Aufbaukurs, Lektion 4

Wirrwarr beim Speichern: Dateiformate für Bilder

Pixel-Grafik 2 BitAus den vorangegangenen Lektionen im Aufbaukurs wurde (hoffentlich) ersichtlich, dass sich die Größe eines Bildes im Wesentlichen aus 3 Faktoren zusammensetzt: Breite und Höhe des Bildes, sowie Farbtiefe.

Man kann sich das etwa wie ein (kastenförmiges) Aquarium vorstellen, dessen Füllmenge ja auch durch die Formel „Grundfläche mal Wassertiefe“ bestimmt wird. Genauso gilt für die Speichergröße eines Bildes zunächst einmal: „Grundfläche mal Farbtiefe“.

Die schon aus der vorigen Lektion bekannte Abbildung zeigt schematisch ein Bild mit 5 Pixeln Breite, 3 Pixeln Höhe und einer Farbtiefe von 2 Bit (4 Farben). 15 Pixel x 2 Bit sind 30 Bit, die zum Speichern dieser 15 Pixel nötig wären.

Hinzu kommt natürlich noch die Speicher-Information für die Farb-Palette. Darin würde hier stehen, dass 00 für Schwarz stehen soll, 01 für die Farbe Cyan, 10 für die Farbe Magenta und 11 für Weiß. Bei diesem Mini-Bild mit seinen 15 Pixeln braucht man wohl mehr Speicherplatz für die Palette als für die eigentlichen Pixel, aber bei normal großen Bildern macht die Palette nur einen kleinen Bruchteil der Dateigröße aus. Daher vernachlässigen wir dies nun erst einmal. Für das Aufbewahren von Farbfotos kommen GIF-Dateien ohnehin nicht in Frage, wegen ihrer Palette und ihrer reduzierten Farbtiefe.

Bei einem „Echtfarben“-Bild ohne Palette und mit einer Farbtiefe von 24 Bit stehen für jeden RGB-Farbkanal je 256 Stufen, also 8 Bit (1 Byte) zur Verfügung. Ein 15-Pixel-„Foto“ (immerhin mehr als doppelte Auflösung der ‚Blödmarkt-Kamera‘ aus der vorletzten Lektion) benötigt daher 45 Byte. Man kann sich leicht vorstellen, dass bei großen Foto-Dateien da sehr schnell etliche Megabyte zusammenkommen. Wenn 15 Pixel 45 Byte benötigen, dann benötigen 15 Megapixel logischerweise rund 45 Megabyte.

Kompression von Bilddaten

Selbst ein normal großes Foto von 6, 10 oder 14 Megapixeln hat nach dieser Faustformel etwa 18, 30 oder 42 Megabyte Größe. Zum Glück haben sich die Entwickler da etwas einfallen lassen, damit Speicherkarten bzw. Festplatten nicht ganz so schnell voll sind: Die Kompression von Bilddaten. Nicht nur „Pressefotos“ werden kräftig zusammengepresst, so dass sie trotz gleicher Pixelzahl nun wesentlich weniger Speicherplatz verbrauchen.

Dabei wird unterschieden zwischen verlustfreier und verlustbehafteter Komprimierung. Man kennt dies auch aus dem Musik-Bereich. Während eine Musik-CD mit ca. 15 bis 20 Stücken schon mehr oder weniger voll ist (knapp 700 Megabyte unkomprimierte Musik), benötigen die gleichen Songs als komprimierte Mp3-Dateien nur noch einen Bruchteil des Speicherplatzes.

Hier eine stark vereinfachte Beschreibung, was verlustfreie Kompression betrifft: Sie ersetzt in der Datei vorkommende Pixel gleicher Farbe durch den entsprechenden Hinweis, wie oft die Farbe an der entsprechenden Stelle wiederholt wird. Also statt „weiß, weiß, weiß, weiß, weiß, weiß, weiß“ steht dort nur „7 mal weiß“, etc. Man kann sich vorstellen, dass sich bei Fotos mit vielen unterschiedlichen Farben auf diese Weise nicht viel komprimieren lässt. Lediglich ziemlich glatte Flächen (z. B. Himmel) haben großes Potential, was diese Komprimierungsmethode betrifft.

Ebenfalls zur verlustfreien Komprimierung gehören technische Verfahren, die man z. B. von Zip-Dateien kennt: Wenn beispielsweise Programme oder Texte gepackt werden sollen, dann müssen nach dem Dekomprimieren ja auch alle Bytes wieder ganz genau so erscheinen, wie sie vorher waren.

Allrounder mit leichten Schwächen: Das Jpg-Format

Doch nun zu den verlustbehafteten Kompressionsverfahren, deren berühmtester Vertreter das Jpg-Format ist: Hier kommt es nicht darauf an, dass die Information nach dem Packen und Wiederauspacken haargenau gleich ist. Das komprimierte Bild sollte dem Original möglichst ähnlich sehen. Es ist immer ein Kompromiss aus möglichst geringer Datenmenge und möglichst wenig Verlusten im Bild. Im Prinzip macht das Jpg-Format mit Bildaten das Gleiche, was Mp3 mit Musikdaten macht. Der Ersteller kann wählen, ob er lieber eine besonders starke Kompression mit geringerer Qualität (also stärkeren Abweichungen zum Original) haben möchte, oder ob er größere Dateien akzeptiert, die dafür näher am Original sind – also von besserer Qualität.

Je nach Programm oder Gerät lässt sich die Jpg-Komprimierung mehr oder weniger genau einstellen. Meine frühere Ricoh-Kompaktkamera bot in der 7-Megapixel-Einstellung nur „Fein“ bzw. „Normal“ an. In dem Programm „Digital Photo Professional“, das bei den digitalen Canon-EOS-Spiegelreflexkameras dabei ist, besteht die Möglichkeit, die Bildqualität der erzeugten Jpg-Dateien in 10 Stufen zu wählen, wobei 1 die höchste Komprimierung darstellt und damit die schlechteste Bildqualität. Auf Stufe 10 ist die Jpg-Datei fast genauso groß wie das Original, dafür ist aber auch die Qualität sehr hoch.

Mein Bildbearbeitungsprogramm PhotoImpact 12 bietet sogar die Möglichkeit, die Jpg-Komprimierung in Prozentschritten einzustellen. So kann man gezielt auf eine bestimmte Dateigröße hin komprimieren, da der benötigte Speicherplatz der Jpg-Datei schon beim Verstellen des Prozentreglers direkt angezeigt wird.

Verschiedene Kompressionwerte bei Jpg-SpeicherungDie hier gezeigte Bilddatei vom Rathaus in Stralsund habe ich in Streifen zersägt und diese jeweils mit dem darunter angegebenen Prozentwert abgespeichert. Wie man sieht, sind die niedrigen Prozentwerte kaum zu gebrauchen. Aber ab ca. 60 Prozent erzielt das Jpg-Format hier gute Ergebnisse. Viele Bilder meiner Homepages speichere ich daher mit 80 Prozent ab. Nur wenn dort sogenannte „Jpg-Artefakte“ noch störend ins Auge fallen, gehe ich auf 85 oder 90 Prozent. Diese Artefakte fallen besonders an Stellen mit hohen Kontrasten auf – hier beispielsweise am Übergang zwischen den Giebeln und dem Himmel.

Jpg 1mal gespeichert

Jpg 1mal gespeichert

Wichtig ist, im Sinn zu behalten, dass die Jpg-Kompression ein verlustbehaftetes Verfahren ist, auch wenn man eine relativ hohe Qualitätsstufe gewählt hat. Mit jedem erneuten Speichern vermindert sich die Qualität etwas mehr. Um dies zu verdeutlichen, habe ich das obere Stralsund-Foto mit 80% als Jpg gespeichert, dieses Jpg geschlossen und neu geladen und dann wieder mit 80% gespeichert. Hier sieht man die Datei nach dem ersten Speichervorgang und im nächsten Absatz nach dem zehnten.

Jpg 10mal gespeichert

Jpg 10mal gespeichert

Deutlich erkennbar (nach Großklicken) sind die Artefakte rund um die Giebel und Dachreiter, ebenso am Copyright-Schriftzug. Auch das Mauerwerk sieht nun nicht mehr nach Weltkulturerbe aus und selbst der Himmel, der durch die Fensteröffnungen durchscheint, wurde von der Jpg-Kodierung zerbröselt. Daher sollte man darauf achten, Jpg-Dateien nicht unnötig häufig zu speichern. Es ist ähnlich wie beim Wäschewaschen: Wer meint, es sei eine gute Idee, seine neuen Klamotten gleich 100mal zu waschen, wird damit nur die Nähte und das Gewebe unnötig strapazieren. Ob er die verschlissenen Stellen dann auch hochtrabend „Artefakte“ nennt? :-)

So gut wie alle Digitalkameras bieten das Speichern als Jpg an, da dieses Dateiformat aufgrund seiner Vorteile – gute Bildqualität und wirkungsvolle Kompression – der Quasi-Standard  für Fotos geworden ist. Zwar gibt es auch Weiterentwicklungen wie das verlustbehaftete JPEG 2000 oder das verlustfrei komprimierende PNG, aber diese haben sich bisher nicht wirklich durchgesetzt. Jpg ist der derzeitige Standard sowohl bei Digitalkameras als auch bei Fotos im Internet.

Tiff und Raw – farbtief und verlustfrei

Wie die Lektion über Farbtiefe gezeigt hat, gibt es durchaus Gründe für „mehr als Echtfarben“, also für eine größere Farbtiefe, als Jpg-Dateien mit ihren 24 Bit bieten können. Dies ist das Spezialgebiet der Formate Tiff und Raw, die außerdem – sofern sie überhaupt komprimiert sind – verlustfrei komprimieren.

Raw-Dateien werden von der Kamera erzeugt und sind daher auch je nach Kamera-Modell unterschiedlich. Es ist das Rohdatenformat – die Raw-Datei enthält also quasi das, was der Sensor bei der Aufnahme „gesehen“ hat – angeblich unbeeinflusst von den Einstellungen der Kamera-Elektronik. Solche Einstellungen – beispielsweise Weißabgleich oder Nachschärfung – lassen sich am PC per Software ebenso steuern, als wenn man dies vor der Aufnahme bereits kamera-intern entsprechend eingestellt hätte.

Für den Fotografen hat die Verwendung des Raw-Formats den Vorteil, dass er sich um gewisse Einstellungen erst zuhause zu kümmern braucht und es daher seltener zu Bildern mit vermurksten Einstellungen kommt. Und weil Raw-Dateien eine deutlich größere Farbtiefe haben als Jpg-Dateien, bieten sie auch Vorteile, wenn es um die nachträgliche Korrektur von Über- bzw. Unterbelichtungen geht.

Mit dem jeweiligen Kamera-Modell wird (zumindest bei Canon) ein Programm mitgeliefert, das die entsprechenden Raw-Dateien bearbeiten und in ein anderes Format übersetzen (konvertieren) kann. Beispielsweise das oben schon erwähnte Programm „Digital Photo Professional“, oft auch einfach DPP genannt. Nach eventueller Korrektur von Belichtung, Weißabgleich, etc. kann man mit diesen Programmen aus der Raw-Datei eine Jpg-Datei oder eine Tiff-Datei machen. Wie so etwas in der Praxis funktioniert, erkläre ich im Bereich Bildbearbeitung.

Bei Tiff-Dateien unterscheiden diese Programme gewöhnlich, ob diese als 8-Bit- oder als 16-Bit-Tiff gespeichert werden soll. Wie auf der Farbtiefen-Seite erklärt wurde, bezieht sich dies auf die Bits pro RGB-Farbkanal, also sind es entweder 24 oder 48 Bit pro Bildpixel. Möchte man die größere Farbtiefe der Raw-Datei auch bei der späteren Nachbearbeitung in Photoshop, PhotoImpact, Gimp, oder einem anderen Bildbearbeitungsprogramm zur Verfügung haben, so muss man natürlich als 16-Bit-Tiff speichern, denn sonst geht der erhöhte Tonwertumfang beim Konvertieren verloren. Zwischen einer 8-Bit-Tiff-Datei und einer in hoher Qualität abgespeicherten Jpg-Datei, die ja auch 8 Bit pro Farbkanal hat, wird man somit kaum einen Unterschied ausmachen können. Allerdings ist bei Fotos die Tiff-Datei wesentlich größer, weil sie ja verlustfrei komprimiert (sofern überhaupt eine Komprimierung unterstützt wird – bei Tiff ist fast alles möglich).

Noch eine kleine Anmerkung zu den Dateinamen: Tiff-Dateien erkennt man an ihrer Endung .tif oder seltener auch .tiff. Weil Jpg-Dateien ihren „großen Brüdern“ in nichts nachstehen möchten, gibt’s bei ihnen auch (mindestens) zwei Endungen: .jpg oder seltener .jpeg.

Bei Raw-Dateien ist es allerdings komplizierter: So wie sich die Sensoren der verschiedenen Hersteller und Modelle unterscheiden, so unterscheiden sich auch die Raw-Dateien vom Aufbau und von den Datei-Endungen. Bei Canon ist .crw und .cr2 gebräuchlich, Nikon verwendet .nef, und auch recht seltsame Abkürzungen wie .orf (‚Olympus Raw Format‘, nicht ‚Österreichischer Rundfunk‘) oder .raf (‚Fuji Raw‘, nicht ‚Royal Air Force‘ oder gar ‚Rote Armee Fraktion‘) tauchen auf. Adobe hat versucht, dem Formate-Wirrwarr durch das .dng-Format (‚Digital Negative‘) entgegenzutreten. Aber wie es ausschaut, wollen sich die meisten Hersteller nicht in die Karten schauen lassen und kochen lieber ihr eigenes Süppchen.

Ob man die verschiedenen heutigen Raw-Dateien in 30 oder 100 Jahren noch mit der dann gebräuchlichen Software öffnen kann, ist eine andere Frage, die aber nicht unwichtig ist. Zur dauerhaften Archivierung speichere ich daher zusätzlich zur jeweiligen CR2-Datei auch das passende JPG mit, denn aufgrund der höheren Verbreitung von Jpg-Dateien werde ich diese wohl hoffentlich auch im Rentenalter noch öffnen können, wenn ich nachfolgende Generationen mit langweiligen digitalen Diashows quälen möchte. Ein weiteres Problem wird sein, die Daten dann auch jeweils rechtzeitig auf aktuelle Datenträger umzukopieren, bevor sie unlesbar werden. Mein Rechner jedenfalls kann weder Lochkarten noch Disketten lesen. Und die ersten CD-Roms aus der Brenner-Steinzeit sind auch längst nicht mehr lesbar. Von daher ist das Dia bzw. Papierfoto vielleicht doch die beste Archivierung. Aber das ist ein anderes Thema. Hier soll es in der nächsten Lektion lieber etwas genauer um Tonwertkorrektur und das Arbeiten mit Histogrammen gehen, was ja schon kurz in der Lektion Farbtiefe angeschnitten wurde (und auch auf der Seite Schwarzweiß (Raw) im Bereich Bildbearbeitung).

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5 Antworten zu Aufbaukurs, Lektion 4

  1. Pingback: Aufbaukurs, Lektion 3 | Rolands Fotokurs

  2. Thomas schreibt:

    Super verständlicher Fotokurs. Machte mir wirklich Spaß, diesen zu lesen!

  3. RoFrisch schreibt:

    Die 10 Leserkommentare zu diesem Artikel im alten Fotokurs können hier nachgelesen werden:
    http://www.rofrisch.de/fotokurs/kommentare-extypo3/03au04-dateiformate.htm

  4. C schreibt:

    Auf keiner der Seiten wo es zum Thema passen wuerde wird das Chroma-Subsampling bei JPEG erwaehnt, also die Tatsache dass (zumindest so wie fast alle in der freien Wildbahn anzutreffenden JPEG Dateien) nicht pro Pixel drei Farbkanaele, sondern pro vier Pixel vier mal Helligkeit und nur einmal (!) die beiden Farbkomponenten abgespeichert werden.

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