Pixel versus Vector - RoCBar

Pixel versus Vector
Die elektronischen Daten eines Bildes (ganz allgemein gesehen sogar einer
beliebigen EDV-Dokumentseite) werden grundsätzlich in zwei Formaten gehandhabt:
als Vektordaten oder als Rasterdaten (auch Pixeldaten). Auch wenn
es an verschiedenen Stellen des EDV-Prozesses für den Nutzer ohne Belang
ist, müssen beim Arbeiten mit Grafiken die spezifischen Unterschiede beider
Methoden berücksichtigt werden.
Pixel-orientierte Grafik
bedeutet, dass das Bild ein unsichtbares Raster erhält und die Bildinformation
als Sammlung von Rasterwerten eines jeden Punktes des Bildes (mit zugehörigem
Farbwert usw.) vorliegt. Scanner, Digitalkameras, Grafiktabletts, Pixelorientierte
(oder Raster-orientierte) Grafik- und Malprogramme (zum Beispiel
Photoshop von Adobe) liefern solche Bilder. Beim Erzeugen des Bildes wird
die Auflösung bestimmt, d.h. es wird festgelegt, aus wie vielen Punkten / Pixeln
das Bild bestehen soll und wie viele Felder die Rastermatrix hat. Diese
einmal gewählte Auflösung (und damit in der Regel die Qualität des Bildes) ist
später nur mit mathematischen Tricks unter Qualitätsverlust (Extrapolation) zu
verändern. Die Aufnahmeauflösung der Scanner und Digitalkameras bzw. die
Auflösung der Monitore wird in pixel per inch (ppi) angegeben. Das fertige
Produkt, ob Bild oder ganze Seite, wird wieder als Raster, d.h. pixelweise oder
„dotweise“, ausgegeben. Die Ausgabeauflösung der Drucker wird entsprechend
in dots per inch (dpi) angegeben.
Dateigröße der Pixelgrafik
Was spricht also dagegen, mit der höchst möglichen Auflösung zu scannen bzw.
zu fotografieren, um die höchst mögliche Qualität zu erreichen? Der Scannaufwand
und der Speicherplatzbedarf werden unter Umständen zu groß.
HINTERGRUNDWISSEN
Links ein frisch
geborener Vektor-
Elefant und sein
Wachstum.
Vektor-Elefanten
wachsen vom Säugling
bis zum Greis auch
ohne Kosmetik glatt.
Links ein frisch
geborener Pixel-Elefant
und sein Wachstum.
Es ist bitter für Pixel-
Elefanten, dass sie beim
Wachsen schrumpelig
werden.
Das Wesen eines
Pixel-Elefanten:
Rasterwerte, Rasterwerte
000111001110101010100
011101001110101000100
010101010100010111101
PIXEL VERSUS VEKTOR.DOC, © awtext 11.2004 1 / 4

HINTERGRUNDWISSEN
Ein Kreis
vor einem Raster.
Grob gerastert müssen
25 Werte
gespeichert werden.
In doppelter Auflösung
sind es schon
100 Werte.
1 inch x 1 inch
gerastert
hat bei 300 dpi
90.000 Pixel,
bei 600 dpi
360.000 Pixel
0 0 1 0 0
1 1 1
1 1 1 1 1
1 1 1
Da ein Inch etwa 2,54 cm beträgt, ist ein DIN A4-Blatt
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0
0
0
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1
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0 0 0 1 1 1 1 0 0 0
0 0 1 1 1 1 1 1 0 0
0 1 1 1 1 1 1 1 1 0
0 1 1 1 1 1 1 1 1 0
0 1 1 1 1 1 1 1 1 0
0 1 1 1 1 1 1 1 1 0
0 0 1 1 1 1 1 1 0 0
0 0 0 1 1 1 1 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
21 29,7
inch × inch = 8,27 inch × 11,7 inch
2,54 2,54
groß. Das bedeutet, dass bei einem Schwarz-Weiß-Bild (zum Beispiel Text,
keine Graustufen!) der Scanner in 600-ppi-Einstellung
8,27 inch × 11,7 inch × 600 × 600 = 34,8 Millionen Pixel
aufnehmen muss. Diese Pixel müssen nun auch gespeichert werden. Wenn man
von möglichen mathematischen Tricks (Komprimieren) absieht, ist die Datenmenge
und damit die Datei sehr groß. Man könnte einwenden, dass es bei
zunehmend größeren Kapazitäten der Rechner und Speichermedien bald belanglos
ist. Dies jedoch nur bedingt, da solche Bilder häufig in andere Anwendungen
(z.B. ein Textdokumente) eingebunden werden und dort dann bei Verarbeitung
die Abläufe beträchtlich verlangsamen. Außerdem werden parallel zu
immer größeren Speichern auch die Auflösungen der Aufnahmegeräte immer
höher, das Speicherplatzproblem bleibt also noch lange bestehen.
Noch gravierender ist das Speicherplatz-Problem bei Grau- oder Farbbildern, da
hier für jeden Punkt / Pixel achtmal bis 32mal so viel Information gespeichert
werden muss.
Vergrößerung der Pixelgrafik
Wenn eine Pixel-definierte Linie vergrößert wird, fehlt es an Bildinformation,
der Ausschnitt müsste folglich Lücken haben. An dieser Stelle greift die Software
ein, schließt rechnerisch die Lücken und vergrößert die Punkte. Mit besonderen
Rechenverfahren kann sogar die unschöne Treppchenbildung an
schrägen Linien vermindert werden (anti aliasing).
Da bei der Vergrößerung auch das Speicherproblem zusätzlich eine Rolle spielt,
ist es sehr wichtig, schon vor dem Scannen die richtige Auflösung und die spätere
Abbildungsgröße zu bestimmen (vgl. Übungsblatt Raster & Vergrößerung).

Die gängigsten pixelorientierten Formate (Rasterformate)
tif oder tiff (Tag Image File Format) ohne oder mit Kompressionsverfahren (LZW) ohne
Daten-, d.h. ohne Qualitätsverlust. Sehr gängiges Verfahren für den Druck.
bmp (Microsoft Windows Bitmap), selten komprimiert, in der Größe beschränkt
jpg oder jpeg (nach Joint Photographic Experts Group) kann stark komprimieren, allerdings
mit Verlusten. Optimiert für ein durchstrukturiertes Farbbild liefert die Kompression
bei Graustufen- und Schwarzweißbildern relativ schlechte Ergebnisse. Eignet sich nicht
zum Zwischenspeichern, da durch mehrfaches Öffnen und Speichern die Qualität
weiter sinkt. Gut für Fotos, Farbtiefe 24 bit.
gif (Graphics Interchange Format), Standard-Grafikformate für das Internet-Publishing,
Farbtiefe von nur 8 bit, daher für Computergrafiken, Diagramme etc. günstig, auch verlustfreie
LZW-Komprimierung. Auch interlacing möglich, d.h. das Bild wird im Browser
schneller aufgebaut trotz noch nicht vollständiger Datenübertragung (1., 3., 5., … Zeile,
dann 2., 4., …). Lässt sich auch animieren.
png (Portable Network Graphics), PNG kann fast alles was GIF kann, hat aber ein besseres
Interlacing, eine höhere Kompression, True-Color-Farben, einen echten Alpha-
Kanal, Gamma-Information und eine Fehlerkorrektur. Es ist ein Hardware- und Plattform
unabhängiges Format mit einer 100% verlustfreien Kompression.
tga (Targa Image File) weit verbreitet, fast nie komprimiert, Farbe 24 bit, ursprünglich
entwickelt, um stehende Videobilder abzuspeichern.
wmf (Windows Meta File), eigentlich eine Mischung zw. Pixel- und Vektor-orientiert,
beherrscht Kompression, ein Übersetzer zum Transfer zw. Windows-Anwendungen,
entwickelt insbesondere für die Zwischenablage.
eps oder ps (encapsulated postscript), eigentlich kein Grafikformat, sondern eine vollständige
(Seitenbeschreibungs-) Sprache zur Ausgabe an Postscript fähigen Druckmedien,
Vektor-orientiert, aber selbstverständlich auch mit Umsetzung der Rasterinhalte,
zur Bildschirmanzeige kann ein Raster-Preview eingestellt werden.
pcd (Photo-CD) Format, das von der Firma Kodak stammt und fünf Auflösungen in einer
Datei speichert. Die höchste Auflösung mit 2.048 mal 3.072 Bildpunkten entspricht etwa
18 MB Speicherplatz sowie einer Scannauflösung von 2.200 ppi. Eine Photo-CD fasst
rund 100 Bilder, die durchschnittliche komprimierte Dateigröße liegt bei 4,5 MB. Die Pro-
Photo-CD speichert das Bild mit einer Auflösung von 4.096 mal 6.144 Bildpunkte.
Was heißt Daten-Kompression
Die anfallende Datenmenge ist häufig ein Problem der Rastergrafik – beim Speichern
und bei der Übertragung. Bei Kompression (der Dateien) versucht man mit mathematischen
Verfahren, sich wiederholende Zeichenketten aufzuspüren und diese dann z.B.
durch einfache Angabe der Art und Länge umzukodieren.
HUFFMAN Die Idee der Huffman-Kodierung geht auf das Prinzip des Morsealphabets
zurück. Dort werden häufig vorkommenden Symbolen (in diesem Fall Buchstaben) kürzere
Codes zugeordnet als den seltener vorkommenden. Der Code für ein "e" z.B. besteht
nur aus einem einzigen Morsezeichen.
RLE (Run Lenght Encoding) bestens geeignet für sw Grafiken, z.B. für Faxe, ungeeignet
für Fotos, erzeugt keine Verzerrung.
LZW (Lempel, Ziv, Welch) wird von sehr vielen Grafikanwendungen genutzt, erzeugt
keine Verzerrung.
JPEG ist ein standardisiertes Bildkompressionsverfahren, das mehrere Techniken vereinigt.
Es ist für Farbbilder optimiert und nicht für Grau- und sw-Bilder geeignet. Arbeitet
mit Datenverlust.
Vektor-orientierte Grafik
bedeutet, dass alle Zeichnungen, alle Teilzeichnungen, kurz alle Elemente der
Zeichnungen als mathematische Vorschriften definiert und gespeichert werden.
Das Zeichenprogramm erzeugt und speichert bereits beim Zeichnen diese z.T.
komplizierten Vorschriften. Sie bestehen im Prinzip für jedes Zeichnungsobjekt
aus der Angabe des Startpunktes einer Linie, ihrer mathematischen Beschrei-
HINTERGRUNDWISSEN
experte
experte
PIXEL VERSUS VEKTOR.DOC, © awtext 11.2004 3 / 4

HINTERGRUNDWISSEN
Das Wesen eines Vektorelefanten
ist durch outline
und Füllung bestimmt.
experte
1 inch x 1 inch
vektororientiert
hat auch als
1 m × 1 m-Quadrat
den gleichen
Speicherbedarf und
die gleiche Qualität
experte
bung und der Angabe der Füllung. Diese Vorschriften interessieren den Anwender
eigentlich gar nicht, sie sind für den PC, für die Bildschirmdarstellung,
den Druck und das Speichern bestimmt. Sie beanspruchen in der Regel wenig
Speicherplatz, ermöglichen bequeme Korrekturen an der fertigen Zeichnung
und sorgen bei intelligenten Grafikkarten und Druckern für schnellen Druck
und Bildschirmaufbau.
Beim Vergrößern (Skalieren) der Zeichnung garantieren die Vektoren gleich
bleibende Qualität und gleich bleibenden Speicherplatzbedarf, da die Werte der
Linienbeschreibung nur mit dem entsprechenden Faktor multipliziert werden
müssen.
Typische Vertreter sind zum Beispiel: Autocad von Autodesk im technischen Bereich,
Ilustrator von Adobe, Freehand von Macromedia, CorelDraw oder Designer von Corel im
eher künstlerischen Grafikbereich. Auch alle modernen 3D Modellierungsprogramme
definieren ihre Körperformen und Füllungen über Vektoren, sprich mathematische Vorschriften.
Die Darstellung kann aufgrund der heutigen Rechnerkapazität sogar im Film
fotorealistisch sein.
Ebenfalls alle Seitengestaltungsprogramme (DTP Software) speichern ihre Seiten Vektor-orientiert.
Die im professionellen Bereich benutzten Postscript Drucker verstehen die
Vektorensprache Postscript und setzen ihre Vektoranweisungen selbstständig – zur
Entlastung des Rechners – in zu druckende Pixel um. Für diese Umsetzung besitzen sie
einen eigenen Prozessor – RIP (Raster Image Prozessor). In nicht Postscript-fähigen
Druckern muss diese Umsetzung erst vom PC durchgeführt und erst dann als Rasterinformation
an den Drucker geschickt werden.
Warum dann nicht immer Vektorgrafik
Es sind Fotos und fotoähnliche Grafiken, an denen die Vektoren (noch?) scheitern.
Ein digitales Foto entsteht Pixel-orientiert, die Vorlage wird Punkt für
Punkt abgetastet (im Scanner oder auf dem LCD-Chip einer digitalen Kamera).
Gespeichert wird auch Pixel-orientiert, Punkt für Punkt. Um ein Foto mit Vektoren
darzustellen, müsste die Software das Bild erst analysieren, in viele verschieden
geformte Bereiche zerlegen, diesen dann Attribute wie Farbe, Helligkeit
etc. zuweisen und sie anschließend wie ein Puzzle wieder zusammen legen.
Dieser Aufwand ist für ein fein strukturiertes Foto schwer zu leisten und wäre in
der Regel auch sinnlos, da die riesige Anzahl der gewonnenen Vorschriften die
Vorteile der Vektorgrafik (Speicherplatz und Verarbeitungsgeschwindigkeit)
zunichte machen würde.
Es gibt Fälle, wo das nachträgliche Vektorisieren sinnvoll eingesetzt wird, nämlich überall
dort, wo Bilder in nicht digitaler Form vorliegen, mathematisch gut erfassbare Strukturen
aufweisen und weiter digital verarbeitet werden sollen. Technische Zeichnungen z.B.
werden nach dem Einscannen nachträglich vektorisiert. Dieses Vorgehen nennt man
Autotracing, Programme, die es leisten, verfolgen im vorliegenden Pixelbild Konturen
oder Kanten gleicher Helligkeit, die entstandenen Linien (outlines, Pfade) werden dann
gespeichert. Zum Beispiel Streamline von Adobe.
Auch das OCR (Optical Character Recognation) ist eine Art der Vektorisierung. In abgetasteten
spezifischen Pixelanhäufungen werden Buchstabenzeichen erkannt, diesen
dann von der Software Vektoren zugeordnet. Der Text wird dadurch editierbar, jedes
Zeichen wie gewohnt beliebig skalierbar und formatierbar (typische Vektoreneigenschaft).
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