PHOTOKOLLEGIUM 5: Aufnahme & Bildbearbeitung in der digitalen Fotografie

Von Jost J Marchesi

Jost J. Marchesi hat es sich bei diesem neuen sechsbändigen Lehrwerk zur Aufgabe gemacht, sein bekanntes sechsbändiges Lehrwerk, das in den 80er Jahren zum ersten Mal erschienen ist, völlig zu überarbeiten und den aktuellen Entwicklungen der Fotografie anzupassen. Marchesi versteht es wie kaum ein Anderer, auch schwierige Zusammenhänge anschaulich und somit leicht verständlich darzustellen. Durchgehend vierfarbiger Druck auf hochwertigem Bilderdruckpapier für gute Bildqualität. Angenehme Handhabung durch flexiblen Einband. Vermittelt werden im neuen PHOTOKOLLEGIUM die Grundlagen, die es Auszubildenden an Foto- und Fachhochschulen ermöglichen, die notwendige Technik so zu erlernen, dass ihre digitalen Bilddaten problemlos, korrekt und nahtlos in den Workflow der digitalen Produktion einfließen. Nach wie vor ist die Qualität eines gedruckten Bildes von der Aufnahme abhängig. Trotz hoch moderner Computertechnik ist es letztlich aber nicht möglich, eine technisch miserable Aufnahme wirklich professionell aufzuarbeiten. Qualität beginnt mit dem seriösen Handwerk. Gleich wie ein Fotograf im Zeitalter der chemischen Fotografie wissen musste, wie ein Bild im Labor auszuarbeiten war, muss er heute wissen, wie man einen digitalen Bilddatensatz zu behandeln hat, damit dieser professionell und ohne Zusatzaufwand für den späteren Verwendungszweck optimiert wird.

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Verlag Photographie
• Erscheinungsdatum: 4. Okt. 2012
• ISBN: 9783943125580

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Hauttonwiedergabe

27 Dateiformate und Bilddatenkompression

Dateiformat

Das Dateiformat bestimmt, wie die einzelnen Pixel eines Bildes für die Speicherung mathematisch behandelt werden. Sowohl bei der Bildaufnahme wie auch nach der korrekten Bildaufbereitung stellt sich die Frage, in welchem Dateiformat ein fotografisches Halbtonbild abgelegt werden soll, damit es sich universell und mit höchstmöglicher Qualität weiterverwenden lässt. Es ist daher unerlässlich, dass wir uns bereits vor der digitalen Aufnahme mit den wichtigsten Dateiformaten befassen.

Native Dateiformate

Viele Anwenderprogramme und gewisse Digitalkameras kennen eigene Dateiformate, welche nur innerhalb dieser Programme oder Systeme benutzt werden können. Beim Bildbearbeitungsprogramm Photoshop sind dies die Formate Photoshop und Photoshop 2. Letzteres sichert die Abwärtskompatibilität mit älteren Programmversionen. Da das Format Photoshop 2 mehrere Ebenen jedoch nicht unterstützt, ist es heute ziemlich wertlos. Das normale Photoshop-Format speichert jedes Attribut, das in Photoshop anwendbar ist, inklusive Ebenen und Alphakanälen. Das Format ist mindestens kompatibel mit der jeweiligen Vorgängerversion des Programms.

Hat man in Photoshop mehrere Ebenen angelegt, muss man zwangsläufig das native Dateiformat oder das Format TIFF verwenden. Alle anderen Dateiformate können Ebenen nicht mitspeichern. Will man ein fertig bearbeitetes Bild, das mehrere Ebenen enthält, in einem portablen, nicht nativen Dateiformat speichern, muss man zuerst die Ebenen auf eine einzige Hintergrundebene reduzieren. Erst dann lassen sich andere Dateiformate ansprechen.

Das native Dateiformat Photoshop speichert und öffnet Dateien schneller als dies andere Formate tun. Weil sämtliche programminternen Attribute mitgespeichert werden, eignet sich das native Format immer dann, wenn ein Bild sich noch in Bearbeitung befindet oder wenn vorauszusehen ist, dass zu einem späteren Zeitpunkt noch eine Ebene geändert werden muss. Soll eine Bilddatei direkt aus Photoshop zum Beispiel auf einen Tintenstrahl- oder Laserdrucker ausgegeben werden, kann die Datei in diesem Format belassen werden.

Das Dateiformat bestimmt, wie die einzelnen Pixel eines Bildes für die Speicherung mathematisch behandelt werden.

Anders sieht es aus, wenn die Bilddatei für den professionellen Druck zusammen mit Text und Grafiken verwendet werden soll. In diesem Fall müssen die Dateien umbrochen werden, wozu sie von einem Umbruchprogramm (wie QuarkXPress oder InDesign) übernommen werden. Dazu eignen sich native Dateiformate nicht. Vorzugsweise verwendet man das Format TIFF.

TIFF

TIFF (Tagged Image File Format) hat sich sowohl in der Macintosh- wie auch in der PC-Welt zum weitest verbreiteten Dateiformat für Rasterdateien im Prepress-Bereich entwickelt. Allerdings kann das Format keine objektorientierten Grafiken unterstützen (dazu verwendet man bevorzugt EPS) und es unterstützt nur die Kompressionsart LZW. TIFF lässt sich für Pixelbilder mit variabler Farbtiefe verwenden und ist in der Lage, Schwarzweiß-, Grauwert- und Farbbilder im Modus RGB, CMYK und LAB zu speichern. TIFF ist sehr variabel und kann bis zu vier Farbkanälen mit je maximal 16 Bit speichern (8 Bit pro Kanal sind üblich). Die Bildgröße kennt mit maximal vier Milliarden Bildzeilen praktisch keine Begrenzung. TIFF für Macintosh und PC sind leicht unterschiedlich definiert, was mit der nicht gleichen Anordnung der 8 Bit Blöcke in diesen beiden Welten zu tun hat. Der Macintosh konnte schon immer TIFF-Dateien lesen, gleichgültig aus welcher Welt sie kamen. Alte PCs mit Prozessoren 486 oder älter können dagegen Mühe mit TIFF-Dateien von einem Macintosh bekunden. Da derart veraltete Systeme aber kaum mehr in der Bildbearbeitung eingesetzt werden, kann man diese Einschränkung getrost vergessen. Und wenn man doch mal eine TIFF-Datei speichern will, die auf einem veralteten PC problemlos darstellbar sein soll, so kann man dies in der Speicheroption angeben.

Dateiformate in Photoshop

TIFF-Optionen

Options-Dialog beim Speichern von PICT-Dateien

In einem Mainstream-Dateiformat (nicht Photoshop Native und TIFF) lassen sich Dateien erst speichern, nachdem mehrere Bildebenen auf eine einzige Hintergrundebene reduziert worden sind.

In dieser Optionsbox kann man auswählen, ob die Datei LZW komprimiert werden soll oder nicht. Die LZW-Komprimierung (benannt nach ihren Erfindern Lempel-Ziv-Welch) ist ein absolut verlustfreies Kompressionsverfahren, in dem häufig verwendete Codes durch kürzere Zeichenketten ersetzt und Pixel mit gleicher Beschreibung zusammengefasst werden (verlustfreie Lauflängencodierung). Anders ausgedrückt, bei dieser Kompression wird nach Folgen einzelner Bytes gesucht und diese durch eine Angabe von Anzahl und Wert ersetzt. Die Verweise auf sich wiederholende Zeichenfolgen werden in einer Zuordnungstabelle abgelegt, die jedoch nicht in der eigentlichen Datei mitgespeichert wird. Die Zuordnungstabelle muss bei jeder Kompression oder Dekompression neu erzeugt werden, wozu jedesmal etwas Rechenzeit benötigt wird.

PICT

PICT war das native Grafikformat früherer Macintosh-Systemsoftware. Basierend auf QuickDraw, dem damaligen Grafikstandard von Macintosh, ist PICT eines der wenigen Dateiformate, das objektorientierte Vektordarstellung gleichermaßen beherrscht wie die Bitmap-Darstellung. Das Format unterstützt Bilder jeglicher Bit-Tiefe, Größe und Auflösung. Da es 32 Bit anbietet, kann man bei RGB-Bildern durchaus einen vierten Maskierkanal einrichten und speichern. Sofern die Systemerweiterung QuickTime installiert ist, können PICT-Bilder JPEG komprimiert werden. Allerdings würde ich diese Möglichkeit nicht nutzen, denn die JPEG-Kompression von QuickTime ist schlechter als diejenige, die Photoshop direkt beim Sichern unter JPEG bereithält.

Der wichtigste Grund, PICT-Dateien zu erstellen, ist in den Ausgabesystemen zu finden. Will man beispielsweise ein Bild aufbereiten, das zum Ausdruck auf einen nicht Postscript-fähigen Drucker (die meisten Billigdrucker) gedacht ist, so dürfte PICT eine gute Wahl sein. PICT-Dateien kann man in jeder Textverarbeitung öffnen, sofern Quick-Time installiert ist. Der Empfänger einer PICT-Datei kann diese somit öffnen, ohne im Besitz einer Bildbearbeitungs-Software zu sein. In Photoshop ab Version 12 (CS5) lässt sich dieses alte Format nicht mehr speichern. Zudem hatte es bei Bildbearbeitern nie praktische Bedeutung.

IFF und HAM

Beim IFF (Interchange File Format) handelt es sich um ein Allround-Grafik-Dateiformat des früheren Amiga von Commodore. Es wurde auch von einigen alten DOS-Programmen unterstützt.

HAM (Hold and Modify) war ein Datenkompressionsformat von IFF. Beide Formate haben nur noch historische Bedeutung.

BMP und RLE

BMP ist eine Windows Bitmap und damit das native Format von Microsoft Paint. Es wird von einer Reihe Windows-, DOS- und OS/2-Programmen unterstützt. RLE ist eine verlustfreie Kompressionsart, die beim BMP-Format zum Einsatz kommt.

PCX

PCX ist eigentlich kein Dateiformat, sondern die Extension (dreibuchstabige Datennamenerweiterung unter DOS), wie es das Malprogramm PC Paintbrush verwendet hat. Da Paintbrush das erste Malprogramm unter DOS war, tauchen immer noch solche Dateien auf.

PDF

Das PDF-Format (Portable Document Format) von Adobe ist eine weiterentwickelte Variante der Seitenbeschreibungssprache Postscript. Es wird in erster Linie dazu verwendet, um Dokumente weltenübergreifend zu publizieren. Jedes Dokument kann ins PDF-Format umgewandelt werden und von allen unter Zuhilfenahme des frei erhältlichen Acrobat Readers gelesen werden. PDF hat große Bedeutung erlangt für die Publikation im Internet oder auf CD-ROM.

Es macht jedoch kaum Sinn, einzelne Bilder im PDF-Format zu speichern, obwohl Photoshop dieses Dateiformat bedingt unterstützt. Dagegen eignet sich PDF ausgezeichnet, wenn fertige Text-Bild-Umbrüche (zum Beispiel. Dokumente, die mit QuarkXPress oder InDesign entstanden sind) im Internet publiziert werden. PDF hat auch im Highend-Publishing-Bereich große Bedeutung für den gesamten Belichtungs-Workflow. Wir werden uns innerhalb dieses Lehrgangs noch ausführlich damit beschäftigen.

JPEG

Eigentlich ist JPEG kein Dateiformat im engeren Sinn, sondern eine Bilddaten-Kompressionsform. JPEG (ausgesprochen «Tscheipegg») ist die Abkürzung für Joint Photographic Expert Group, eine Gruppe des CCITT (Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique) und Mitglied der ISO (International Standards Organization). Die Gruppe ist für die Entwicklung eines internationalen Standards zur Kompression von Farbstandbildern zuständig. Die ursprüngliche Idee war, Farbbilder rasch über ein Netzwerk zu übertragen. Die Aufgabe bestand darin, über eine Datenleitung mit der Übertragungsrate von 64 Kbps ein Bild mit der Auflösung von 720 × 576 Pixeln und 16 Bit Farbtiefe pro Pixel innerhalb von 10 Sekunden zu übertragen. Mit anderen Worten, es war eine Kompressionsrate von 1:10 gefordert.

Bei voller Farbinformation benötigt ein RGB-Bild pro Pixel eine Farbtiefe von 24 Bit. Um der Vorgabe zu genügen, konnte daher nicht im Farbraum RGB gearbeitet werden. Für die Kompression wird das RGB-Bild zunächst in den YUV-Farbraum übertragen (entsprechend dem CIELUV-Farbraum, siehe Band 6). Dabei wird jedem Pixel die gesamte Helligkeitsinformation mit 8 Bit zugeordnet (Y) sowie für je zwei nebeneinanderliegende Pixel einen Farb- und Sättigungswert (U,V), der dem Durchschnitt beider Pixel entspricht. Dadurch werden pro Pixel die geforderten 16 Bit erreicht.

Betrachten wir dazu einen Block aus vier Pixeln. Ist jeder Pixel mit 24 Bit codiert (je 8 Bit für Y, U und V) entsteht ein Total von 4 × 24 Bit = 96 Bit. Fassen wir die Farb- und Sättigungswerte für je zwei nebeneinanderliegende Pixel zusammen, so haben wir insgesamt nur noch 4 × 8 Bit für U und V zusammen, insgesamt daher für vier Pixel eine Summe von 64 Bit. Pro Pixel entsteht daher ein Durchschnitt von 16 Bit.

Die Reduktion durch dieses Sampling ist mit fotografischen Bildern problemlos machbar. Ein Qualitätsverlust ist nicht feststellbar, weil die Luminanz (Helligkeitsinformation) für jeden Pixel als Originalwert bestehen bleibt und unser Auge bekanntlich auf geringste Änderungen der Helligkeit zwar sensibel reagiert, auf leichte Abweichungen der Farbigkeit dagegen nicht. Im RGB-Modus wäre diese Reduktion nicht möglich, weil dort jede der drei Farben die ganze Luminanzinformation enthält. Im LUV-Modus dagegen ist Luminanz (L) von Farbwert und Sättigung (U,V) getrennt.

Mit der Datenmengenhalbierung der Farbinformation ist die Datei nun aber erst um einen Drittel (verlustfrei) kleiner geworden. Für die weitere Kompression werden im JPEG-Standard unterschiedliche Algorithmen vorgeschlagen. Der am weitaus häufigste verwendete Algorithmus heißt lossy compression mode und funktioniert wie folgt: Nach der oben geschilderten Umwandlung in den LUV-Modus und dem erläuterten Farbsampling werden die Pixel zu Gruppen von 8 × 8 Pixeln zusammengefasst (8 × 8 Matrix). Für jede der Farb- und Helligkeitskomponenten wird eine discrete cosine transformation (DCT) durchgeführt. Dabei werden zuerst ein Durchschnittswert aller Pixel der 8 × 8 Matrix ermittelt sowie für jeden Pixel die Abweichung von diesem errechneten Mittelwert. Sofern die einzelnen Pixel des ganzen Blocks ähnliche Farben haben (und die Chance dazu ist relativ groß), sind die meisten der 64 Abweichungswerte nahe Null. Erst jetzt findet der eigentliche informationsreduzierende Schritt statt:

Erster Schritt bei der JPEG-Kompression: Sampling der ursprünglich 24 auf 16 Bit pro Pixel.

Qualitätsvergleich TIFF – JPEG: Das obere Bild wurde von einer unkomprimierten TIFF-Datei in der Größe 5,4 MB, das untere von einer komprimierten JPEG-Datei in der Größe 870 KB gedruckt. Die Qualitätsunterschiede sind bei Bildern mit nicht zu feinen Einzelheiten praktisch nicht zu erkennen.

JPEG-Optionen Dialogbox in Photoshop

In jedem Block wird jede der 64 Abweichungszahlen durch einen zu errechnenden quantization coefficient geteilt und gerundet. Ein ermittelter Koeffizient von 1 bedeutet keinen Informationsverlust, größere Werte bedeuten einen Qualitätsverlust. Da wir im vorangehenden Schritt die Annahme gemacht haben, die meisten Abweichungen seien nahe Null, werden in diesem Schritt bei der Rundung sehr viele oder sogar fast alle Werte zu Null.

Das soweit behandelte Bild wird nun mit der Zigzag-Scan-Methode in eine Byte-Folge gebracht, in der möglichst viele der vorher erzeugten Nullen hintereinanderliegen. Auf diese Byte-Folge wird schließlich der Runlength-Algorithmus angewendet, der mehrere hintereinanderliegende gleiche Werte durch einen Einzelwert und deren Anzahl ersetzt. Der übrig gebliebene Rest der Byte-Folge wird danach durch statisches Huffman-Coding komprimiert. Beide Kompressionsverfahren sind exakt und führen zu keiner Qualitätseinbuße.

Das gesamte JPEG-Kompressionsverfahren vermindert die Bildqualität, abhängig von der Stärke der Kompression. JPEG eignet sich für Bilder, in denen Farbübergänge fließend vorkommen (zum Beispiel fotografische Bilder) recht gut, nicht aber für Grafiken mit harten Farbübergängen oder Strichzeichnungen.

Bei Kompressionsraten zwischen 1:10 bis 1:20 wird die durchschnittliche Anzahl Bits pro Pixel von ursprünglich 24 auf 1 bis 2 reduziert. Je nach vorgegebenem Kompressionsfaktor sind dabei etwa die unten aufgelisteten Bildqualitäten zu erwarten. Die aufgeführte Einteilung entspricht etwa der Reglereinteilung in der Dialogbox von Photoshop, wenn die Datei als JPEG gesichert wird.

Als Empfehlung kann man sagen, für Nicht-Bildschirmverwendungen sei die Qualitätseinstellung 8 oder höher zu verwenden. Bei dieser Einstellung ist bei den meisten Bildern kein Qualitätsverlust sichtbar und die Datenreduktion doch bereits enorm.

JPEG ist ein kumulatives Kompressionsverfahren. Das heißt nichts anderes, als dass Photoshop ein Bild, das ein zweites Mal im JPEG-Modus gespeichert wird, dieses wieder komprimiert. Auf den ersten Blick ist das nicht besonders schädlich, denn beim Öffnen einer JPEG-Datei wird diese ja dekomprimiert und in ihrer ursprünglichen Größe dargestellt. Beim erneuten Speichern wird sie wieder komprimiert. Da jedoch JPEG ein verlustbehaftetes Kompressionsverfahren ist, werden die jeweiligen Fehler kumuliert. JPEG eignet sich daher auf keinen Fall, um auf dem Massenspeicher Platz zu sparen; für diesen Zweck verwendet man besser die Dateiform TIFF mit LZW-Kompression. JPEG sollte nur angewendet werden, um eine Bilddatei für den elektronischen Transport zu verkleinern, wobei man die Originaldatei tunlichst unkomprimiert oder mit einem verlustfreien Kompressionsverfahren behandelt archiviert.

JPEG-Komprimieren lassen sich nur RGB-oder CMYK-Bilder mit 8 Bit pro Kanal sowie Graustufenbilder mit 8 Bit. Bilder mit reduzierter (indizierter) Farbtiefe können nicht unter JPEG gespeichert werden.

In der unteren Hälfte der Dialogbox JPEG-Optionen sind unter Formatoptionen drei Radio-Buttons zu finden, um Bilder für das World Wide Web zu optimieren. Für die Verwendung in Druckmedien wird immer die Option Baseline (Standard) verwendet.

Der Ausdruck Baseline bezieht sich auf das Baseline-Format der Internet-Browser. Dieses Format stellt Bilder Linie um Linie auf dem Bildschirm dar. Die andere Option, die Browser kennen, heißt Progressive-Format. In diesem Format wird ein Bild auf dem Bildschirm in mehreren Durchgängen dargestellt, wobei die Auflösung sukzessive besser wird. Will man ein JPEG-Bild für das Internet im Baseline-Format aufbereiten, verwendet man die Option Baseline