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Grafiken

Sammelbezeichnung für die Gesamtheit von Bildinformationen, z.B. bei digitalisierten Zeichnungen und Fotos.

Auch: Bezeichnung für ein einzelnes Bild.

Grafiken können aus einzelnen Bildpunkten (Pixel, ... deswegen auch Pixel-Grafiken bestehen: Bitmap-Grafik - oder sich aus geometrischen Elementen zusammensetzen: Vektor-Grafik

Bildpunkt oder auch Pixel genannt
Kleinste Einheit eines digitalisierten Bildes. Jeder Bildpunkt kann verschiedene Farben darstellen; welche, hängt von der Farbtiefe ab. In Standard- VGA - Darstellung besteht ein Bild aus 640 x 480 = 307.200 Bildpunkte.

Jeder Pixel lässt sich einzeln ansprechen. In wie vielen Graustufen oder Farben ein Pixel dargestellt werden kann, hängt davon ab, wie viele Bit pro Pixel die Grafikkarte bereitstellt (Farbtiefe).

Bei einem einzigen Bit sind dies 2 hoch1 = 2.
Standard - VGA verwenden 4 Bit; es lassen sich also 2hoch4 = 16 Graustufen oder Farben darstellen.

Für eine hohe Darstellungsqualität werden heute meist 24 Bit reserviert, was es ermöglicht, jedem Pixel 2hoch24 = 16.777.216 verschiedene Farben zuzuordnen.

Bildformate
Grundsätzlich werden bei digital gespeicherten Bildern zwei Kodierungsarten verwendet: Pixel- und Vektorformate.

Pixelformate teilen ein Bild in Zeilen und Spalten auf und speichern den Farbwert jedes Bildpunktes. Vektorformate speichern die Parameter der im Bild enthaltenen graphischen Elemente, z.B. die Position und den Umfang eines Kreises, sowie die Breite der Linien und deren Farbe. Im Folgenden sollen ausschließlich Pixelformate betrachtet werden, da sie im Bereich der graphischen Darstellung am weitesten verbreitet sind. Sie sind plattformunabhängig definiert und werden deshalb von verschiedenen Programmen auf jeder Plattform unterstützt. Weiterhin sind die ihnen zugrundeliegenden Algorithmen bekannt (im Gegensatz von zumeist von einzelnen Herstellern verwendeten Vektorformaten) und frei verfügbar.

Bei der Erklärung dieser Bildformate werden grundlegende Komprimierungsvorgönge erläutert, die insbesondere auch bei der Videokomprimierung Verwendung finden. Die meisten Algorithmen zur Farbquantisierung arbeiten im RGB-Farbmodell. Es wird zumeist eingesetzt, um 24-bit Farbwerte (dies entspricht 16777216 verschiedenen Farben) zu beschreiben, sowie auf eine Palette mit 256 Farben abzubilden. Den RGB-Farbraum, der von einem kartesischen Koordinatensystem aufgespannt wird, kann man sich als Würfel vorstellen, der die Menge der auf dem Monitor darstellbaren Farben umspannt. Eine beliebige Farbe wird mit einem dreidimensionalen Vektor beschrieben, dessen Länge Auskunft über die Helligkeit (Luminanz) der Farbe gibt.

Der erste Schritt in der Farbkompression bzw. Farbreduktion ist oft eine uniforme Prequantisierung der Farbdaten von 24 bit auf 15 bit. Mit diesem Schritt wird die Datenflut eingedämmt, aber der Farbinformationsgehalt des Bildes, bezüglich unseres Farbsensorsystems Auge-Gehirn nicht merklich eingeschränkt, da nach Expertenmeinung der Mensch nur 50.000 bis 300.000 Farben unterscheiden kann. Nach der Prequantisierung wird die Häufigkeit, mit der die Farben im Bild vertreten sind, in Form eines dreidimensionalen Histogramms ermittelt. Bei Verwendung des Popularitätsalgorithmus wird nun aus den häufigsten Farben in der Verteilung die Farbpalette gebildet. Das Ergebnis ist aber in vielen Füllen nicht befriedigend, da mit dieser Methode, die ausgewählte Farbe in keinem Verhältnis zu der Anzahl der Bildpunkte steht, die mit dieser Farbe gesetzt werden. Eine Verbesserung der Histogramm-Auswertung wird mit der Verwendung des Median-Cut Algorithmus (auch abnehmende Quantisierung genannt erreicht.

Hierzu werden zuerst die Grenzen des RGB-Würfels so zusammengezogen, daß alle Bildpunkte und Farben des Bildes darin enthalten bleiben. Damit entsteht ein Quader oder ein Würfel als Spezialfall. Dieser Quader wird nun längs der längsten Kante geteilt, so da? in den entstehenden Subquadern etwa die gleiche Menge von Pixeln enthalten ist (Medianschnitte). Die Kontrahierung und weitere Teilung der enstandenen Quader wird nun solange fortgesetzt, bis die vorgegebene Menge von Subquaderen entstanden ist, oder die Subquader nicht mehr teilbar sind. Im Idealfall enthält ein Subquader nur noch einen Farbwert, der dann direkt einen Palettenwert darstellt. Da im Regelfall aber noch mehrere Farbwerte in einem Subquader enthalten sind, wird fäür jeden dieser Subquader ein Mittelwert errechnet.

Da sich gezeigt hat, daß das menschliche Auge Farbwerte in einer geringeren Auflösung als Helligkeitswerte wahrnimmt, wird der gängige RBG-Farbraum (Rot-Grün-Blau) bei den digitalen Bildstandards zumeist in drei planes umgewandelt, eine Luminanz-plane (Grauwerte, Y) und zwei Chrominanz-planes (Farbwerte U/V oder auch Cr/Cb).

Die Farbwertplanes können dann wie z.B. bei JPEG (siehe Seite 20) und MPEG (siehe Seite 24) von ihrer Kantenlänge halbiert werden (das ist dann ein Viertel der Fläche !). Dies reduziert die Datenmenge enorm, ist jedoch ein Datenverlust. Diese Art der Kodierung nennt man den 4:1:1 YUV-Farbraum.