Aus dem Alltag
Seminar: Didaktik der Physik
SS 2007
Katharina Putzer
Inhalt
1.Lichtquellen
1.a Thermische Strahler
1.b Einschub: CIE Normfarbtafel
1.c Lichtfarben – Farbtemperatur
1.d Normlichtarten
1.e Sonnenlicht
1.e Kunstlicht ( Glühlampe, Leuchtstoffröhre, LED)
2.Bildverarbeitung
2.a Pixelgrafik
2.b Antialiasing
2.c Vektorgrafik
2.d Schriftarten
2.e Graustufen – Farbtiefe
2.f Dateiformate
2.g verlustfreie Kompression
2.h verlustbehaftete Kompression
2.i JPEG oder GIF
1. Lichtquellen
1.a Thermische Strahler
 Lichtquelle - Ursprungsort von Licht
 Sonne, Kerze, Glühlampe, Halogenlampe: die
wichtigsten Lichtquellen dieser Welt sind sog.
Thermische Strahler.
 Wie wir es vom Eisen her kennen, das zunächst rot
glüht und bei zunehmender Temperatur gelb bis
weiß leuchtet, hängt die Lichtfarbe eines heißen
Gegenstands von seiner Temperatur ab.
 Thermische Strahler liefern eine kontinuierliche
Strahlung.
414 nm
7000 K
497 nm
5480 K
580 nm
5000 K
725 nm
4000 K
 Wiensches Verschiebungsgesetz:
 * T  const.
m
 Die Wellenlänge des Maximums der
Intensitätsverteilung eines thermischen Strahlers
ist indirekt proportional zur Temperatur der
Strahlungsquelle.
d.h. Mit steigender Temperatur verschiebt sich das
Strahlungsmaximum vom infraroten zu blauem /
ultraviolettem Licht.
Je heißer ein Strahler ist, desto blauer erscheint
er.
Lichtfarbe eines glühenden Gegenstands ("schwarzer
Strahler") bei von links nach rechts steigender
Temperatur in °Kelvin
 Das Licht eines Temperaturstrahlers wird
nicht nur in einer speziellen Wellenlänge
abgestrahlt, sondern umfasst im Prinzip alle
Farben des Regenbogens.
 Erst die Mischung der verschiedenen
Wellenlängen ergibt dann die Lichtfarbe. Bei
niedriger Temperatur enthält das Licht mehr
Rotanteile, bei höherer Temperatur mehr
Blauanteile. Die jeweiligen Lichtspektren
sind typisch für die betreffende Temperatur.
 Streng genommen gilt dies nur für den
"schwarzen Strahler", näherungsweise
jedoch für alle Temperaturstrahler.
1.a CIE Normfarbtafel
 Das CIE-Normfarbsystem (bekannt durch die CIENormfarbtafel) ist der Versuch der Internationalen
Beleuchtungskommission (CIE - Commission
internationale de l'éclairage), Farben beruhend auf dem
menschlichen Farbwahrnehmungsapparat darzustellen.
 Exakte Definition des CIE-Farbsystem lediglich durch die
ursprünglich experimentell ermittelten relativen
Empfindlichkeiten der drei Farbrezeptoren des
menschlichen Farbwahrnehmungsapparates (der sog.
Normalbeobachter) für jede sichtbare Spektralfarbe. Die
Empfindlichkeitskurven sind von Person zu Person
gewissen Schwankungen unterworfen, als Mittelwerte
jedoch als sog. Normalbeobachter (CIE Standard
Observer) festgelegt.
Die von Helmholtz und Young entwickelte
Dreifarbentheorie besagt, dass im menschlichen
Auge drei verschiedene Farbrezeptoren
vorhanden sind, die ihr Erregungsmaximum bei
einer jeweils genau definierten Spektralfarbe
haben, sodass jeder wahrnehmbare Farbeindruck
mit den dem Maxima entsprechenden
Spektralfarben dargestellt werden kann.
 CIE-genormte Empfindlichkeitskurven der drei
Farbrezeptoren X (rot), Y (grün) und Z (blau)
 Allgemeiner formulierte später Hermann Günther
Graßmann in seinem ersten Graßmannschen
Gesetz, dass jede Farbe durch drei beliebige
Größen – also z. B. durch Helligkeit, Farbton und
Farbsättigung – vollständig dargestellt werden
könne.
 Das Auge kann Farben nur anhand
eingeschränkter Parameter unterscheiden –
Farben mit völlig unterschiedlichen Spektrallinien
(Metamere) erzeugen den gleichen Farbeindruck.
 Dies gilt natürlich nur für den Menschen, bei
anderen Lebewesen kann das völlig anders sein.
 Alle möglichen Farben können nach dieser Theorie in
einem Farbraum dargestellt werden, bei dem die
Koordinaten für jeden Punkt im Raum die Intensitäten der
jeweiligen Farbkomponenten (z. B. Rot, Grün und Blau)
widerspiegeln.
Intensitätsunabhängig können alle möglichen Farbeindrücke
auf einer Fläche F im Raum dargestellt werden, auf der für
jeden Punkt gilt R + G + B = 1.
 Projiziert man diese auf die Fläche B = 0 (f), so ergibt sich eine
einfache Möglichkeit, die Verhältnisse der drei Farbwerte
grafisch darzustellen: Die X- (also R) und Y- (also G)
Komponenten können hier direkt abgelesen werden, die Z- (also
B) Komponente ergibt sich aus B = 1 – R – G.

In der entstandenen Grafik lassen sich nun von einem mittleren Weißpunkt
W aus Farben mit gleichem Farbton aber unterschiedlicher Sättigung der
Farbe p auf einer geraden Linie ablesen. Nach außen begrenzt ist diese
durch die Linie (Schnittpunkt P) der reinen Farben, die nur durch zwei der
drei Primärfarben gemischt werden (Sekundärfarben). Verfolgt man die Linie
in genau entgegengesetzter Richtung von W aus, so erhält man die Linie
der jeweiligen Komplementärfarben – nach außen begrenzt durch die reine
Komplementärfarbe Q.
 Versucht man nun allerdings, alle vorhandenen
Spektralfarben auf die so entstandene Grafik einzutragen
(gestrichelte Linie B-G-R – geschnitten mit unserer Linie in
P'), so wird man – unabhängig vom gewählten
Spektralfarbtrio – feststellen, dass sich die (reinen)
Spektralfarben jeweils außerhalb der möglichen
Komponenten-Verhältnisse befinden!
 Mathematisch betrachtet, ergeben sich negative
Werte für praktisch alle Spektralfarben (außer
natürlich bei den Primärfarben selbst). Um also mit
den drei Primärfarben ein spektrales Cyan (C)' zu
erzeugen, wäre das, mathematisch ausgedrückt,
wie folgt:
– Blau + Grün ≡ spektrales Cyan + etwas Rot
 Wie bei einer mathematischen Formel (mit
normalem Gleichheitszeichen) umgeformt, wäre
also die Formel für ein spektrales Cyan:
– Blau + Grün – etwas Rot ≡ spektrales Cyan
– Blau + Grün – etwas Rot ≡ spektrales Cyan
 Zur Vermeidung negativer Werte wurden bei
der Normfarbtafel einfach theoretische
Grundfarben definiert, die per Definition alle
Spektralfarben umfassen.
1.c Lichtfarben-Farbtemperatur
 Die menschliche Wahrnehmung kann nicht gut
zwischen den verschiedenen Lichtfarben
unterscheiden, da sie sich an die jeweilige
Situation anpasst.
So erscheint uns Sonnenlicht ebenso wie
Glühlampenlicht als weißes Licht. Wird eine
weiße Wand allerdings teilweise von
Sonnenlicht und teilweise von Glühlampenlicht
erhellt, so erscheint das Glühlampenlicht
wesentlich gelblicher als das Sonnenlicht.
 Um die Lichtfarbe einer Lichtquelle zu charakterisieren, hat es
sich daher als zweckmäßig erwiesen, die Temperatur des
schwarzen Strahlers anzugeben, bei der die beiden
Lichtspektren am besten übereinstimmen. Diese
Farbtemperatur wird in Kelvin (°K) angegeben. So entsprechen
3000°K der Lichtfarbe "warmweiß", 4000°K "neutralweiß" und
6500°K tageslichtweiß. 6500°K entsprechen der Lichtfarbe bei
bedecktem Himmel.
Oft ist es üblich, Beleuchtungsverhältnisse durch die
Farbtemperatur in Grad Kelvin und die
Beleuchtungsstärke in Lux zu beschreiben.
1.d Normlichtarten
 Normlichtart A:
x = 0,4476;
y = 0,4074 Glühlampen für
Kinoprojektoren 2854 K
Normlichtart C:
x = 0,3102;
y = 0,3162 blaustichig 6774 K nicht
mehr verwendet
 Normlichtart D65: x = 0,3127;
y = 0,3290 genormtes natürliches
Tageslicht 6500 K
 Normlichtart D50: x = 0,3457;
y = 0,3585 genormtes Mittagslicht
5000 K
 Normlichtart D75: x = 0.299;
y = 0.3149 genormtes
Nordhimmelslicht 7500 K
 Es handelt sich um weiße Lichtarten,
welche durch spezielle Lampen
realisiert sind.
1.e Sonnenlicht
 Die Oberflächentemperatur der Sonne beträgt rund 6000°C, in Kelvin
ausgedrückt ca. 6273°K.
 Entspricht in etwa der Farbtemperatur des Sonnenlichts an einem schönen
Sommertag, wenn die Sonne im Zenit steht. Gegen Abend oder morgens
erscheint das Sonnenlicht rötlicher, die Farbtemperatur liegt somit niedriger.
 Das von einem klarem Himmel ausgehende Licht enthält dagegen weniger
Rotanteile.
Seine Farbtemperatur kann 15000 - 30000°K betragen. Das Licht des
blauen Himmels enthält auch viel UV-Licht.
 Die Beleuchtungsstärke des Sonnenlichts liegt in diesen Breiten im Sommer
bei maximal 100 000 lx, im Winter etwa 20 000 lx; bei bedecktem Himmel
maximal 20 000 lx (Sommer) bzw. 5000 lx (Winter)
1.f Kunstlicht
Glühlampen
Glühlampen sind typische Temperaturstrahler, in denen ein
auf ca. 2600 - 3000°K erhitzter Wolframdraht unter Vakuum
zum Glühen gebracht wird. Der Hauptanteil der
abgegebenen Strahlung liegt dabei im infraroten Bereich.
Die Lebensdauer ungedimmter Glühlampen liegt bei 1000
h. Bei höherer Wendeltemperatur verbessert sich die
Lichtausbeute, verkürzt sich jedoch die Lebensdauer.
 Ein hoher Fülldruck eines möglichst schweren Gases
(Argon, Krypton, Xenon) vermindert die Verdampfungsgeschwindigkeit des Wolframs und damit die
Kolbenschwärzung.
 Lichtausbeute mit 9-19 lm/W insgesamt sehr niedrig.
 Aus Gründen der Energieersparnis sollten häufig
brennende Glühlampen durch andere Lichtquellen ersetzt
werden.
Gasentladungslampe
 Beleuchtungseinrichtung, die über Anregungsprozesse Licht
erzeugt. Durch elektrischen Strom, der durch ein Gas fließt,
werden Gasatome oder -moleküle angeregt:
 Die Elektronen des elektrischen Stroms stoßen die
Hüllenelektronen der Gasatome oder -moleküle, übertragen
dabei Energie auf diese. Wenn diese angeregten Gasteilchen
wieder in ihren ursprünglichen Zustand - den Grundzustand zurückkehren, wird die Energie in Form von Licht
ausgesandt.
 Das Spektrum einer Gasentladungslampe ist kein
kontinuierliches Spektrum, sondern ein Linienspektrum. Die
prinzipiellen Grenzen des Wirkungsgrades einer Glühbirne
werden von Gasentladungslampen um einen Faktor 5-10
überschritten. Als Gasfüllungen kommen beispielsweise
Edelgase (,,Neonröhren“), Quecksilber (,,Leuchtstofflampen“)
oder Metalle (moderne Metalldampflampen) zum Einsatz.
Leuchtstoffröhre
 Die Leuchtstoffröhre ist eine Gasentladungslampe,
die Innen mit einem fluoriszierenden Leuchtstoff
beschichtet, und mit etwas Quecksilberdampf und
einem Edelgas - meist Argon oder eine Mischung aus
Argon und Neon – gefüllt ist.
 An den Rohrenden befinden sich Kathoden aus
Wolframdraht. Beim herkömmlichen Startprozess
erhitzt eine hohe Spannung kurzfristig die Kathoden
so weit, bis sie Elektronen aussenden und dadurch
das Gas elektrisch aufladen (ionisieren). Das
ionisierte Gas wird elektrisch leitend und es kommt
zu einem starken Elektronenfluss durch die Röhre.
 Die Elektronen kollidieren auf ihrem Weg mit den
Quecksilberatomen. Die Quecksilberatome werden
dadurch angeregt und senden bei der Rückkehr in den
Normalzustand daraufhin hauptsächlich UV-B Strahlung
mit der Wellenlänge 254 nm aus. Damit sichtbares Licht
entsteht, wird die UV-Strahlung durch die phosphorhaltigen
Leuchtstoffe auf der Innenseite der Röhre in sichtbares
Licht umgewandelt (Fluoreszenz).
 Ein nicht unerheblicher Teil der UV-Strahlung gelangt durch
die Leuchtstoffschicht und die Glasröhre hindurch nach
außen (typisch: 50 µW/lm UV-A), darunter auch ein kleiner
Teil UV-B Strahlung (ca. 10 µW/lm).
 Leuchtstofflampen sind in den Lichtfarben tageslichtweiß
(>5000 K), neutralweiß (4000 K) und warmweiß (<3300 K)
erhältlich.
 Die Lichtfarbe von Leuchtstofflampen verändert sich im
Laufe der Lebensdauer ins Gelbliche.
 Teilweise wurden neue Leuchtstofflampen vor Gebrauch
1000 h vorgebrannt. Heutzutage nimmt die Lichtleistung
von hochwertigen Leuchtstoffröhren im Laufe ihrer
Lebensdauer nur um ca. 10% ab, bei billigen Qualitäten
u.U. bis 30% und mehr.
Lichtspektren von Leuchtstofflampen
 Der hohe Peak im Bereich Grüngelb ist charakteristisch für
das Lichtspektrum von Leuchtstofflampen. Er beruht auf
dem Emissionsspektrum des in allen Leuchtstoffröhren
enthaltenen Phosphors und zeigt sich besonders
ausgeprägt bei billigen Leuchtstoffröhren. Da er im Bereich
Gelb-Grün liegt, erzeugt er einen starken
Helligkeitseindruck - sorgt für eine hohe Lichtausbeute.
 Zum Fotografieren sind diese billigen Lampen denkbar
ungeeignet - die Bilder werden stark grünstichig. Durch
Mischung mehrerer (3 - 5, bisweilen 7 - 9) Leuchtstoffe und
Gase versuchte man, die Farbwiedergabe zu verbessern.
 Sogenannte Vollspektrum-Leuchtstoffröhren (Osram
Biolux) enthalten neben dem sichtbaren Licht auch einen
extra hohen UV-Anteil.
 Die Lichtausbeute erreicht bei manchen
Leuchtstoffröhren über 100 lm/W, bei Röhren mit sehr
guter Farbwiedergabe liegt sie etwa zwischen 60 und 70.
Die Lebensdauer ist mit bis über 10 000 h sehr hoch. Sie
hängt zum großen Teil davon ab, wie häufig die Röhre
eingeschaltet wird: Durch die hohe Spannung beim
Einschalten verbrauchen sich die Elektroden
vergleichsweise besonders schnell.
 Die Lichtausbeute hängt zudem stark von der
Umgebungstemperatur der Lampe ab. Normalerweise
liefern die Röhren zwischen 20°C und 30°C am meisten
Licht. Außerhalb dieses Bereichs wird der
Quecksilberdruck zu groß oder zu klein. Der Druck in einer
Leuchtstoffröhre liegt normalerweise bei ca. 1/1000
Atmosphären, weshalb Leuchtstoffröhren implodieren und
nicht explodieren.
 Durch den Quecksilberanteil von ca. 0,5 mg pro kg Lampe
gehören verbrauchte Leuchtstoffröhren zum Sondermüll.
Kompaktleuchtstofflampen
 Kompakt-Leuchtstofflampen erschienen etwa 1980 auf
dem Markt als eine energieeffiziente Alternative zu den
herkömmlichen Glühlampen. Sie liefern konzentrierteres
Licht als die Leuchtstoffröhren, das Licht lässt sich
dennoch weit weniger gut bündeln als bei Glühlampen.
 Kompakt-Leuchtstoffröhren sind entweder mit Zwei- oder
Vierstiftsockel (mit oder ohne eingebauten Starter) oder mit
Schraubsockel und integriertem Vorschaltgerät erhältlich.
 Können bei Wechselstrom wie bei Gleichstrom betrieben
werden und eignen sich daher auch für
Notstrombeleuchtung.
 Die Lebensdauer beträgt 8000 - 14 000 h (bei Billigmarken
z.T. weit weniger). Die Helligkeit nimmt im Laufe der
Lebenszeit etwas ab, auf ca. 87% nach 8000 h.
 Die Lichtausbeute liegt etwas niedriger als bei langen
Leuchtstoffröhren.
Leuchtdioden
Leuchtdioden sind keine
Temperaturstrahler. Sie
emittieren nahezu
monochromatisches Licht
in einem begrenzten
Spektralbereich. Deshalb
ist z. B. der Einsatz in
Signalanlagen im
Vergleich zu anderen
Lichtquellen, bei denen
Farbfilter den größten Teil
des Spektrums
herausfiltern, besonders
effektiv.
 LEDs produzieren Licht auf ganz andere Weise: Auf einem
Halbleiterchip sind eine p- und n-dotierte Zone angeordnet.
Die p-Zone wird von positiven Ladungen, die n-Zone von
negativen Ladungen dominiert.
 Die beiden Zonen sind durch eine Barriere getrennt, die
erst ab einer gewissen Spannung Elektronen von der nzur p-Zone fließen lässt. Ab einer gewissen Spannung
besitzen die Elektronen in der n-Zone genügend Energie,
um die Barriere zu überwinden.
 In der p-Region angekommen, verbinden sich die
Elektronen mit den positiven Ladungen. Hierbei wird
Energie frei, die in Form von elektromagnetischer
Strahlung abgegeben wird.
 Die Wellenlänge dieser Strahlung ist charakteristisch für
das Halbleitermaterial (Gallium, Arsen, Phosphor...). Jedes
Material kann nur Strahlung in einem engen
Wellenlängenbereich abgeben.
 Verschiedenfarbige LEDs sind aus verschiedenen
Materialien hergestellt
 Da praktisch keine Energie in Form von Wärme
und UV-Strahlung abgegeben wird, sind LEDs
weitaus effizienter als Glühlampen. Die
Lichtausbeute ist in den letzten Jahren stark
verbessert worden.
 Die Lebensdauer beträgt 100 000 h und mehr.
 Weiße LEDs: Um weißes Licht zu erzeugen, werden blaue
LEDs (465 - 480 nm) mit speziellen Lumineszenzkappen
versehen, welche das blaue Licht großenteils in weißes Licht
umwandeln. Aufgrund der speziellen Sensibilität des
menschlichen Auges für den Gelb/Grünbereich nimmt die
Helligkeit hierdurch auf das Zweieinhalbfache zu.
 Die Dicke der Lumineszenzkappe ist entscheidend für den
Farbton: ist sie zu dick, entsteht ein Gelbstich, ist sie zu dünn
ein Blaustich.
 Die typische Farbtemperatur liegt bei 8000 K, bei teuren auch
4700 K.
 Auch durch spezielle Gelbfilter lässt sich die Farbtemperatur
von 8000 K auf 3500 K vermindern und somit dem
Halogenlicht angleichen.
2. Bildverarbeitung
2.a.Pixelgrafik:
 Beobachtung:
Realistische Bilder können aus einzelnen Punkten
zusammengesetzt werden, ohne dass unser Auge den
Wechsel zwischen den einzelnen Punkten wahrnimmt
(Zeitungsbilder, Photos).
Voraussetzung:
Die Punkte müssen zahlreich und recht klein sein.
 Auf diesem Prinzip basieren auch alle Pixelgraphiken.
Diese Bildpunkte nennt man bei digitalen Bildern „Pixel“.
Pix’ steht für ‘picture’, und ‘el’ für ‘element’.
 Besteht aus einer Vielzahl
einzelner Bildpunkte
(Plakatwand)
 Jeder Bildpunkt besitzt eine
Farbinformation
 Linie = Aneinanderreihung
von Bildpunkten
 Kleinere Pixel – mehr für
Darstellung eines Bildes
benötigt – mehr Details
 Nachträgliche Vergrößerung Unschärfe
Vgl. Bild digitalisieren – sehr feines Drahtgitter über Bild legen,
Helligkeit und Farbe jedes Loches ermitteln und in korrekter
Reihenfolge in riesige Liste eintragen
Wie viele Bildpunkte braucht man,
um ein Bild zu beschreiben?
 Grundsätzlich: je mehr Punkte je besser.
 Allerdings nur, bis trotz erhöhter Pixelanzahl
keine extra Details hinzukommen.
 Eine Grenze stellt auch die Auflösung des
Monitors dar.
Unterscheide:
– Monitor Pixel: hat bestimmte physische Größe, die
sich durch das Lochraster der Röhre ergibt.
– Bild-Pixel: hat beliebige Größe.
Es ist einfach eine mathematische Definition, die der
Benutzer festlegen kann.
Die Größe und die Anzahl der Bildelemte hängt von
der Größe und/oder vom Betrachtungsabstand ab.
Pixelanzahl
 Die kleinst mögliche Pixelanzahl um ein Bild
zu beschreiben ist 1.
-> Größe des Bildes, dessen Durchschnittsfarbe
und Durchschnittshelligkeit.
 Bild - Pixel
Pixelanzahl
 Mehr Details – mehr Pixel
 Nehmen wir nun einmal ein Gitter mit 2x2
Quadraten an.

Bild 2x2:
2x2 Pixel
(insgesamt4)
 Nun wird wieder der Durchschnittswert für Farbe
und Helligkeit ermittelt. Unterschiede in der Farbe
und der Helligkeit erkennbar - Aber nicht mehr.
Pixelanzahl
Bei 32x32 (gesamt 1024) Pixel: man kann das Bild bereits
erahnen.
Pixelgesamtanzahl steigt sehr schnell (wichtig für Speicherbedarf)
steigende Pixelzahl -> steigende Auflösung.
Ab einer bestimmten Pixelanzahl bringt eine weitere Erhöhung der
Anzahl keine Verbesserung mehr. Dies liegt an der festgelegten
Pixelgröße des Monitors. Sind die Bildpixel kleiner als die
Bildschirmpixel so können sie einfach nicht mehr so klein
dargestellt werden. Es hätte also nur Sinn die Pixelanzahl weiter
zu vergrößern, wenn man später ins Bild hineinzoomen möchte.
Verkleinerung
Verkleinert man ein bestehendes Bild, wäre es
folglich unsinnig die Pixelanzahl beizubehalten. Sie
kann mit Verkleinerung des Bildes proportional mit
verringert werden, ohne dass es bemerkt wird.
Bilder 256x256, 128x128, 64x64
2.b Antialiasing
 Antialiasing bei der Ausgabe auf ein Rastermedium wie dem
Bildschirm nennt man auch Treppeneffektglättung oder
Kantenglättung.
 Entstehung von Aliasing
Weder Monitor noch Drucker, können unendlich fein auflösen.
Das kleinste darstellbare Element ist ein Pixel.
Ohne Antialiasing wird diesem Pixel nur diejenige Farbe
zugewiesen, die an dessen Position liegt. Alle Informationen,
die sich in der Nähe des Pixels befinden, werden unterschlagen.
Nicht nur im Pixelraster nicht mehr darstellbare Informationen
werden weggelassen, sondern die dargestellten Informationen
zusätzlich verfälscht.
 Beim Antialiasing von Vektorgrafiken berücksichtigt man,
inwieweit die in der Nähe der Grafik liegenden Pixel von der
Grafik beeinflusst werden und gibt ihnen einen entsprechend
gewichteten Farbwert.
 Je mehr von einem über dem Pixel zentrierten Glättungskern
durch die Grafik abgedeckt wird, desto mehr wird das Pixel mit
deren Farbe eingefärbt.
 Sampleanzahl
– Ein Sample ist ein in der Nähe des eigentlichen Pixels
gelegener Punkt.
– Sobald man die Anzahl der Samples pro Pixel erhöht, spricht
man von Antialiasing.
– Prinzipiell kann man Kanten um so besser glätten, je mehr
Samples man benutzt.
 Full-Screen Antialiasing (FSAA) und Fragment Antialiasing (FAA)
– Während bei FSAA der Antialiasing-Algorithmus auf das
gesamte Bild angewendet wird, analysiert FAA das Bild
zunächst darauf, wo Polygonkanten entstehen; danach wird
nur auf diese Bereiche Antialiasing angewendet.
– Vorteile FSAA vs. FAA: einfach zu implementieren
– Nachteile FSAA vs. FAA: kostet wesentlich mehr
Performance
– Nachteile FAA vs. FSAA: muss vom Grafikchip
unterstützt werden, kostet Rechenlogik
2.c. Vektorgrafik
 Eine Vektorgrafik
beschreibt ein Bild durch
mathematische Funktionen
in einem 2- oder 3dimensionalen
Koordinatensystem. Vektoren
definieren Linien, Kurven
oder Flächen, anders als eine
Pixelgrafik, die Bildpunkte
speichert.
 Ausschnittsvergrößerungen
 Um beispielsweise das Bild eines Kreises zu speichern,
benötigt eine Vektorgrafik vier Werte: die Lage des
Kreismittelpunkts, den Kreisdurchmesser, die Farbe der
Kreislinie und ihre Strichstärke.
 Vektorgrafiken können im Gegensatz zu Pixelgrafiken ohne
Qualitätsverlust stufenlos skaliert und verzerrt werden.
Außerdem bleiben bei Vektorgrafiken die Eigenschaften
einzelner Linien, Kurven oder Flächen erhalten und können
auch nachträglich noch verändert werden.
 Vektorgrafiken sind ungeeignet für die Darstellung von
komplizierten Bildern wie Fotos, da diese sich kaum
mathematisch modellieren lassen. Im Extremfall müsste
jeder Bildpunkt durch eine Fläche wie etwa ein Quadrat
modelliert werden, wodurch der Nutzen der Vektorgrafik
verloren ginge.
2.d Schriftarten
 Bei Computern gibt es verschiedene Techniken
zur Darstellung von Schriften:
 Rasterschriften oder Bitmap-Schriften (Rasteroder Pixelfonts), bei denen jeder Bildpunkt eines
Zeichens einzeln festgelegt ist.
 Vektorschriften (Vektorfonts), bei denen die
Darstellung der Zeichen durch Angabe von
Vektoren für deren Umrisse erfolgt.
 Heute wird das Wort Vektorschrift oft als Synonym
für Outline-Schrift verwendet. In einer OutlineSchrift besteht nicht das Zeichen selbst aus
(einfachen) Vektoren, sondern es wird der Umriss
(outline) des Zeichens als Ansammlung komplexer
Vektoren beschrieben. Neben Geraden und Bögen
zählen dazu Bézierkurven.
 Im Gegensatz zu Bitmap-Schriften sind
Vektorschriften unabhängig von der Auflösung des
Ausgabegerätes definiert und können ohne
Qualitätsverluste beliebig skaliert ausgegeben
werden. Weil die Ausgabe meist in Form von
Pixeln erfolgt, ist eine Umrechnung nötig und nur
eine näherungsweise Ausgabe möglich, die bei
einer nur wenige Pixel großen Ausgabe Probleme
verursachen kann.
 Bekannte Outline-Schriften sind TrueType-,
PostScript- und OpenType-Schriften.
 In Grenzen ist es auch möglich, neue Schriftgrade
und Schriftstile (fett, kursiv) durch reine
Umrechnung der Vektordaten zu erhalten, für
professionelle Zwecke werden aber üblicherweise
eigens angefertigte Schriftschnitte eingesetzt.
Truetype
 True Type ist ein
Schriftdarstellungsstandard
für Bildschirm und Druck
(TrueType en. „echte Schrift“
bzw. „echter Buchstabe“).
 TrueType-Schriften gehören
zu den Outline-Schriften. Sie
werden nach dem Prinzip
einer Vektorgrafik aus
Konturen aufgebaut.
 Die Dateierweiterung für
TrueType unter Windows ist
.ttf. Die Schriftartdateien
befinden sich unter Windows
im Ordner
C:\WINDOWS\FONTS
Metafont
 METAFONT ist eine abstrakte Beschreibungssprache zur
Definition von Vektorschriften. METAFONT ist speziell
entworfen, um TeX zu unterstützen, und ist deshalb auch
Teil vieler TeX-Distributionen.
 Die Form der Buchstaben wird in METAFONT über
geometrische Gleichungen definiert. Anders als die
verbreiteteren Outline-Schriften, besteht ein METAFONTFont hauptsächlich aus Strichen von „Stiften“ bestimmter
Breite, zusammen mit gefüllten Flächen.
 METAFONT unterscheidet sich von anderen Systemen
durch die Variabilität der Fonts durch wenige Parameter
wie Seitenverhältnis, Neigung, Strichstärke, Serifengröße.
So kann durch Veränderung von relativ abstrakten
Parametern an einer Stelle in der METAFONT-Datei eine in
der ganzen Schrift konsistente Änderung im Aussehen
erreicht werden.
1:
2:
3:
4:
5:
6:





beginlogochar("F",14);
x1=x2=x3=leftstemloc;
x4=w-x1+ho; x5=x4-xgap;
y2=y5; y3=y4; bot y1=-o;
top y3=h; y2=barheight;
draw z1--z3--z4; draw z2--z5; 7: labels(1,2,3,4,5); endchar;
Die x-Koordinaten und y-Koordinaten können einzeln bestimmt
werden.
Zeile 1: definiert neues Zeichen mit dem Namen F und dem
Zeichenkode 14.
In der 2. Zeile werden die x-Positionen der Punkte 1, 2 und 3
auf leftstemloc gesetzt, einen Wert, der die Position des linken
Striches angibt.
Die Zeile 3 definiert x4 so, dass er abgesehen vom over-shot
den gleichen Abstand vom rechten Rand (spezifiziert durch w)
hat, wie ihn Punkt 1 vom linken Rand hat.
In Zeile 6 werden letztendlich die Punkte 1, 3 und 4 durch
gerade Linien (der linke und obere Strich vom F) verbunden
und der kleine waagerechte Strich in der Mitte durch Verbinden
der Punkte 2 und 5 gezeichnet.
Pixelgrafik - Vektorgrafik
 Jedes einzelne Pixel
kann bearbeitet werden.
 Größe und Position der
einzelnen Monitorpixel
können nicht verändert
werden.
 Beim Vergrößern der
Pixelgrafiken ist ein
Qualitätsverlust zu
befürchten.
 Pixelgrafiken haben
einen hohen
Speicherbedarf
Es kann nur das gesamte
Objekt bearbeitet werden.
Größe, Form und Position der
Objekte können ohne Qualitäts
- verlust verändert werden.
 Beim Vergrößern von
Vektorobjekten ist ein
Qualitätsverlust nicht zu
befürchten.
Vergleichbare Vektorgrafiken
haben einen deutlich
niedrigeren Speicherbedarf.
2.e Graustufen:
 Die Zahl der Abstufungen
zwischen Grau und Weiß genau
definiert sein, um jedem
Bildpunkt genau einen
definierten Wert zuzuweisen.
 Wie viele Abstufungen braucht
man, um ein Bild sinnvoll
darzustellen?
Das hängt von dem Bild selbst
ab. Handelt es sich bei dem Bild
um eine SW-Zeichnung usw....
 Was ist aber bei einem Foto?
Hier wird das Bild durch 8
verschiedene Abstufungen
beschrieben.
 8 Graustufen:
 Weiß, Schwarz und 6 Abstufungen von Grau
-> das Foto sieht gemustert aus
->8 Abstufungen also eindeutig zu wenig.
 Wieviele braucht man aber wirklich.
Tests -> das menschliche Auge kann ca. 200 Abstufungen
einschließlich S&W erkennen.
 Bei den Bildern werden 256 verwendet.
 Grund: Mit 7 Bit ->128 Werte darstellbar.
Mit 8 Bit (ein Byte) -> schon 256 Möglichkeiten
vorhanden.
Warum sollte man also nur 200 verwenden?
Das 2 Bit Bild
 Mit 2 Bits wären dann
4 Töne möglich. (Weiß,
Hellgrau, Dunkelgrau,
Schwarz)
Bittiefe und Grautöne:
 3 Bit:
4 Bit:
5 Bit:
6 Bit:
7 Bit:
8 Bit:
8 Töne
16 Töne
32 Töne
64 Töne
128 Töne
256 Töne
8-Bit Bild
24-Bit Farben:
 Natürlich ist es auch möglich digitale Fotos in Farbe
darzustellen.
 mehr Information -> mehr Bits (und damit Speicherplatz)
 8 Bit (256 Grautöne) ausreichend, um Schwarzweißbilder zu
beschreiben.
 Farbbild setzt sich aus den 3 Primärfarben Rot, Grün und
Blau zusammen – additive Farbmischung ->alle anderen
Farben.
 Für jede der 3 Primärfarben werden 8 Bit benötigt.
->24 Bit nötig um Echtfarbenbild zu charakterisieren.
Die Anzahl der möglichen Farben ist daher:
2^24=16.777.213 Farben = 256*256*256
 Alle Primärfarben zusammen ergeben Weiß.
Schwarz entsteht, wenn keine der Primärfarben enthalten ist.
2.f Dateiformate
 Formate:
 TIFF: (Tagged Image File Format)
Druckgeeignet, lizenzpflichtig, wird von fast allen
Softwarepaketen unterstützt.
 BMP: (Bitmap)
unkomprimiertes Pixelformat, nicht für große oder
hochauflösende Bilder geeignet
 GIF: (Graphics Interchange Format)
Webgeeignet, komprimiertes Format, Problem: max.
Farbtiefe von 8 Bit = 256 Farben
 JPEG: (Joint Photographic Experts Group)
für maximale Bildkompression entwickelt
Vektorgrafikformate
 .ps PostScript
 .svg Scalable Vector Graphics
(Im World Wide Web verwendet)
 .wmf Windows Metafile
 .eps Encapsulated Postscript (EPS)
 .dxf Drawing Interchange Format
(Auch für 3D-Modelle geeignet)
2.g Verlustfreie Kompression
LZW (Lempel, Ziv &
Welch)
 lizenzpflichtig (Patent
von Unisys)
 viele Varianten, auch
lizenzfreie (png)
 erstellt ein Wörterbuch
der enthaltenen
Zeichenketten, das
nicht mitgespeichert
wird; setzt das Bild aus
den Indizes zusammen
- geeignet auch für
komplexe Bilder
Verlustfreie Kompression
 RLE (Run Length
Encoding)
 fasst aufeinanderfolgende Werte
zusammen
 geeignet für simple
Zeichenfolgen
Verlustfreie Kompression
 Huffman: arbeitet mit einem fest vereinbarten
Wörterbuch
Weist den am häufigsten vorkommenden Zeichen
die kürzesten Codes zu.
 ZIP: Dateiformat zur komprimierten Archivierung
von Dateien (Endung .zip)
Speicherung mehrerer Dateien in einer
Archivdatei, einzelne Dekomprimierung und
einzelnes Löschen möglich.
2.h Verlustbehaftete Kompression JPEG
 Das wichtigste verlustbehaftete
Kompressionsverfahren heißt JPEG:
 Idee: menschliches Auge sieht Farbinformationen
nicht differenziert
 Bildinformationen als YCC (Helligkeit+Farbton) =>
Farbinformationen weglassen,
 kleine Unterschiede ignorieren (verlustfrei,
Toleranz einstellbar)
 integriert verlustfreie Verfahren RLE und Huffman
Andere verlustbehaftete Verfahren arbeiten mit
Farbreduktion (GIF, PNG).
2.i JPEG oder GIF
 Fotos
 meist hohe Anzahl von verschiedenen Farben:
 GIF-Format: Farbtabelle, kann höchstens 256 Farben
aufnehmen.
->Datenmenge kann nur durch die Reduzierung der Farben
verringert werden
->256 Farben sind häufig zu wenig für ein ansprechendes
Foto.
 JPEG speichert mehr Farbinformationen ab, wodurch eine
hohe Farbanzahl gewährleistet werden kann.
Die eingebaute flexible Komprimierung ermöglicht
zusätzlich eine Reduzierung der Dateigröße, ohne große
Einschnitte in der Qualität zu machen.
Beispielphoto
 Als Beispiel hier ein Foto mit einem blauen Himmel:
 JPEG ( 200 x 270 Pixel ) 11.9 KBGIF (200 x 270 Pixel )
14,8 KB
Logos und Texte
Die meisten Logos sind aus wenigen flächigen Farben und
Schrift in Form von Buchstaben oder Worten aufgebaut.
Solche Grafiken sind der optimale Einsatz für GIFs.
->sehr kleine Dateigröße, Logo wird schnell geladen und
erscheint als erstes
->Transparenz-Effekt von dem GIF-Format
(Transparenz bedeutet, daß der weiße Hintergrund von
diesem Logo durchsichtig wäre und die Schrift auch auf
einem schwarzen Hintergrund gut zu sehen wäre).
Wenn es um die Darstellung von Texten als Bild geht, ist das
GIF-Format eindeutig die bessere Wahl. Das liegt daran,
das GIF die scharfen Kanten der Buchstaben klarer
darstellen kann, als das JPEG-Format.
Vielen Dank für die
Aufmerksamkeit

10-Putzer_Aus_dem_Alltag