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Version: 24o

3. Rastergrafik 1

Theoretische Speichergrösse

Die theoretische Speichergrösse einer Rastergrafik wird berechnet, indem die Anzahl Pixel aa mit der Farbtiefe ff multipliziert wird. Die Farbtiefe gibt an, welche Datenmenge für die Darstellung einer Farbe benötigt wird.

Die Anzahl Pixel wird aus der Auflösung, also der Breite bb und Höhe hh des Bildes in Pixel berechnet.

Für die Speichergrösse rechnen wird also wie folgt:

bhfb\cdot h\cdot f
Beispiel

Ein Bild mit einer Auflösung von 1920×1080 Pixel und der Farbtiefe 3 Byte benötigt einen Speicherplatz von:

192010803=6220800B=6.2MB1920\cdot 1080\cdot 3 = 6220800 \,\text{B} = 6.2 \,\text{MB}

JPEG-Grafikformat

Das Grafikformat der Joint Photographic Experts Group ist ein beliebtes Format zu Speicherung von Fotos. Es kann den benötigten Speicherplatz gegenüber der theoretischen Grösse von Rastergrafiken sehr stark reduzieren.

Dazu wird ein komplexer mathematischer Algorithmus verwendet, welcher bewirkt, dass das ursprüngliche Bild nicht mehr genau Pixel für Pixel rekonstruiert werden kann. Deshalb spricht man hier von einer verlustbehafteten Kompression.

Der Algorithmus kann durch die Angabe der Qualität in Prozent beeinflusst werden. Die folgenden Bildausschnitte illustrieren, wie die Qualität und die Speichergrösse zusammenhängen:

höchste Qualität (162 kB)
höchste Qualität (162 kB)@
hohe Qualität (42 kB)
hohe Qualität (42 kB)@
mittlere Qualität (18 kB)
mittlere Qualität (18 kB)@
niedrige Qualität (9 kB)
niedrige Qualität (9 kB)@

An den Bildern wird sichtbar, dass die JPEG-Kompression besonders entlang von Rändern Störungen («Artefakte») verursacht. Bei Fotos fällt dies weniger auf. Die folgenden zwei Bilder sind beide mit mittlerer JPEG-Qualität gespeichert worden:

JPEG-Grafik 640×360 Pixel in mittlerer Qualität
JPEG-Grafik 640×360 Pixel in mittlerer Qualität@
JPEG-Grafik 640×360 Pixel in mittlerer Qualität
JPEG-Grafik 640×360 Pixel in mittlerer Qualität@

Das JPEG-Datei eignet sich also besonders, um Fotografien platzsparend zu speichern.

PNG-Grafikformat

Das Portable Network Graphics-Format wird für verlustfreie Speicherung von Rastergrafiken mit Transparenz verwendet. Es eignet sich beispielsweise für Bildschirmfotos und Grafiken für Webseiten oder Computerspiele.

Das folgende Beispiel zeigt links einen Baum als PNG-Grafik mit Transparenz gespeichert. Rechts ist das gleiche Bild als JPG-Grafik mit hoher Qualität gespeichert.

PNG-Grafik (32 kB)
PNG-Grafik (32 kB)@
JPEG-Grafik (13 kB)
JPEG-Grafik (13 kB)@

Durch die Speicherung als JPG-Grafik geht die Transparenz verloren, das Bild kann z.B. nicht mehr auf farbigen Folien verwendet werden. Ausserdem sind JPEG-Artefakte sichtbar.

Grössenvergleich der Dateiformate

Die folgende Tabelle zeigt die Dateigrössen des gleichen Bildes (640×360) mit verschiedenen Dateiformaten:

FormatDateigrösserelativ
theoretische Grösse691 kB100%
PNG146 kB21%
JPG höchste Qualität162 kB23%
JPG hohe Qualität42 kB6%
JPG mittlere Qualität18 kB3%
JPG tiefe Qualität9 kB1%
Jupyterhub ⭐

Loggen Sie sich auf https://jupyter.gbsl.website ein und kopieren Sie den Ordner shared/Rastergrafik in ihr Home-Verzeichnis (per Drag-and-Drop auf den kleinen Ordner oben links ziehen - es erscheint eine Fehlermeldung, die jedoch ignoriert werden kann). Öffnen Sie danach den kopierten Ordner Rastergrafik/. In diesem Ordner finden Sie eine Datei Bild.csv - es enthält eine 5x5 Pixel grosse Rastergrafik. Mit Rechtsklick > Öffnen mit > editor kann das Bild bearbeitet werden.

Ändern Sie die Farben so ab, dass ein Schweizerkreuz entsteht.

Um das Bild zu betrachten, muss das Programm csv_to_png.ipynb gestartet werden (mit shift+enter).

Tipp: verwenden Sie für jeden Farbkanal genau 3 Ziffern, damit die Zeilen nicht verrücken. Beispiel:

255:255:000, 200:000:030, 255:255:255