Woher die kleinen Pixel kommen
(rw) Es besteht kein Zweifel, dass man sich auch ohne detailliertes Wissen über Digitalisierung, Speicherung und Bearbeitung von Bildern mit elektronischer Bildverarbeitung befassen kann. Man braucht sich nur an die Gebrauchsanleitung des Aufnahmegerätes und die Menüs der Computer-Software zu halten - genauso wie man sich auf die Automatikfunktionen seiner konventionellen Kamera und die Arbeit seines Labors verlässt. Um einfach Bilder aufzunehmen und sie später in irgend einer Form wieder sichtbar zu machen, genügt dies alle weil. Aber digitalisierte Bilder nur auf dem TV-Bildschirm oder einem Computer-Monitor zu betrachten, ist ja wohl kaum das alleinige Ziel. Schliesslich verspricht die Elektronik Möglichkeiten, von denen wir bisher nicht einmal zu träumen wagten. Wer aber an seinem eigenen Computer alle jene Dinge tun möchte, um die sich bis vor kurzem noch ausschliesslich ausgebildete (und teure) Spezialisten kümmerten, der kommt nicht umhin, sich zumindest einen kleinen Teil dieses Fachwissens anzueignen. Aber nicht nur beim Experimentieren und Ausloten der neuen Möglichkeiten zahlt sich Wissen aus. Schon bei der Anschaffung der notwendigen Geräte können detaillierte Kenntnisse helfen, teure Fehlinvestitionen zu vermeiden. Wie die Elektronik sehen lerntDie Umwandlung von Lichteindrücken in elektrische Signale ist im Prinzip schon lange bekannt. Immerhin flimmerten bereits Anfangs der fünfziger Jahre die ersten Fernsehbilder in die damals noch wenigen, mit einem Empfangsgerät ausgestatteten Wohnzimmer. Schon damals zeigte sich ein interessantes Phänomen, das sich rund dreissig Jahre später beim Aufkommen der elektronischen Bildverarbeitung wiederholen sollte: Das Umwandeln eines Bildes in elektronische Signale bereitete anfänglich weniger Probleme als seine dauerhafte Speicherung auf einem nicht-optischen Träger. Während fast zehn Jahren konnten Fernsehbilder nur in Form von Filmaufzeichnungen ab Monitor festgehalten werden - so lange dauerte es, bis die Analogaufzeichnung auf Magnetband die Qualität der damaligen Live-Bilder erreichte. Digitalisierte Bilder lassen sich zwar recht einfach speichern – Bilddaten unterscheiden sich technisch nicht vom Datenmaterial aus einer Textverarbeitung oder einer Datenbank. Hingegen bereitet die Menge der Daten erhebliches Kopfzerbrechen. Die konventionellen und weitverbreiteten Magnetplattenspeicher sind aus Kapazitäts- und Stabilitätsgründen eigentlich wenig für diesen Zweck geeignet. Die Zukunft wird sicher den optischen Speichermedien gehören. Die Photo-CD von Kodak zeigt, in welche Richtung die Entwicklung geht. Das klassische Fernsehen (mit Ausnahme moderner, digitaler HDVS-Systemen) und alle frühen Versuche der elektronischen Stehbildfotografie (z. B. Mavica) arbeiten weitgehend mit analogen Signalen. Da der Unterschied zwischen analoger und digitaler Verarbeitung auch für das Verständnis und die Beurteilung moderner Bildverfahren von entscheidender Bedeutung ist, wollen wir uns kurz etwas mit den physikalischen Grundlagen befassen. Aber keine Angst: die Theorie ist in diesem Fall wesentlich einfacher zu verstehen als die oft komplizierten praktischen Verfahren. Analoge Bildwandler bestehen aus einem (oder mehreren) lichtempfindlichen Röhren- oder Halbleiterbauteilen und einer Steuerelektronik. Das Resultat am Ausgang des Wandlers ist eine elektrische Spannung, deren Grösse von der Beleuchtungsstärke in der Auffangebene des lichtempfindlichen Elementes abhängt. Üblicherweise wird das Bild von einem Bildwandler zeilenweise abgetastet, wodurch die Spannung am Ausgang synchron zur Helligkeit der abgetasteten Bildpunkte schwankt. Diese Schwankungen kann man elektronisch verstärken und damit zum Beispiel ein bewegtes Band mit magnetisch empfindlicher Oberfläche magnetisieren. Die Stärke der Magnetisierung entlang der Bewegungsrichtung entspricht dabei exakt der Helligkeit der dazugehörenden Bildpunkte. Somit ist die Bildinformation also dauerhaft gespeichert. Durch Ablesen der Magnetisierung kann das Bild auf einem Monitor wieder sichtbar gemacht werden, was ja letztlich der Zweck einer jeden Bildaufzeichnung ist. Die analoge Bildaufzeichnung hat zwei prinzipielle Vorteile:
Den Vorteilen stehen aber auch einige Nachteile gegenüber:
Diese Nachteile sind derart gravierend, dass heute praktisch die gesamte Bildbearbeitung überall in digitaler Form erfolgt. Selbst dort, wo noch analoge Umwandlungs- und Speicherverfahren zur Anwendung kommen, bedient man sich zur Bearbeitung der Aufnahmen einer digitalen Zwischenstufe. Typische Beispiele für die analoge Bildübertragung sind das Fernsehen und der ganze Bereich der privaten Videographie. Beim Fernsehen läuft aber Studio-intern bereits vieles digital und auch bei der Übertragung zum Endverbraucher steht die Digitalisierung vor der Tür. Auch Stillvideo-Kameras arbeiten völlig analog. Möchte man derartige Bilder nicht nur auf dem TV-Bildschirm betrachten, muss man sie erst mit einem speziellen Zubehör digitalisieren. Schliesslich handelt es sich auch bei modernen Computerbildschirmen um analoge Geräte. Dies hat hier den Vorteil, dass verschiedene Auflösungen und beliebig viele Grau- oder Farbstufen wiedergeben werden können. Dadurch lassen sich die gleichen Monitore mit sehr unterschiedlichen Computergeräten und -Programmen betreiben. Die Umwandlung der digitalen Computersignale in analoge Signale übernimmt eine sogenannte Grafikkarte. Digitale Bilder - eine Flut von ZahlenDie digitale Umsetzung von optischen Eindrücken unterscheidet sich grundlegend von der analogen Verarbeitung. Anstatt dass die Ausgangsspannung eines Bildwandlers sich schön synchron mit der Helligkeit der abgetasteten Bildpunkte ändert, sind nur noch eine genau festgelegte Anzahl Sprünge möglich. Dabei wird die Spanne zwischen Schwarz und Weiss in eine begrenzte Anzahl Grautöne zerlegt. Zwischenwerte sind nicht möglich. Liegt die Helligkeit eines Punktes zwischen zwei erlaubten Werten, so wird entweder auf- oder abgerundet. Das Resultat eines derart umgewandelten Grauverlaufs (siehe Skizze) ist ein treppenförmiges Signal, dessen Verlauf sich der ursprünglichen Helligkeitskurve so gut wie möglich nähert.
Aus den erwähnten Eigenschaften digitaler Signale ergeben sich folgende Vorteile:
Daneben dürfen natürlich auch gewisse Nachteile nicht übersehen werden:
Trotz dieser Nachteile (die bald überwunden sein werden), hat die Digitaltechnik im Bereich des elektronischen Stehbildes alle analogen Verfahren weit hinter sich gelassen. Dennoch stehen wir erst am Anfang einer interessanten Entwicklung. Das noch junge Alter des neuen Mediums und der rasante technische Fortschritt bringen es mit sich, dass so mancher Interessent zur Zeit ziemlich ratlos zwischen zwar preiswerten, aber schon bald veralteten Geräten und den neusten High-End-Entwicklungen zu stolzen Preisen steht. Doch was eignet sich wirklich für welchen Einsatzzweck? Um diese Frage zu beantworten, wollen wir uns im folgenden etwas eingehender mit den Anforderungen an ein Bildverarbeitungssystem auseinandersetzen. Wie viele Graustufen braucht ein Bild?Die Eckwerte für ein digitalisiertes Bild werden durch die Anzahl der Grau- oder Farbstufen, sowie die Anzahl der aufgelösten Punkte festgelegt. Diese beiden Werte haben technisch nichts miteinander zu tun – ausser dass beide die Datenmenge in die Höhe treiben. Dennoch beeinflussen beide das visuelle Resultat; und für beide sollte man die für einen bestimmten Zweck geltenden Minimalanforderungen kennen. Da wir uns bereits mit der Umsetzung von Grauwerten in Zahlen befasst haben, wollen wir diesen Punkt zuerst etwas näher betrachten: Die weiter oben als Beispiel erwähnten acht Stufen mögen zur Illustration des Prinzips genügen. Damit in einem realen Halbtonbild die Abstufungen nicht sichtbar werden, braucht es aber wesentlich mehr. Als Mass dient die Fähigkeit des menschlichen Auges, nahe beieinander liegende Grautöne unterscheiden zu können, beziehungsweise sehr nahe beieinanderliegende Töne eben nicht mehr unterscheiden zu können.
In der Praxis sind Auflösungen von 64, 128 und 256 Graustufen üblich. Mit 64 Stufen lassen sich allerdings nur geringe Ansprüche erfüllen; diese Auflösung spielt daher schon heute nur noch eine untergeordnete Rolle. Für anspruchsvolle Schwarzweissbilder wäre im Grunde genommen eine Auflösung von 128 Stufen der ideale Kompromiss zwischen einer guten Tonwertwiedergabe und Speicherplatz. Man muss sich aber bewusst sein, dass dies nur für Aufsichtsbilder gilt. Möchte man von seinen Daten ein Diapositiv belichten (lassen), so erhält man einen deutlich ausgedehnteren Dichteumfang, was - über 128 Stufen verteilt - eben grössere Stufen als bei einer Aufsichtsvorlage ergibt. Aus diesem Grunde hat sich eine Auflösung von 256 Graustufen als allgemeiner Standard etabliert. Dass man gerade auf 256 kommt (und nicht etwa auf 250 oder 260) hat einen sehr praktischen und einfachen Grund: 256 verschiedene Werte lassen sich in der Computertechnik gerade durch ein sogenanntes Byte darstellen. Das ist jene Grösse, die z. B. auch bei einer Textverarbeitung von jedem Zeichen beansprucht wird. Ein Byte seinerseits besteht aus acht Bits und diese sind wiederum nichts anderes, als die Zeichen 1 und 0 des Binärsystem. Das alles bräuchte uns eigentlich nicht zu interessieren, denn bei der Bildbearbeitung am Computer kommt man mit Bytes selten und mit Bits gar nie in direkten Kontakt. Aber leider hat es sich die Werbung nicht nehmen lassen, uns mit der Wortschöpfung "8-Bit-Farbtiefe" zu überraschen. Für den Alltag genügt es zu wissen, dass 8-Bit-Farbtiefe einfach die schlichte Tatsache umschreibt, dass 256 verschiedene Grau- oder Farbtöne möglich sind. 3 x Grau = FarbeObwohl auch in der elektronischen Bildverarbeitung Farbbilder mit erdrückender Mehrheit überwiegen, war bis jetzt stets von Graustufen und schwarzweissen Halbtonbildern die Rede. Dies aus gutem Grund: die Umsetzung in simple Helligkeitswerte ist nämlich auch die Voraussetzung für die Verarbeitung von Farbe.
In der Praxis der Bilddigitalisierung gibt es zwei Möglichkeiten, um drei Farbkanäle zu erzeugen:
Für jeden Farbkanal gelten natürlich die selben Anforderungen wie für einen einzigen Schwarzweisskanal. Das bedeutet: damit in Farbverläufen keine Abstufungen sichtbar werden, muss für jede Grundfarbe die selbe Anzahl Helligkeitsstufen unterschieden werden. Für hohe Ansprüche sind hierfür 256 Stufen nötig (siehe oben). Daraus lässt sich direkt die Anzahl der darstellbaren Farben berechnen. Sie entspricht der Summe aller Kombinationsmöglichkeiten die man mit 256 Helligkeitswerten in 3 Farbkanälen bilden kann. Mathematisch erhält man den gesuchten Wert durch Multiplikation der drei Teilmengen: 256 x 256 x 256 = 16'777'216 (16.7 Mio.) Farben. Das heisst nun aber noch lange nicht, dass jedes digitalisierte Bild 16,7 Mio. Farben enthalten muss. Schliesslich können nicht mehr Farbtöne wiedergegeben werden als Bildpunkte vorhanden sind. Ein auf einer Photo-CD gespeichertes Bild beispielsweise besteht aus 6,3 Mio. Punkten, was maximal 6,3 Mio. Farben erlaubt (sofern jeder Punkt eine andere Farbe aufweist.). Der Sinn der enormen Farbauflösung liegt denn auch weniger in der Differenzierung möglichst vieler Farbtöne (von denen das Auge ohnehin nur etwas mehr als eine Million unterscheiden kann), als vielmehr in der Vermeidung von sichtbaren Abstufungen in Verläufen. Wie wir bereits weiter oben gesehen haben, lassen sich 256 Helligkeitsstufen computertechnisch genau durch ein Byte darstellen. Für 3 x 256 Stufen werden folglich drei Bytes benötigt. Da, wie schon erwähnt, jedes Byte aus acht Bits besteht, beansprucht folglich jeder (farbige) Bildpunkt 24 Bits. Das ist der Grund, wieso diese Farbauflösung als 24-Bit-Farbtiefe bezeichnet wird. Um diese zur Zeit üblichste Farbtiefe dem Anwender schmackhaft zu machen, hat man dafür den Begriff "True Color" erfunden. Aus obiger Überlegung wird auch klar, dass digitalisierte Farbbilder dreimal mehr Speicherplatz benötigen als Schwarzweissaufnahmen. Wie man die Datenmenge unter Berücksichtigung der optimalen Auflösung und physiologischer Gegebenheiten dennoch auf ein erträgliches Mass reduzieren kann, werden wir in einer späteren Folge dieser Serie diskutieren. Professionelle Farbscanner arbeiten teilweise auch mit einer Farbtiefe von 32 Bit womit sich (theoretisch) pro Farbe 1024 Helligkeitswerte oder total mehr als eine Milliarde Farbtöne darstellen lassen. Wegen des enormen Speicherbedarfs bleibt diese Farbauflösung zur Zeit aber Spezialanwendungen vorbehalten. Die üblicherweise in Scannern und Kameras verwendeten CCD-Elemente sind auch gar nicht in der Lage, viel mehr als 256 Helligkeitsstufen zu unterscheiden, so dass man zu teuren Photomultipliern greifen muss. Eine werbewirksame Bezeichnung für 32-Bit-Farbe steht ebenfalls noch aus. Wahrer als wahr kann Farbe eben nicht sein ... Welche Farbtiefe sich langfristig als Standart durchsetzen wird, ist angesichts der rasanten Entwicklung schwer vorauszusagen. Immerhin: Kodak hat sich mit seiner Photo-CD für "True Color", also für 24-Bit-Farbtiefe entschieden. Da sich bereits eine ganze Reihe weiterer Firmen diesem (momentanen) Standard angeschlossen haben, dürfte es zumindest eine Weile dabei bleiben.
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Dieses abgestufte Signal ist in dieser Form allerdings noch nicht zur
Weiterverarbeitung geeignet. Die Höhe der einzelnen Stufen könnte immer noch
von eventuellen Spannungsschwankungen oder anderen Störungen beeinträchtigt
werden. Ausserdem weiss ein Computer mit einem solchen Signal nichts anzufangen.
Was ein Rechner braucht, sind Zahlen - nichts als Zahlen.
Der Weg von der Treppenkurve zu den Zahlen ist im Prinzip sehr simpel: die
Stufen werden im Prinzip einfach durchnumeriert. Das heisst: jeder Stufe wird
eine Zahl zugeordnet, die der Höhe der Stufe (und somit dem Helligkeitswert des
dazugehörenden Bildpunktes) entspricht. Eine achtstufige Kurve (siehe Skizze)
könnte man also mit Nummern von 0 bis 7 belegen. Die Null entspräche dabei
völligem Schwarz, die Sieben dem hellsten Weiss. Dazwischen verbleiben noch 6
Stufen von 1 bis 6, welche 6 Grautöne repräsentieren.
Was wir in der Praxis einem Computer füttern, ist also letztlich nichts
anderes, als eine mehr oder weniger lange Reihe von Zahlen. Im Falle unseres
Beispieles sähe diese Reihe so aus: 0,1,2,3,4,5,6,7,6,5,4,3,2,1,0. In seinem
tiefsten Innern ist einem Computer aber auch das noch zu kompliziert. Dort, wo
das Wesentliche passiert, arbeitet er sogar nur mit Kombinationen aus Einsen und
Nullen. Mit der Umwandlung der uns vertrauten Dezimalzahlen in Binärwerte, die
nur aus 1 und 0 bestehen, haben wir zum Glück nichts zu tun. Das Wissen um
diese - auf das Allereinfachste reduzierte - digitale Zahlenwelt hilft uns aber,
die entscheidenden Vorteile dieser Technik zu verstehen.
Elektrisch werden die Zahlen Eins und Null durch die beiden Zustände "Spannung
vorhanden" beziehungsweise "keine Spannung vorhanden" dargestellt.
Bei der in Computern häufig verwendeten Arbeitsspannung von 5 Volt bedeutet
dies: 0 Volt = Null; 5 Volt = Eins. Das Wichtigste dabei: die Elektronik, welche
die Zahlen auswertet, ist so aufgebaut, dass sie grosszügig auf- oder abrundet.
Konkret: auch 1,5 Volt gelten noch als Null und schon etwa 3,5 Volt werden als
"1" akzeptiert und entsprechend weiter geleitet. Bei der Analogtechnik hingegen
würden derartige Abweichungen zwangsläufig eine gewaltige Verfälschung des
Resultates bewirken.
Die lichtempfindlichen Wandlerelemente selbst (Aufnahmeröhre, CCD-Chip etc.)
arbeiten allerdings nach wie vor analog. Die Digitalisierung erfolgt durch eine
spezielle Elektronik, die unmittelbar hinter den Bildwandler geschaltet ist. Da
der Wandler und die dazugehörende Elektronik eine elektrische (und oft auch
konstruktive) Einheit bilden, kommt der Anwender in der Praxis dennoch nur mit
den digitalisierten Signalen in Kontakt.
Betrachten wir zu diesem Zweck die Grafik mit den drei Graukeilen: Die erste
Variante zeigt eine Annäherung an einen gleichmässigen, linearen Verlauf in
zehn Stufen. Selbst für sehr niedrige Ansprüche wäre dies natürlich völlig
ungenügend. Im zweiten Fall erfolgte eine Zerlegung des Graukeils in 50 Stufen.
Hier muss man schon etwas genauer hinsehen, um die feinen Abstufungen zu
erkennen. Ein reales Schwarzweissbild könnte damit schon recht gut
wiedergegeben werden. In grossen, fast gleichmässig hellen Flächen wären die
Abstufungen aber nicht zu übersehen. Natürlich spielt bei der Beurteilung auch
die Länge des Verlaufs eine Rolle: Wäre der Graukeil mit den 50 Stufen nur 2
Zentimeter lang, würde er völlig stufenlos erscheinen. Bei der Festlegung von
Minimalanforderungen muss man aber davon ausgehen, dass ein Grau- oder
Farbverlauf sich auch mal über eine grössere Bildfläche erstreckt. Der dritte
Graukeil schliesslich, ist aus mehr als 250 Stufen aufgebaut, die für das Auge
zu einem makellosen Verlauf zusammenfallen.
Alle
heute bekannten Bildwandler können im Grunde genommen mit Farbe nichts
anfangen; sie reagieren lediglich auf die Beleuchtungsstärke. Um dennoch Farben
wieder geben zu können, bedient man sich des selben Tricks, auf dem auch die
Farbfotografie, die Drucktechnik oder das Farbfernsehen basieren: Das Bild wird
in drei Grundfarben zerlegt, aus denen sich alle anderen Farben zusammensetzen
lassen. Fachleute sprechen in diesem Zusammenhang auch von drei Farbkanälen.
Diese drei Kanäle enthalten die Helligkeitswerte für jede Grundfarbe.
Sichtbare Farbe wird erst bei der Wiedergabe eines Bildes erzeugt. Wenn wir ein
Farbbild auf einem Monitor betrachten, sorgen lauter rote, grüne und blaue
Leuchtpunkte für den richtigen Farbeindruck. Ähnlich verhält sich auch ein
konventioneller Farbfilm. Die drei Emulsionsschichten reagieren dank spezieller
Sensibilisierung und Filterschichten auf die Intensität des Blau- Grün- und
Rotanteils des Lichtes. Nach der eigentlichen Entwicklung (Erstentwicklung)
enthält ein Farbfilm lediglich drei übereinanderliegende Schwarzweissbilder.
Die materiell sichtbare Farbe entsteht erst später im Laufe der weiteren
Verarbeitung. Die drei Schichten entsprechen den drei Farbkanälen, die alle die
gleichen (und farblosen) Informationseinheiten - nämlich Silberhalogenidkörner
- benutzen.