(Text, Bilder und Grafiken von Henning Wiekhorst - März 2024)
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Fotoschule Teil 3: Bildtechnik
Eingrenzung der Bildtechnik
Je nach Betrachtungsweise kann die Bildtechnik als Oberbegriff das Fotografieren, die Kamera und das Objektiv inkludieren. - Das alles sind wesentliche Bestandteile deren kontrolliertes Zusammenspiel Bilder generiert. Diese Bilder werden als Dateien auf der Speicherkarte einer Kamera oder einem Computer abgelegt. Als Bildtechnik sei an dieser Stelle die Sichtbar-Machung digitaler Bilder verstanden. Wir reden folglich über die Darstellung von Bildern auf elektronischen Bildschirmen, Displays und Monitoren sowie über das Ausdrucken von Bildern auf Papier mittels eines Druckers, der die entsprechende Datei empfangen und verarbeiten kann. Der Kunstmaler, der aus seiner Vorstellung und Fantasie heraus ein Bild mit Pinsel und Farbe zu Papier bringt, ist nicht gemeint.
Wohl fast jeder hat eine Vorstellung davon, was ein Bildpunkt und ein Pixel ist. Trotzdem wird hierüber immer wieder diskutiert, wobei viele Missverständnisse entstehen.
Reden wir daher zunächst über grundlegendes der Bildtechnik:
Pixel, Bildpunkt und Bildmaße
Betrachten wir ein gedrucktes Foto mit einer Lupe hinreichender Vergrößerung, so erkennen wir, dass das Bild aus vielen einzelnen, kleinen und runden Punkten besteht. Den einzelnen Punkt bezeichnen wir als Bildpunkt, oder im Englischen auch als „Dot“.
Sitzen wir am PC und betrachten ein Foto auf dem Bildschirm, wobei wir die Ansicht immer weiter vergrößern, also hinein zoomen, so werden wir feststellen, dass das Bild sich aus einer Vielzahl kleiner quadratischer Felder, den Pixeln, zusammen setzt.
Der Begriff Pixel entstammt dem Englischen „picture element“, woraus sich umgangssprachlich das Wort „Pixel“ entwickelt hat. Als Pixel wird in der Bildtechnik das kleinste, darstellbare Element eines auf elektronischen Bildschirmen, Monitoren oder Displays dargestellten Bildes bezeichnet. Das Pixel wird oft ebenfalls als Bildpunkt bezeichnet.
Sofern es sich nicht um eine Vektorgrafik handelt, baut jedes elektronische Bild auf einem Raster auf, mit meist quadratischen Rasterzellen oder -feldern. In der Drucktechnik ist die Rasterzelle der Ort, an dem z.B. der Tintenstrahldrucker – beim Schwarz-Weiß-Druck – einen Tropfen Tinte setzt, wodurch ein runder Bildpunkt auf dem Papier entsteht. Wird ein großer Tropfen gesetzt, entsteht ein intensiverer Eindruck als bei einem kleinen Tropfen. Ein Pixel als Bildpunkt zu bezeichnen ist zwar nicht falsch aber ein wenig irreführend. Allgemein wird mit einem Punkt eine runde Form assoziiert. Der Bildpunkt eines Druckes entspricht dem, das Pixel nicht.
Das Raster ist meistens regelmäßig, was bedeutet, die Breite einer jeden Zelle ist gleich ihrer Höhe. Haben wir Kenntnis darüber wieviel Rasterzellen sich auf der Breite eines Bildes aneinanderreihen und wieviele solcher Zeilen die Höhe bestimmen, wissen wir auch die Gesamtzahl der Rasterfelder bzw. der Pixel oder Bildpunkte, in die sich das Bild auflösen lässt.
Die allgemein gebräuchliche Angabe der Auflösung in der Bildtechnik ist die Anzahl der Punkte, die sich auf der Länge von 1 Inch (= 1 Zoll = 25,4 mm) aneinander reihen. Wir sprechen von „Dots per Inch“, abgekürzt als „dpi“. Bei digitalen bzw. elektronischen Bildern ist aber ppi =„Pixel per Inch“ zutreffender. Je höher die Zahl der Punkte bzw. Pixel, umso höher oder feiner ist die Auflösung!
Das digitale Maß für die Gesamt-Größe eines Bildes ist die Zahl der Pixel in der Breite x die Pixel in der Höhe, also z.B. 6240 x 4160 px.
Im obigen Bild sehen wir zwei vergrösserte Darstellungen des Buchstaben „A“. Das eine Bild hat 16 x 16 px und das andere ist mit 32 x 32 px belegt. Das geometrische Maß beider Bilder ist mit 1×1 Inch bzw. mit 25,4 x 25,4 mm gleich. Der Unterschied liegt in der Auflösung und damit verbunden in der Pixel-Grösse. Der einzelne Bildpunkt ist im 32 dpi Bild nur halb so groß wie in dem mit 16 dpi.
Die Größe eines Pixel ist also abhängig von der gegebenen bzw. gewünschten Auflösung. Nur wenn diese bekannt ist, können Breite und Höhe eines Bildes berechnet werden ( 1 Inch = 25,4 mm):
- Bei 72 ppi ist ein Pixel 0,36 mm breit wie hoch
- Bei 120 ppi ist ein Pixel 0,21 mm breit wie hoch
- Bei 300 ppi ist ein Pixel 0,08 mm breit wie hoch
Ein Bild mit 6240 x 4160 px hat bei der jeweiligen Auflösung folgende Abmessungen in mm:
- Bei 72 ppi: 2246 x 1498 mm
- Bei 120 ppi: 1310 x 874 mm
- Bei 300 ppi: 499 x 333 mm
Je kleiner die Pixel, je größer die Auflösung und je weniger Stufen sehen wir. Es ist in der Bildtechnik bekannt, dass die Mindest-Auflösung, also die, bei der wir das „A“ aus einem Betrachtungsabstand von 30 cm ohne „Pixel-Stufen“ sehen würden, bei 72 ppi liegt. D.h., das einzelne Pixel sollte nicht größer als 0,36 mm in seiner Höhe als auch Breite sein.
Der wichtigste Unterschied zwischen Pixel und Bildpunkt aber ist der, dass das Pixel ein aktiv funktionierender Baustein einer Kamera oder Bildschirms ist, während der gedruckte Bildpunkt nichts weiter ist, als ein winziger Fleck Farbe.
Wird ein gedrucktes Foto im Dunkeln betrachtet, ist nicht viel zu sehen. Im Gegensatz dazu steht der aus vielen Pixel bestehende Bildschirm, der leuchtet und alles ist sichtbar!
Das Pixel leuchtet also und ist somit ein aktives Element der Bildtechnik. Wie aber generiert es Farben?
Dioden, Pixel und Farbe:
Beginnen wir mit der Erstellung eines Bildes mittels einer digitalen Foto-Kamera. Hier wird das von einem Motiv reflektierte Licht auf einem aufzeichnenden Sensor fokussiert. Der Sensor besteht aus einer Anzahl von rasterförmig angeordneten Dioden-Plätzen, den Pixeln bzw. Rasterzellen. In den Pixeln befinden sich Dioden zur Erfassung der einfallenden Lichtmenge.
Zur besseren Veranschaulichung der Bildtechnik stelle man sich die Diode als Becher vor und das Licht als Wasser, das für einen kurzen Moment, der Belichtungszeit, eingegossen wird. Nach dem Eingießen wird der Füllstand gemessen. Um dem binären Zahlensystem der Computertechnik gerecht zu werden, ist die Diode mit 8 Bit = 1 Byte belegt. Ein Byte kennt 256 Zahlen bzw. Zustände. Ist das Glas trocken, so entspricht dieses dem Zahlenwert 0 (Null) und einem Füllstand von 0%, was Schwarz darstellt. Die 100% Füllung entspricht der Zahl 256 und somit der höchst messbaren Lichtintensität. Dieser Zustand stellt Weiß dar. Für reine Schwarz-Weiß-Bilder wäre eine Diode ausreichend, nicht aber für eine farbige Darstellung!
Das für Menschen sichtbare, natürliche Lichtspektrum besteht aus drei Grundfarben, Rot, Grün und Blau, aus denen sich alle anderen Farben mischen lassen. In der Bildtechnik wird vom RGB-Farbraum gesprochen.
Dioden können keine Farben unterscheiden, sondern nur Lichtmengen messen. Lässt man aber das Licht vor der Diode durch einen Filter passieren, der alle Lichtwellen blockiert, bis auf die einer einzigen Farbe, wird die Diode eben nur die Lichtmenge genau dieser einen Farbe empfangen.
Zur Darstellung von Farben brauchen wir in der Bildtechnik folglich drei, mit Filter bestückte Dioden in einem Pixel. De facto besitzt aber jedes Pixel der Bildtechnik vier Dioden, eine für Rot, eine für Blau und zwei für Grün. Dieses ist der sehr empfindlichen Wahrnehmung von Grün durch das menschliche Auge geschuldet, derer mit einem sehr klaren Signal begegnet werden kann. Die beiden grünen Dioden geben ihr Signal aber in ein und demselben Ausgangskanal weiter.
Ein Pixel besteht also aus vier Dioden – oftmals werden diese auch als Sub-Pixel erwähnt – und drei Ausgangskanälen, welche direkt in einem Prozessor zur Bild-Datei verarbeitet werden.
Wie bereits erwähnt, kennt jede der Dioden 256 Zustände bzw. Farbabstufungen, die mit denen der zwei anderen Dioden „gemischt“ werden. Somit ergeben sich in der gängigen Bildtechnik aus 256 x 256 x 256 möglichen Kombinationen ca. 16,7 Millionen darstellbare Farben des RGB-Farbspektrums.
Das System der RGB-Farben ist ein additives. Der Grundzustand eines Pixels ist, dass kein Licht gemessen wird, also 0 (Null), was Schwarz entspricht. Erst wenn die einzelnen Dioden Licht empfangen, werden diese Werte entsprechend addiert, wodurch die Farben entstehen. Messen alle Dioden 100%, entsteht Weiß.
(Finden Sie hier RGB-Farben und ihre Codes)
Will man ein Bild auf weißem Papier drucken, kehrt sich das benötigte Farbsystem dahingehend um, als dass weiße Flächen bzw. Bild-Elemente keinen Farbauftrag bekommen, schwarze Elemente hingegen entsprechend gedruckt werden müssen. Weiß bedeutet die gebündelte Reflektion aller Lichtfarben. Um hieraus eine bestimmte Farbe zu zeigen, muss dafür gesorgt werden, dass nur deren Lichtwellenlänge reflektiert wird. Alle anderen Lichtwellen werden aus dem weißen Licht herausgefiltert. Dieses entspricht einer Subtraktion!
Der Farbdruck benötigt somit ein anderes Farbsystem. Eines, in dem es kein Weiß gibt und die Mischung aller Farben Schwarz ergibt. Dieses kann mit den Farben Cyan, Magenta, Gelb (Yellow) geschehen. Diese drei Farben sind nichts anderes als die Mischungen jeweils zweier der Grundfarben des RGB-Systems. Werden alle drei Farben gemischt, entsteht allerdings kein reines Schwarz, sondern ein äusserst dunkles Braun. Um diesem zu begegnen wird dem System das reine Schwarz als Schlüssel- bzw. Key-Farbe hinzugefügt. Die Bildtechnik spricht vom CMYK-Farbraum.
Will der Digital-Fotograf ein RGB-Foto drucken lassen, so muss dieses in ein CMYK-Bild umgewandelt werden. In aller Regel macht ein Laser- oder Tintenstrahldrucker dieses automatisch oder man bedient sich einer Bildbearbeitungs-Software.
Im nächsten Kapitel der Bildtechnik erfahren Sie u.a. Mindest-Pixel-Zahlen für Bildschirme, was hoffentlich eine Hilfe beim Kauf Ihres nächsten Bildschirms ist.
Pixel und Auflösung:
Mache ich mit meiner digitalen Spiegelreflex-Kamera ein Foto in maximaler Auflösung, so entsteht ein Bild mit 5472 x 3648 px was 19.961.856 px auf der Fläche des Sensors ergibt. es handelt sich also um eine Kamera mit 20 MP (Mega-Pixel). Der Sensor ist ein APS-C, 23 x 15 mm = 345 mm 2 .
Die weitere Berechnung ergibt, dass das gemachte Foto eine Auflösung von 6043 dpi hat und, dass 1 Pixel die Größe von 0,004 x 0,004 mm hat – 1 px hat eine Kantenlänge von 4 Mikrometern.
Eine andere Kamera desselben Herstellers besitzt einen Vollformat-Sensor der Fläche 36 x 25 mm = 900 mm 2 und hat 26 MP. Die Kamera produziert Bilder mit 6240 x 4160 px, woraus sich nun eine Auflösung von 4233 dpi und die Kantenlänge für 1 Pixel von 6 Mikrometern ergibt.
Wir stellen fest, dass die beiden Kameras unterschiedliche Pixel-Grössen und verschieden hohe Auflösungen der Sensoren haben.
Die mit der Kamera erzeugte Bild-Datei nützt uns nichts, wenn wir diese nicht sichtbar machen können. Hierzu benötigen wir einen Computer oder Prozessor, der die Bild-Datei lesen kann und entsprechend entweder einen Bildschirm ansteuert oder einem Drucker sagt, welchen Punkt mit welcher Farbe er wo auf einem Blatt Papier aufbringen soll. Dieses ist der Kern der hier behandelten Bildtechnik!
Ein Bildschirm basiert ebenfalls auf einem Pixel-Raster und hat genauso Dioden, vier Stück pro Pixel, wie der Sensor einer Kamera – nur dass diese nicht einfallendes Licht messen, sondern entsprechend den Daten aus z.B. einer Bilddatei Licht emittieren, d.h. sie leuchten!
Wenn wir es mit einem Raster zu tun haben, gibt es auch, wie zuvor schon beschrieben, eine Auflösung. Sie ahnen es schon, je nach Bildschirm gibt es vielzählige Auflösungen und Pixel-Größen, und die stimmen nicht mit denen einer Bild-Datei überein. Hieraus folgt, dass der Computer, Prozessor oder sagen wir einfach „der Rechner“ Anpassungen aufgrund vorgegebener Algorithmen verarbeitet. Diese Datenverarbeitung der Bildtechnik ist zwar von entscheidender Bedeutung für die Qualität der Bild- und Farb-Darstellung, wird aber an dieser Stelle nicht weiter behandelt!
Fragen wir uns lieber, wie fein muss eine Auflösung sein, damit wir ein Foto scharf und ohne „Pixel-Stufen“ wahrnehmen können? Ein Einflussfaktor hierzu ist der Betrachtungsabstand.
Gehen wir einmal von 30 cm aus. Das ist die wahrscheinlichste Distanz, wenn wir vor einem PC-Bildschirm sitzen oder etwa ein gedrucktes Foto betrachten bzw. einen Text lesen.
Das Bild oben zeigt den Großbuchstaben „A“ in drei Auflösungen. Jedes „A“ ist für sich ein Einzelbild im JPEG-Format, dessen Datei-Grösse in KB (Kilo-Byte) angegeben ist. Je mehr Pixel ein Bild hat, je mehr Daten beinhaltet die Datei. Somit ist in der Bildtechnik die Datei-Grösse u.a. abhängig von der Auflösung!
Im Web-Publishing beeinflusst die Datei-Größe eines Bildes die Lade-Geschwindigkeit einer Webseite. Deshalb gilt es generell Dateien möglichst klein zu halten.
Aus 30 cm Abstand erscheinen die 32 ppi als unscharf. Bei 72 ppi sehen wir ein annehmbar scharfes Bild bei dem keine „Pixel-Stufen“ mehr erkennbar sind. Die 120 ppi bewirken dennoch eine bessere Klarheit des Bildes.
Betrachtet man das Bild aus einem Abstand von 2 m, so wirken auch die 32 ppi fast akzeptable.
Hieraus folgere ich, dass wir für ein Bild bei dem keine Pixel oder Bildpunkte mehr erkennbar sind und somit eine halbwegs scharfe Darstellung gegeben ist, wir eine Auflösung von mindestens 72 ppi brauchen. Das gilt für die Bilderzeugung wie auch für die Ausgabemedien, also Bildschirme, Monitore, Displays und Drucke bei einem Betrachtungsabstand von 30 cm.
Möchte ich etwa ein Großflächenplakat für Werbezwecke an einer Hausfassade drucken, kann ich davon ausgehen, dass der Betrachter mindestens 5 m entfernt ist. Somit ist eine Auflösung von 32 ppi in so einem Fall absolut ausreichend.
Die zuvor erwähnten Kameras liefern folglich eine 60- bis 85-fach höhere Auflösung als die mindestens benötigte. Was ist mit den modernen Bildschirmen?
Nun, mein 27“ Bildschirm hat 5190 x 2880 px und misst 592 mm in der Breite. Somit komme ich auf 7,6 px/mm was einer Auflösung von rund 194 dpi entspricht. Er ist folglich in der Lage eine 2,7-fach höhere Auflösung abzubilden, als mindestens erforderlich. D.h. aber auch, dass ich bei höheren Auflösungen keine Unterschiede mehr erkennen kann!
Ein handelsüblicher 24“ Full-HD Monitor im 16:9 Format hat 1920 x 1080 px und kommt somit auf die Auflösung von 92 ppi. Hierzu sei angemerkt, dass Full-Hd einerseits heutzutage, im Jahr 2024 als Minimum-Standard angesehen wird, obwohl es an die Auflösung 1920 x 1080 px per Definition gebunden ist. Nun gibt es ja noch größere Monitore, wie eben solche mit 27“ oder gar 30“ Diagonalen. Bei einem 27“ Bildschirm entspricht Full-HD dann nur noch 82 ppi!
Es ist die eine Sache, sich ein Bild mit 72 dpi ein paar Minuten lang anzuschauen. Bin ich aber jemand, der den ganzen Tag vor einem PC-Bildschirm hockt, werde ich meinen Augen zu Liebe eine höhere Bildschirmauflösung haben wollen. Im Allgemeinen wird eine Auflösung von mindestens 100 ppi oder höher empfohlen. Ein 27“ Bildschirm mit z.B. 2560 x 1440 px (Seitenverhältnis 16:9) käme auf 110 ppi. Achten Sie also beim Bildschirmkauf auf die Auflösung!
Damit Sie nicht immer rechnen müssen liste ich im Folgenden gängige Bildschirmgrößen mit einem Seitenverhältnis von 16:9 und einer Mindest-Auflösung basierend auf 100 ppi auf:
- Laptops:
- Diagonale 13“: 100 ppi bei 1142 x 630 px = 0,7 MP (Mega-Pixel)
- Diagonale 16“: 100 ppi bei 1378 x 787 px = 1,0 MP
- Desktops:
- Diagonale 19“: 100 ppi bei1654 x 945 px = 1,6 MP
- Diagonale 24“: 100 ppi bei 2087 x 1181 px = 2,5 MP
- Diagonale 27“: 100 ppi bei 2362 x 1339 px = 3,2 MP
- Diagonale 30“: 100 ppi bei 2598 x 1467 px = 3,8 MP
Für weitere Infos besuchen Sie doch Wikipedia!
Zum Schluss der Bildtechnik bleibt noch das Thema der Drucker. Über Druckereien kann ich wenig sagen. Hinsichtlich der am PC angeschlossenen oder auch WLAN angesteuerten Drucker, also Tintenstrahl und Laser liegen typische Auflösungen 4800 dpi in der Horizontalen und 1200 dpi in der Vertikalen und erfüllen hiermit alle Anforderungen. Wichtig ist, dass auf die richtigen Papiereinstellungen geachtet wird. Das Drucken auf normalem 70 gr. Schreib-Papier erfordert andere Tintenmengen pro Tropfen, als wenn auf hochglänzendem Foto-Papier gedruckt wird.
Die Konvertierung von RGB-Farben in CMYK erfolgt automatisch, kann aber in den bekannten Programmen zur Bildbearbeitung vorgenommen werden.
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