungenauer und können schlechter transformiert, das heißt zum Beispiel vergrößert oder verkleinert, werden.

Durch die beschränkte Anzahl an Pixeln pro Bild, die über die Auflösung definiert wird, kann die Realität mit Hilfe von Rastergrafiken nur begrenzt genau wiedergegeben werden. Es kommt zu nachteiligen Beeinträchtigungen wie Treppeneffekten und Aliasing. Mit Hilfe von Antialiasing können solche verpixelten Kanten zum Teil wieder geglättet werden. Durch die Berechnung der Farbwerte der Pixel bei Vergrößerungen und Verkleinerungen können sich die entstehenden Farben auch leicht verändern. Vergrößerungen von Rastergrafiken führen häufig zu einem verpixelten Ergebnis.

Rastergrafiken können auch in Vektorgrafiken umgewandelt werden. Diesen Vorgang nennt man Vektorisierung.

Vektorgrafiken

In Vektorgrafiken werden Figuren nicht mit Hilfe von Pixeln beschrieben, sondern durch grafische Objekte wie Linien, Kreise und Kurven. Das bedeutet, dass Bildinformationen nicht je Pixel gespeichert werden, sondern je Figur. Dadurch spart man Speicherplatz. Diese Art von Computergrafiken eignet sich besonders für einfache grafische Figuren, wie Diagramme oder Logos. Vektorgrafiken können beliebig vergrößert und verkleinert werden, ohne, dass sich das Bildergebnis verschlechtert. Da alle heutigen Bildschirme jedoch auf Rastergrafiken, das heißt auf Pixeln, basieren, müssen Vektorgrafiken für die Darstellung auf dem Bildschirm umgerechnet werden. Diese Umrechnung ist allerdings relativ unkompliziert und wird als Rasterung bezeichnet. Das bedeutet nicht, dass sich die eigentliche Datei, die auf einer Vektorgrafik basiert verändert.

Zur Definition von Rechtecken ist beispielsweise nur ein Ausgangspunkt und Länge und Breite des Rechtecks notwendig. Zusätzlich können noch Informationen zu Linienstärke, Farben und Füllung gegeben werden. Bei Rastergrafiken hingegen würde für jeden Bildpunkt eines schwarz gerahmten, weißen Rechtecks, festgelegt, ob der Pixel schwarz oder weiß ist.

Vektorgrafiken werden mit speziellen Vektorgrafikprogrammen erzeugt. Ein Beispiel wären CAD-Programme für technische Zeichnungen. Die Dateitypen PostScript und PDF basieren auf Vektorgrafiken. Daher ist es auch möglich PDF-Dateien beliebig groß auf dem Bildschirm darzustellen oder auszudrucken, ohne größere Ungenauigkeiten beim Bildergebnis.

Grafikformate

Die meisten für den normalen Nutzer gebräuchlichen Grafikformate basieren auf Rastergrafiken. Diese Grafikformate können mit bekannten Bildbearbeitungsprogrammen verändert und gespeichert werden.

Seit dem Beginn von Grafikformaten wurde immer wieder versucht, deren Ergebnisse zu verbessern. Das bedeutet, dass man stets versuchte verlustfreie oder zumindest weniger verlustbehaftete Algorithmen zu entwickeln, die die Größe der Grafiken verkleinern. Um einen geringeren Speicherplatz zu benötigen, gibt es also Verfahren, die entweder eine verlustfreie Speicherung ermöglichen oder eine verlustbehaftete. Letzteres bedeutet, dass zwar Bildinformationen verloren gehen, diese allerdings für das menschliche Auge nicht wirklich sichtbar sind. Das Endergebnis soll stets möglich so originalgetreu wie möglich sein, allerdings auch so klein – in Bezug auf die Speichergröße – wie möglich sein. Vor allem in Zeiten des Internets ist es immer noch wichtig, dass Grafiken nicht zu groß im Netz angeboten werden. Obwohl viele Nutzer bereits eine relative hohe Bandbreite nutzen, um im Netz zu surfen, gibt es noch viele, die aufgrund ihres Wohnorts eine schlechte oder sogar keine DSL-Anbindung besitzen. Außerdem sind auch die Server von Webseitenanbietern und das gesamte Internet zu Stoßzeiten stark ausgelastet, sodass es wichtig ist, bei der Erstellung von Grafiken fürs Web auf die Dateigröße zu achten.

Für die Speicherung von Logos und Diagrammen bietet sich vor allem das Dateiformat GIF an. Die Weiterentwicklung von GIF bildet PNG. Für Fotos und eingescannte Dateien sollte JPEG als Dateiformat verwendet werden.

Bitmap

Bitmap ist ein für Windows entwickeltes Format für Rastergrafiken. Es wurde mit Windows 3.0 eingeführt und ist seitdem das Standard-Bildformat von Windows. Das Dateiformatkürzel für Bitmap ist bmp. Die aktuelle Version von Bitmap ist bereits die dritte Überarbeitung des Formats. Bitmap unterstützt eine Farbtiefe von bis zu 32 Bit. Daher erlauben Bitmaps bis zu 16,7 Millionen Farben. Allerdings unterstützt Bitmap weder Alphakanäle, das heißt Transparenz, noch Farbkorrekturen oder Metadaten. Das Kompressionsverfahren von Bitmaps erlaubt keine effektive Komprimierung, wodurch Bitmap-Dateien relativ groß sind. Bitmaps werden entweder unkomprimiert gespeichert oder mit Hilfe der verlustfreien Lauflängenkodierung komprimiert. Unkomprimiert bedeutet, dass für jedes einzelne Pixel alle Farbwerte des RGB-Modells gespeichert werden. Lauflängenkodierung bedeutet lediglich das, wenn benachbarte Pixel identisch sind, diese zusammengefasst werden und die Anzahl der gleichartigen Pixel angegeben wird. Der Vorteil der sich aus dem Kompressionsverfahren ergibt, ist die relativ kurze Ladezeit von Bitmaps. Die Speicherung erfolgt verlustfrei. Trotzdem ist es im Windowsbereich ein noch relativ weit verbreitetes Grafikformat und wird von den meisten Bildbearbeitungsprogrammen unterstützt. Im Internet sind Bitmaps aufgrund ihrer Größe und der starken Konkurrenz von GIFs, JPEGs und PNGs nicht sehr verbreitet.

Eine Bitmap-Datei besteht aus Dateikopf, einem Informationsblock und den eigentlichen Bilddaten. Der Informationsblock enthält quasi die Farbtabelle für das Bitmap.

GIF

GIF steht für Graphics Interchange Format und ist ein auf Rastergrafiken basierendes Grafikformat. Aufgrund der guten verlustfreien Komprimierung die GIF bietet, erfreut sich das Format auch heute noch großer Beliebtheit, vor allem auch noch im Internet. Es wurde bereits Ende der 80er Jahre des letzten Jahrhunderts entwickelt. Ein paar Jahre später stellte die Firma Unisys den Anspruch, eine Lizenzgebühr für die Verwendung des Formates zu erheben, da sie ein Patent auf den zugrunde liegenden Algorithmus besitzt. Anfang des 21. Jahrhunderts lief das Patent aus und seit einigen Jahren ist das Format somit lizenzfrei verwendbar.

GIF unterstützt einfache Transparenz und bis zu 256 Farben. Es eignet sich daher besonders gut für einfache Grafiken, wie Diagramme oder Logos. Nicht geeignet ist es aufgrund der beschränkten Farben für Fotos und detailreiche Bilder. Würde man das GIF-Format trotzdem für Fotos verwenden, würde ein grobkörniges Ergebnis entstehen. Dieser Effekt wird Dithering genannt.

Zusätzlich unterstützt werden Animationen, also selbstständige ablaufende Abfolgen, von GIF-Bildern. Dazu müssen die Einzelbilder in einem Ordner abgelegt werden. Bei einer Animation der Bilder laufen die Bilder dann zeitverzögert ab. Außerdem hat man die Wahl, ob die Animation nur einmal abläuft oder eine Wiederholschleife vorliegt.

Zusätzlich unterstützt werden Animationen, also selbstständige ablaufende Abfolgen, von GIF-Bildern. Dazu müssen die Einzelbilder in einem Ordner abgelegt werden. Bei einer Animation der Bilder laufen die Bilder dann zeitverzögert ab. Außerdem hat man die Wahl, ob die Animation nur einmal abläuft oder eine Wiederholschleife vorliegt.

Aufgrund des Patentes auf den Algorithmus für die Komprimierung von GIF-Bildern wurde ein neues Format entwickelt, das im Gegensatz zu GIF auch einige Vorteile hat. Dieses Format nennt sich PNG. GIF-Bilder werden trotzdem noch für Logos und kleinere Bilder verwendet. Außerdem findet das GIF-Format auch zum Teil noch für Banner Verwendung.

JPEG

Während GIFs eher nicht zur Speicherung von Fotos und farbreichen Bildern zu empfehlen sind, sollte man das JPEG Format eigentlich nur für solche Arten von Bildern verwenden. JPEG steht für Joint Photographic Experts Group. Das Dateiformatkürzel ist jpg. Das Verfahren zur Komprimierung von JPEG ist verlustbehaftet und nicht so sehr effizient in Bezug auf den Speicherplatz. Die verlustbehaftete Kompression fällt allerdings für das menschliche Auge kaum auf. Die Nachteile ergeben sich vor allem bei einer nachträglichen Transformation der Bilder. JPEG wurde 1991 von Eric Hamilton entwickelt.

JPEG ist eine Norm, die eigentlich nur den Algorithmus zur Komprimierung festlegt. Diese Kompression teilt sich in zwei Teile. Zunächst wird das Bild mithilfe der Lauflängencodierung komprimiert und anschließend noch mit der Huffman-Codierung. Es unterstützt keine Transparenz, dafür allerdings Echtfarben, das heißt eine Farbtiefe von 24 Bit.

Seit 2001 gibt es eine verbesserte Variante vom JPEG-Format – das sogenannte JPEG 2000. Der Vorteil des neuen Formats ist die bessere Kompressionsrate. Die Kompression basiert auf zwei Teilbildern des verlustbehafteten WI-Dateiformats. JPEG 2000 unterstützt sowohl das RGB-Farbmodell als auch das CMYK-Farbmodell. Auch JPEG 2000 hat keinen Alphakanal für die Darstellung von transparenten Komponenten in Bildern. JPEG 2000 ist im allgemeinen Gebrauch nicht sehr verbreitet, eignet sich jedoch sehr gut für die Speicherung von Dateien, die in anderen Grafikformaten einen erheblichen Speicherplatzbedarf hätten. Ein Bild, das als Bitmap ca. 1,5 MB groß wäre, hätte als JPEG 2000 gerade einmal eine große von ca. 2 KB. Die Dateiendung für JPEG 2000 ist jp2.

PNG

Das PNG-Format entstand 1994 aus dem Bedürfnis heraus, das GIF-Format zu verbessern und gleichzeitig die Lizenz für GIFs zu umgehen. Die Bildkompression von PNG ist verlustfrei und zudem ist das Verfahren – in Bezug auf den benötigten Speicherplatz – besser als das Verfahren für GIFs. Ein weiterer Vorteil gegenüber GIFs ist, dass PNG mehr als 256 Farben unterstützt. Das heißt: Es ermöglicht Echtfarben mit einer Farbtiefe von 24 Bit – wie bei JPEG – aber auch zusätzlich Bilder bis zu einer Farbtiefe von 48 Bit. Auch unterstützt es zusätzlich einen umfangreicheren Alphakanal, der für die Transparenz zuständig ist. Daher erlaubt PNG bis zu 65536 Transparenzstärken.

Nachteile gegenüber GIF sind zum einen der bewusste Verzicht auf die Unterstützung von Animationen und zum anderen, dass es von allen älteren Browsern nicht richtig unterstützt wird. PNG wird erst ab dem Internet Explorer 7 und der aktuellen Firefox Version weitgehend fehlerfrei dargestellt. Bei der Darstellung in älteren Browsern gibt es jedoch hauptsächlich Probleme bei der Umsetzung der Transparenzstärken. Außerdem hat das PNG-Format einen komplexeren Kompressionsalgorithmus als GIF. PNG unterstützt nicht das CMYK-Farbmodell, das unter anderem von Druckern verwendet wird. Die Bilder werden allerdings für Drucker ohnehin vom RGB-Modell ins CMYK-Modell umgewandelt.

Im Gegensatz zu JPEG haben PNGs ebenfalls einen Nachteil. Da der PNG-Algorithmus verlustfrei ist, erreicht er nicht die guten Kompressionsraten von JPEG. Das PNG-Format wird im Internet zum Teil noch gemieden, da es von älteren Browsern, die trotzdem noch sehr weit verbreitet sind, nicht hundertprozentig unterstützt wird.