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Optimierung von Farbbildern Um vernünftige Speichergrößen und Übertragungszeit zu bekommen, ist die Kompression für alle Arten von Multimediadaten notwendig. |
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GIF Bildkomprimierung |
Grafiken im Internet kosten nicht nur viel
Entwicklungszeit, sonder verschlechtern auch die Performance und erscheinen
oft zum Entsetzen ihres Designers farblich völlig entstellt im Web-Browser.
Die richtige Aufbereitung der Abbildungen kann die Performance und
Darstellung verbessern - vorausgesetzt, man beachtet entscheidende
Eigenschaften des Sehens und der Nachbildung der Farben durch den
Web-Browser. Und auch der Betrachter ärgert sich zu Recht über schlechte Präsentationen und lange Ladezeiten. Es geht darum, warum wir Rot, Grün und Blau empfinden können und wie sie in einem erfolgreichen Design eingesetzt werden können. |
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Farben in Informationsräumen
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Ein stimmiges Farbkonzept bildet die Basis einer
erfolgreichen farblichen Gestaltung von Informationsräumen.
Farbgestaltung ist eine Fachdisziplin, die auf der Auseinandersetzung mit den technisch-physikalischen Aspekten von Licht und Farbe sowie ihrer ästhetischen, physiologischen und psychologischen Wirkung auf den Menschen basiert. Die Aufgabe positiver Farbgestaltung besteht auch darin, nach Ausgleich zwischen Abwechslung und Anregung von Farbentönen zu suchen, eingebunden in eine visuelle Ordnung, um belastende Wahrnehmungszustände zu vermeiden. Subtile Stimulation mittels Farbe ist ein grundlegendes Kriterium zur Überwindung sowohl von Monotonie wie auch von Reizüberflutung. In diesem Zusammenhang spielen Farbverwandtschaften, das Gemeinsame und die Kontraste eine wesentliche Rolle. In diesem Zusammenhang geht es um Sicherheit bei Farbkonzepten. Basierend auf der klassischen Farbenlehre und Farbentypologie, den physikalische Aspekte der Farbanalyse, dem Erkennen und Zuordnen von Farbnuancen. Alles in Allem um ein zusammenhängendes Farbkonzept für den erfolgreichen Internetauftritt. |
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Farbbilder sind im Allgemeinen reich an Bildinformationen, sodass sie
großen Speichebedarf und lange Übertragungsdauer haben. Nehmen wir ein
Farbbild mit einer Farbtiefe von 24 Bits und einer Auflösung von 300 dpi:
dafür kann die Datenmenge ohne weiteres 10 oder 100 MBytes betragen. Und im Rahmen
des Internets ist es
sinnlos, derart große Bild-Dateien zu übertragen - der Betrachter würde
minutenlang vor seinem Bildschirm sitzen, um auf das Bild zu warten. Daher müssen Bilder
möglichst verlustfrei auf möglichst kleinen Speicherbedarf komprimiert
werden, also bestmögliche Qualität bei geringster Dateigröße.
Die Algorithmen zur Kompression von Bilddaten lassen sich durch drei
Eigenschaften charakterisieren: |
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| GIF Bildkomprimierung |
Die älteren Verfahren der Bildkomprimierung (Lauflängenkodierung,
Huffmann-Code, LZW) arbeiten ohne Datenverlust. Bei der Lauflängenkodierung
gibt ein Schlüsselbyte an, wie oft das nachfolgende Zeichen wiederholt wird.
Diese Methode bringt logischerweise nur dann etwas, wenn ausreichend viele
Zeichenwiederholungen vorkommen. Die LZW-Methode (nach Lempel und Ziv) erkennt und ersetzt wiederkehrende Binärfolgen. Die
LZW-Verfahren werden sowohl bei der Textkomprimierung als auch im
Internet in Form der GIF-Verfahrens angewandt.
Während die Lauflängenkodierung die Leerinformation eines Textes oder Bildes reduziert, sorgt der Huffmann-Code dafür, dass die Codierung selbst so datensparend wie möglich wird. Ein bekanntes Beispiel für die Huffmann-Codierung ist der Morse-Code, der den häufigen Buchstaben "e" mit einem einzigen Punkt "." codiert, während das seltenere "q" als längere Zeichenfolge durch "--.-" dargestellt wird. Die GIF Komprimierung lässt pro Bild maximal 256 verschiedene Farben zu, bei der JPEG Komprimierung können über 16 Millionen verschiedene Farbtöne pro vorhanden sein. |
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| JPEG Bildkomprimierung Hier ein
Bild mit 23,90 Kilobytes Mit JPEG auf 2,86 Kilobytes
Weiter auf 0,862 Kilobyte
25x25 |
Das JPEG Verfahren arbeitet im Gegensatz zum GIF-Verfahren mit kontrollierter Informationsverlust,
mit dieser Art der Komprimierung reduziert sich die Dateigröße gegenüber dem
GIF-Format auf die Hälfte. Im Vergleich zur Originaldatei erreichen man eine
Bildkomprimierung von weit über 90 %. Diese Kompressionsmethode kann den
Speichebedarf und die
Übertragungsdauer von Farbbildern wesentlich reduzieren.
Der JPEG-Algorithmus (Joint Photographic Expert Group), der mit einem kontrollierten Informationsverlust verbunden ist, kann Bilddaten bis zum Faktor 50 verdichten und dies ohne nennenswert sichtbare Qualitätsverluste. JPEG kann Bildinformationen mit bis zu 24 Bit Farbtiefe (16,7 Millionen Farben) verarbeiten. Das JPEG-Verfahren komprimiert Bilddaten, indem es die Bildteile zusammenfasst, in denen hinsichtlich Farbe und Helligkeit "nichts passiert". In einem ersten Schritt wir das Bild in ein geeigneten Farbraum transformiert (z.B. vom RGB nach YUV), das magert die Datenmenge schon zur Hälfte ab, ohne sichtbare Qualitätseinbussen zu verursachen. Die Transformation von RGB nach YUV erfolgt durch eine einfache Matrizenmultiplikation. Die wichtigere Helligkeitsinformation (Y) wird dabei in der vollen Auflösung belassen. Die Farbinformationen (U und V) werden meist 2:1 (d.h. zwei Pixel werden als Mittelwert für ein einziges Pixel genommen) in der Horizontalen und entweder 2:1 oder 1:1 in der Vertikalen zusammengefasst. Dieser Schritt reduziert das Datenvolumen um weitere 50% bzw. 33%. Die Auswirkungen auf die Qualität des Bildes sind aufgrund der geringeren Farbauflösung des Auges jedoch kaum sichtbar. Die Indexverschiebung transformiert die Werte des Blockes aus dem Bereich von 0 bis 255 in einen Bereich von -128 bis 127. Diese Indexverschiebung ist notwendig, da sich nach der anschließenden DCT und Quantisierung kleinere Werte ergeben und dadurch eine bessere Kompressiondichte erzielt werden kann. JPEG fasst jetzt die Pixelwerte für jede Komponente in Blöcke von 8x8
Pixel zusammen. Dieses so genannten Blocking-Verfahren zerlegt das Bild in
kleinere Blöcke um jeden davon getrennt bearbeiten zu können. Jeder dieser
Blöcke wird später mittels DCT (Discrete Cosine Transform) verarbeitet.
Dabei wird eine Fourieranalyse in zwei Dimensionen x und y ausgeführt. Die Diskrete Fouriertransformation
stellt sich dar als: Man kann sich die eindimensionale DCT als eine Fourier-Transformation vorstellen, bei der nur der reale Cosinus-Teil beibehalten wird, eine zweidimensionale DCT ist die Durchführung einer fortgesetzten eindimensionalen DCT zuerst für alle Spalten und dann für die Zeilen. Ein Bild wird gewöhnlich mit drei Farbkomponenten dargestellt. Der Datenstrom besteht aus vielen Zeilen. Jede Zeile enthält die entsprechende Anzahl Farbkomponenten, z.B. 123 Rot-Werte, 123 Grün-Werte und 123 Blau-Werte. Dieser Datenstrom wird nun vor der Speicherung des Bildes komprimiert, um dann nach der Datenübertragung zur Darstellung auf dem Monitor wieder dekomprimiert zu werden. |
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| Verfahrensvergleich |
Die JPEG Komprimierung lässt über 16 Millionen Farben zu. In modernen Browsern stehen diese alle gleichberechtigt nebeneinander. Die Ladezeiten sind identisch, egal welche und wie viele verschiedene Farben in einem Bild verwendet werden. Das DCT-Verfahren führt bei Kompressionsraten über 1:25 zu störenden und gut sichtbaren Artefakten. Andere Verfahren wie das Wavelet-Transformation oder der fraktale Kompression erzielen zwar auch bei hohen Kompressionsraten akzeptable, gut erkennbare Bilder, jedoch bilden sich bereits bei geringer Kompression stark sichtbare Abweichungen vom Original. |
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| Farbkalibrierung | Man kann sich noch so bemühen interessante
Farbkombinationen zu finden, aber leider kommen die beim Betrachter meist etwas
anders an, denn die überwiegende Anzahl der Bildschirme sind falsch
eingestellt und haben deshalb einen Farbstich. Zudem wirken Farben am Bildschirm anders als auf Papier. Das Prinzip des "beleuchteten Bildpunktes“ birgt eine Fehlerquelle für die Abbildung von Farben. Denn durch die Hintergrundbeleuchtung werden Kontraste übermäßig betont, was von einer sicheren Farbwiedergabe abweicht. Dazu kommen noch falsch eingestellte Drucker. Drucken Sie zum Test die Site Farbe und Licht auf einem Farbdrucker aus und vergleichen Sie die Farbwirkung von Papier und Bildschirm. |
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Deformierter RGB-Farbquader |
Bei der Kalibrierung der Farbwiedergabe geht es darum,
Farben durch Farbmanagement und Kalibrierung richtig darzustellen.
Im Zentrum steht das Einrichten
der gesamten RGB-Farbstrecke von der Bildquelle (Fotoapparat oder Scanner)
über das Komprimierverfahren (GIF oder JPEG) bis zur Wiedergabe (Monitor
oder Drucker).
Farbkalibrierung bedeutet die Entzerrung eines durch Abbildungsfehler deformierten RGB-Farbquaders. Die Farbtreue bei der Reproduktion von Bildvorlagen auf Papier oder von aus elektronischen Quellen ist oft nicht zufrieden stellend. Der Grund liegt darin, dass elektronische Quellen nicht kalibriert sind oder die Bilder auf Papier durch chemische Einflüsse farblich mehr oder weniger stark verfälscht sind. Man denke nur an vergilbte Photos und Ölgemälde oder ausgeblichene Aquarelle. Die Farbkalibrierung ist ein Verfahren, mit dem die genaue Farbwiedergabe der Bilder sichergestellt wird. Wenn die Eingabe- und Ausgabegeräte korrekt kalibriert sind, wird die Farbe an der Quelle genau erfasst und auf dem Bildschirm oder Drucker genau wiedergegeben. |
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Tonwertzuwachs und Kalibrierung des Druckers |
Ein erhebliches Problem bei der Bildverarbeitung ist das
Beurteilen von Farben und Tonwerten, sowie das Vorhersehen des
Druckergebnisses. Durch das Druckverfahren werden Bildpunkte im allgemeinen größer ausgegeben als sie wirklich sind. Das liegt daran, dass die vom Drucker auf das Papier aufgebrachte Pigmente je nach Verfahren und Qualität des Druckers auf dem Papier oder der Folie zerfließen. Diese geringfügige Vergrößerung der Rasterpunkte wird Tonwertzuwachs genannt. Trifft man vor dem Drucken keine Maßnahmen zum Ausgleichen des Tonwertzuwachses, so werden die Bilder dunkler als auf dem Bildschirm. Aber man kann den Tonwertzuwachs abfangen, indem man das Bild heller macht. Mehr Helligkeit erfordert in der Regel mehr Kontrast, eine Vergrößerung des Kontrastes macht helle Stellen noch heller und dunkle Stellen noch dunkler - ein Bild mit höherem Kontrast hat daher auch mehr Farbabstufungen bzw. Graustufen. Die differenzierte Änderung der Helligkeitsstufen eines Bildes wird mit Hilfe einer Gammakurve ermittelt und heißt "Gradation". Die Ermittlung der Gammakurve für ein bestimmtes Ausgabegeräte ist Teil der Kalibrierung. Das Papier leuchtet im Gegensatz zum Monitor nichts selbst, sondern Teile des Lichts werden absorbiert und reflektiert. Das Licht trifft auf das Papier und wird mehr oder weniger in seiner spektralen Zusammensetzung, oder in einem Teil davon, verändert und reflektiert. Die aufgebrachten Farben bestimmen deshalb, in welchem Farbton das reflektierte Licht im Auge des Betrachters ankommt. Daher arbeitet der Drucker mit dem CMY Farbmodell und der Monitor im Gegensatz dazu mit dem RGB Farbmodell. Vor dem Drucken wird eine geeignet Transformation der Farben von RGB nach CMY durchgeführt. Dazu kommt, dass es einige Farbtöne gibt, die im RGB Farbraum perfekt, aber in CMY nicht dargestellt werden können. Die Kalibrierungen für ein bestimmtes Ausgabegeräten basiert auf einer darauf abgestimmten Gammakurve, dadurch ist ein bestimmtes Bild entweder für den Bildschirm oder einen ganz speziellen Drucker optimiert. |
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| Farb-Restaurierung |
Alte vergilbte Photos und Malereien oder ausgeblichene Aquarelle stellen
eine ungewollte Komprimierung oder eine Farbverschiebung der Farbpalette
dar, die mit heutigen Mitteln oft einfach zu restaurieren sind. Besonders
geeignet dazu ist die elektronische Bildbearbeitung. Dazu kommen Knicke, abgeplatzte oder abgeblätterte Farbe, Vergilbungen, kleinere und größere Risse, durchgedrückte Keilrahmen, mechanische Beschädigungen durch falschen Transport oder ungenügende Lagerung, Zerstörungen durch durch Vandalismus, Brand, Zigarettenrauch oder andere Umwelteinflüsse. Restauratorische Maßnahmen dienen der Wiederherstellung der Farbe und des Farbaufbaus eines Gemäldes. Gerade Farbabstufungen, Nuancen und Differenzierungen im Farbaufbau sind oft dem Zahn der Zeit zum Opfer gefallen. Nach längerer Zeit können gealterte oder sich veränderte Farbaufträge die umfassende Wahrnehmung stark verfälschen. Durch die Alterung kommt es in komplexen Oxidationsprozessen und der chemischen Reaktion der verschiedenen Pigmente zwangsläufig zu einer Farbreduktion oder Farbverschiebung. Die durch den Betrachter wahrgenommenen Farbwerte der darstellenden Malerei weichen daher oft erheblich vom Original ab. Form und Farbe werden dadurch oft stark beeinträchtigt oder in ihrem Aussagegehalt verfälscht. Die Gilbung erzeugt Farbverschiebungen, z.B. von Farbpartien von Blau zu Grün, von Weiß zu Gelb oder von Rot zu Braun. So ist zum Beispiel das Grün im Goethe'schen Aquarell zu seinem Farbkreis durch Ausbleichung in den vergangenen 200 Jahren zu einem schmutzigen Grau verkommen. |
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![]() Der
Goethe'sche Farbkreis - links das
Original Aquarell im heutigen Zustand und rechts mit restaurierten Farben.
Das Original zeigt sich durch den chemischen Alterungsprozess stark verändert, mit ausgeblichenem Grün und verfälschten Rot-Gelb-Tönen |
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| Elektronisch umgesetzte Bilder haben keinerlei Farbverschiebung und keinen Farbverlust mehr. Denn elektronische Speicherverfahren sind resistent gegen chemische Alterungsprozesse, ein elektronischer Datenspeicher liefert ohne jede Einbuße der Güte das Dargestellte beliebig oft mit immer der gleichen Qualität. | ||
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