Vorlesung Computergrafik

Fakultät Informatik Institut SMT AG DIL
Informatische Grundbildung (Lehramt)
Computergrafik
Autor Wolf Spalteholz
Dresden, 16.07.2012

2 | 46Wolf Spalteholz, Didaktik der Informatik / LehrerbildungTU Dresden, 25.04.15
Computergrafik
Übersicht über die Themen der Vorlesungsreihe
1. Grundlagen der Medienproduktion
2. Informatik als Wissenschaft, informatische Modelle
3. Webbasierte Kommunikation, Web2.0, Lernplattformen
4. Erstellen und Gestalten von Webpräsentationen
5. Computergrafik
6. Lehr-Lernszenarien mit interaktiven Tafeln

Computergrafik
Gliederung
1. Pixelgrafik
●
Einführung
●
Farbräume, Farbtiefe
●
Unkomprimierte und komprimierte Bildformate
●
Bildbearbeitung
2. Vektorgrafik
●
Einführung
●
Vergleich Pixel- und Vektorgrafik
●
Dateiformate
●
Darstellung von Vektorgrafiken
3. Zusammenfassung

Computergrafik
(1)

TU Dresden, 25.04.15 Wolf Spalteholz, Didaktik der Informatik / Lehrerbildung 5 | 46
Pixelgrafik | Vektorgrafik | Zusammenfassung
Computergrafik
Pixelgrafik
(2)

Computergrafik
Grundlagen - Pixelgrafik
Pixel:
X = 117 Rot = 36%
Y = 457 Grün = 33%
Blau = 29%
(3)

Computergrafik
Auflösung von Pixelgrafiken
Mehrfachbedeutung:
●
Die Auflösung einer Rastergrafik gibt die Anzahl der
Bildpunkte (Gesamtzahl oder in X- und Y-Richtung) wieder.
●
Auflösung ist auch die Punktdichte je Längeneinheit (meist
DPI - „dots per inch“).
Beispiele:
●
Digitalphoto 2560x1920 Bildpunkte (~5 MegaPixel [MP])
4256x2848 Bildpunkte (~12MP)
●
Monitor 1280x1024 Bildpunkte (19“, 4:3, ~1,3MP)
1920x1080 Bildpunkte (24“, 19:9, ~2,1MP)
●
Drucker 600DPI (=4962x7014 auf A4, ~34,8MP)

Computergrafik
Rechenbeispiele zur Veranschaulichung
●
Um ein Foto einer 12-MegaPixel-Kamera auf einem Monitor
(19 Zoll, 1280x1024) im Verhältnis 1:1 darzustellen, müsste
dieser 1,6m breit sein.
●
Auf ein A4-Blatt passen bei 1.200 DPI Druckauflösung 21
Bilder (3x7) einer 5MP-Digitalkamera im Verhältnis 1:1.
ABER: Die Bilder können ohne merklichen Qualitätsverlust größer gedruckt werden.
●
Ein Computermonitor mit 24 Zoll – 1920x1080 hat eine
physikalische Auflösung (Punktdichte) von 96DPI.

Computergrafik
Auflösung – Anwendung bei Pixelgrafiken
Bsp.: QR-Code:
1 0 1 0 0 1 1
„Sieben mal 1 oder 0“
→ Sieben mal zwei Werte
→ Sieben Bit
Wie viele Werte können farbige Pixelgrafiken annehmen?
Dazu nötig: Farbräume, Farbwerte
(4)

Computergrafik
Farbräume – Übersicht
●
Informationen jedes Pixels: Koordinaten sowie Farbwert.
●
Farbwerte sind „Koordinaten“ in einem Farbraum.
●
Grundsätzliche Unterscheidung nach additiven und
subtraktiven Farbräumen:
Additive Farbmischung Subtraktive Farbmischung
(5) (6)

Computergrafik
Farbräume – Additive Farbmischung
●
Farbwerte „addieren“ sich,
●
Farbe beruht auf Farbwahrnehmung,
●
Überlagerung aller Farben ergibt Weiß,
●
Anwendung bei selbst leuchtenden
Bildquellen wie Monitore, Fernseher,...
〈Rot;Grün;Blau〉
RGB-Farbmodell:
●
Farbwert ist ein Vektor:
●
Angabe der Werte als
Prozentwerte, Dezimal (0..255) oder
Hexadezimal (00 .. FF)
●
Bspw. HTML-Farbangabe #00A0FF:
0% Rot, 63% Grün, 100% Blau

Computergrafik
Farbräume – Subtraktive Farbmischung
●
Farbwerte „subtrahieren“ sich,
●
Farbe beruht auf physikalischem Effekt
(Farbabsorbtion),
●
Überlagerung aller Farben ergibt
Schwarz (fehlen aller Farben),
●
Anwendung bei angeleuchteten
Bildquellen wie Papier (Drucker), Photos
〈Cyan;Magenta;#Gelb#;Schwarz〉
CMYK-Farbmodell:
●
Farbwert ist ein Vektor:

Computergrafik
Farbräume – Pixelgrafiken
Rastergrafiken im RGB-
Farbmodell im Alltag:
●
Pixelgrafiken, (Digitale) Photos
(Software)
●
Computerbildschirme,
Digitalkameras (Hardware)
Rastergrafiken im CMYK-
Farbmodell im Alltag:
●
Fotobearbeitung zum Druck
(Software)
●
Farbdrucker (Hardware)
RGB
CMYK
Umrechung RGB CMYK↔
(7)

Computergrafik
Farbtiefe
Die Farbtiefe ist ein Maß für die Anzahl der möglichen
Farbwerte eines Pixels.
Beispiele:
●
QR-Code:
Schwarzweiß 1 Bit→
2 Farben→
●
RGB:
3 Farben mit i.d.R. je 256 Werten 24 Bit→
ca. 16 Mio verschiedene Farben→
●
CMYK:
4 Farben mit i.d.R. Je 256 Werten 32 Bit→
ca. 4 Mrd. Verschiedene Farben→

Computergrafik
„Unkomprimierte“ Bildformate1)
●
Windows Bitmap – „Einfachstes“ Bildformat
●
Speicherung der Farbwerte aller Pixel in einem Bild
„nacheinander“
●
Farbwerte: <R;G;B>, in der Regel im Bereich 0..255
1 Byte je Farbe (1 Byte = 8 Bit 2→ ↔ 8
= 256 versch. Werte)
24 Bit für ein Pixel,→
●
Weitere Farbtiefen: 1, 4, 8, 16, 32 Bit,
●
Dateiendung: BMP
●
Zusätzlich: TIFF (Auch CMYK-Farbraum möglich)
….. D2D7D3 B2B3AB 7C766A .....
1) Auch Bitmap-Dateien werden lauflängenkomprimiert, daher ist diese Aussage i.e.S. nicht ganz korrekt!

Computergrafik
Unkomprimierte Bildformate
●
Rechenbeispiel bei einer Digitalkamera mit 12 MegaPixel:
(4256 x 2848 Bildpunkte):
4256*2848 ⊗ 256 ⊗ 256 ⊗ 256 =
12,12 MegaPixel * 24 Bit = 34,68 MegaByte
(Je Bild!)
(Vergleich: Auf eine CD würden dann 20 Bilder passen)
●
Wie kann die Speichergröße von Bildern reduziert werden?
Verlustbehaftet
(JPEG)
Verlustfrei
(PNG)

Computergrafik
Verlustbehaftete Kompression
●
Verlustbehaftetes Bildformat?
NEIN!
Verlustbehaftete Kompression ist
„schlaues“ weglassen von
Information
„→ Grndbldng Infrmtk“(8)

Computergrafik
Verlustbehaftete Kompression – JPEG-Format
●
Sehr komplexes, verlustbehaftetes Verfahren
●
Dateiendung: JPG / JPEG (Joint Photographic Experts Group)
●
Vorteile: Sehr gute Qualität trotz geringer Bildgröße
●
Nachteile: Informationsverlust, „JPEG-Artefakte“
60% 25% 0%
Verschiedene JPEG-Qualitätsstufen
JPEG-Artefakte bei
abrupten
Farbübergängen

Computergrafik
Verlustfreie Kompression
●
Änderung gegenüber verlustbehafteter Kompression:
Es stehen alle Informationen weiterhin zur Verfügung
●
Einfaches Beispiel Lauflängencodierung:→
000001101000111010111101
5x0,2x1;1x0;1x1;3x0;3x1;1x0;1x1;1x0;4x1;1x0;1x1
50 21 0 1 30 31 0 1 0 41 0 1
●
Vorteile: keine Artefakte, kein Qualitätsverlust
●
Nachteile: Wie gut ist das Kompressionsverfahren?
24
17

Computergrafik
Verlustfreie Kompression – PNG-Format
●
Verlustfreies Kompressionsverfahren
●
Dateiendung PNG (Portable Network Graphics)
●
Zusätzlich: Wert für Transparenz der Pixel festlegen
●
Vorteile: Verlustfreie Kompression
●
Nachteile: Bei Fotos wird nicht dieselbe Kompressionsrate wie
bei JPEG erreicht; keine CMYK-Unterstützung
PNG-Bild (Würfel) mit Transparenz vor verschiedenen Hintergründen
(9)

Computergrafik
Dateiformate – Zusammenfassung
●
Dateiendung: GIF
●
„Graphics Interchange
Format“
●
Analog PNG (schlechtere
Kompression)
●
Animationen durch Bildfolgen
möglich
●
Noch ein Format?
(10)

Computergrafik
Dateiformate – Zusammenfassung
Dateiendung BMP JPEG PNG
Kompression Keine Verlustbehaftet Verlustfrei
Vorteil(e) Kein Informations-
verlust
Sehr gute
Kompression
Kein Informations-
verlust, gute
Kompression
Nachteil(e) Sehr große DateienQualitäts-
verschlechterung
bei Kompression
Bei Fotos etwas
schlechtere
Kompression als
JPEG,
Kein CMYK
Besonder-
heiten
Bildbeschreibung
einfügbar
(Metadaten)
Transparenz
möglich

Computergrafik
Bildbearbeitung – AUSWAHL von Grundfunktionen
Transformationen
●
Skalieren
●
Zuschneiden
●
Drehen / Spiegeln
●
Perspektive
(11)

Computergrafik
Transformationen
●
Skalieren
●
Zuschneiden
●
Drehen / Spiegeln
●
Perspektive
Filter
●
Weichzeichnen
●
Verbessern
●
Rauschen
●
Belichten, Schattieren

Computergrafik
Transformationen
●
Skalieren
●
Zuschneiden
●
Drehen / Spiegeln
●
Perspektive
Filter
●
Weichzeichnen
●
Verbessern
●
Rauschen
●
Belichten, Schattieren
Farbfunktionen
●
Farbton und Sättigung
●
Helligkeit und Kontrast

Computergrafik
Erweiterung Pixelgrafik: Ebenen / Layer
1 23 4
Problem: bei der Bilderstellung / -komposition:
●
Häufig mehrere Bildquellen zur Erstellung eines Bildes,
●
Überlagerung von Bildern / Bildausschnitten
●
Problem der Nachbearbeitung, wenn Inhalte „verschmelzen“
Lösung: Einführen von Ebenen (Layern) in Bildern
●
Eigenschaften: Position (Tiefe), Sichtbarkeit (Transparenz),
Art der Überlagerung (Blendenmodus)
Beispiel:

Computergrafik
Bildgenerierung durch Überlagerung von Ebenen

Computergrafik
Ergebnis der Ebenenüberlagerung
(12)

Computergrafik
Pixelgrafik – Projekt 'Blinkenlights'
Was man mit Pixelgrafik noch so machen kann
(13)

Computergrafik
Zusammenfassung – Eigenschaften von Pixelgrafiken
●
Je Pixel eines Bildes wird ein Farbwert und ggf. ein
Transparentzwert abgelegt,
●
in der Regel werden Pixelgrafiken komprimiert (verlustfrei
oder verlustbehaftet),
●
gängige Bildformate sind JPEG und PNG, diese sollten
verwendet werden
●
Erweiterung durch Animation möglich: GIF-Dateiformat
●
Ebenen zur professionelleren Bildbearbeitung →
anwendungsspezifische Dateiformate (PS, XCF...)
Zur Selbstüberprüfung: Definieren / Erläutern Sie die grün dargestellten
Begriffe / Abkürzungen!

Computergrafik
Zusammenfassung – Anwendungen für Pixelgrafiken
The Gimp
(professionelle Bildbearbeitung, unterstützt Ebenen,
plattformübergreifend)
IrfanView
(Bildbetrachtung und einfache Bildbearbeitung für Windows)
Paint.NET
(erweiterte Bildbearbeitung für Windows)

Computergrafik
Fazit – Probleme bei Rastergrafiken
●
Für jedes einzelne Pixel müssen Farbwerte und ggf.
Transparenzinformationen abgelegt werden
→ Hoher Speicherbedarf
●
Vergrößerung ergibt immer Qualitätsverlust
→ Qualitätsverlust
●
In der Regel können einmal vorgenommene Änderungen
nur schlecht Rückgängig gemacht werden
→ Bearbeitbarkeit
DAHER:

Computergrafik
Vektorgrafik
(14)

Computergrafik
Pixelgrafik Vektorgrafik
3-fache
Vergrößerung
9-fache
Vergrößerung
Original

Computergrafik
Grundlegende Idee
x
y
100
50
●
„Zeichne eine rote Linie von Punkt (0;0) zu Punkt (100;50).“
<LINE
x1="0" y1="0"
x2="100" y2="50"
stroke-width="1px"
stroke="red"
/>
●
Gespeichert werden also Koordinaten eines Vektors (mit
zusätzlichen Angaben zu Farben etc.).

Computergrafik
Pixelgrafik:
●
Farbwerte einzelner Pixel werden gespeichert
Vektorgrafik:
●
Es werden Koordinaten gespeichert,
●
zusätzlich Linienstärken, Füllmuster, Farben/ Farbverläufe...
….. D2D7D3 B2B3AB 7C766A .....
<CIRCLE
cx="200" cy="200" r="100"
stroke-width="5px" stroke="blue"
fill="red"
/>

Computergrafik
Dateiformate – SVG (Scaleable Vector Graphics)
Grundformen:
● Rechteck ...............<rect../>
● Kreis............................<circle../>
● Ellipse........................ <ellipse../>
● Linie.............................<line../>
● Polylinie...................<polyline../>
● Polygon....................<polygon../>
● Pfad..............................<path../>
PolyliniePolygon
Pfad

Computergrafik
Beispiel
(15)

Computergrafik
Darstellen von Vektorgrafiken
●
Problem: Darstellen (Bildschirm, Drucker etc.) erfordert
Umrechnen der Vektorformat in Pixelformat
●
Diese Berechnung muss bei jeder Veränderung (Zoom,
Drehen, Bewegung, ..) neu erfolgen (vgl. Computerspiele).
<POLYGON points="0,0 50,50 0,50" />
(0,0)
(0,50) (50,50)

Computergrafik
Beispiel: OpenOffice Draw

Computergrafik
Erweiterung – 3D-Vektorgrafiken
● Bisher: Koordinaten der Form (100,0)
● Erweiterung: Dreidimensionaler Raum → (100, 25, 50)
x
y
z

Computergrafik
Fazit – Grafikanwendungen für Vektorgrafiken
Inkscape
(Vektorbearbeitung für das SVG-Format)
LibreOffice
Draw (Zeichenprogramm), Impress (Präsentationsprogramm)
FreeCAD
(2D- und 3D-CAD-Werkzeug)

Computergrafik
Zusammenfassung – Eigenschaften von Vektorgrafiken
Vorteile:
●
Kein Qualitätsverlust beim Vergrößern
●
Deutlich geringere Datenmengen
●
Nachbearbeitbarkeit sichergestellt
Nachteile:
●
Nicht geeignet für Bilder wie Photos
●
Bei komplexen Grafiken oder Animationen: Enormer
Rechenaufwand zum Darstellen (=Umwandeln in
Pixeldarstellung)

Computergrafik
Begriffe
Vektorgrafik
Farbraum
Auflösung
Pixelgrafik
Ebene
Polygon
Klasse – Objekt – Attribut
Animation
Transparenz
Punktdichte
Additiv
Subtrativ
Verlustfrei
VerlustbehaftetJPEG-Artefakte
Bitmap
PNG
GIF
SVG

Computergrafik
Was muss ich können?
●
Erläutern Sie den Unterschied zwischen additiven und subtraktiven Farbmischsystem. Geben Sie
Beispiele für die Einsatzgebiete der beiden Systeme an.
●
Erläutern Sie die wesentlichen Unterschiede zwischen Vektor- und Pixelgrafiken. Nennen Sie Vor-
und Nachteile der Systeme.
●
Nennen Sie wenigstens zwei verschiedene Farbmodelle und deren Einsatzgebiete.
●
Ordnen Sie die folgenden Auflösungen der entsprechenden Hardware zu und geben Sie an, um
welche Art der Auflösung (Pixelanzahl oder Pixel je Längeneinheit) es sich handelt.
Drucker 1920x1080
Digitalkamera 600DPI
Monitor 5 MegaPixel
●
Nennen sie wenigstens drei verschiedene Bildformate (bspw. Anhand der Dateiendungen) für
Pixelgrafiken und geben Sie jeweils die Besonderheiten an.
●
Geben Sie drei Beispiele für Grundfunktionen der Bildbearbeitung bei Pixelgrafiken an.
●
Erläutern Sie den Begriff „Ebenen“ bei der Bildbearbeitung.
●
„Bei der Komprimierung von Pixelgrafiken verlieren diese stets an Qualität“. Beziehen Sie zu dieser
Aussage Stellung.
●
Folgende Aufgaben sind zu erledigen:
(a) ein Diagramm für eine Präsentation ist zu entwerfen,
(b) das Bild eines Produktes ist für ein Werbetransparent abzuspeichern,
(c) Der Grundriss einer Wohnung ist auszudrucken.
Geben Sie für alle drei Aufgaben an, für welches Bildformat (Vektor/Pixelgrafik), welchen Dateityp
und welches Farbmischsystem (Zusatz: Welche Software) Sie Sich entscheiden würden. Begründen
Sie Ihre Antwort.

Computergrafik
(1) http://voillusions.blogspot.de/2010/08/moving-eschers-waterfall-illusion.html
(2) http://www.flickr.com/photos/justin_case/2073294609/
(3) http://i.images.cdn.fotopedia.com/stuckincustoms-e5ae7130f5e132aa36b1016a66789562-
original/Countries_of_the_World/Asia/India/This_is_Secret.jpg
(4) http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9d/MicroQRCode.png
(5) http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e0/Synthese%2B.svg
(6) http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/52/Synthese-.svg
(7) http://img.fotocommunity.com/Nature/Abstract-Nature/image-a21400791.jpg
(8) http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ec/Mona_Lisa%2C_by_Leonardo_da_Vinci
%2C_from_C2RMF_retouched.jpg (verändert)
(9) http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/47/PNG_transparency_demonstration_1.png
(10) http://mruttan.ca/norabeast.gif
(11) http://www.flickr.com/photos/nickgray/2434200018/lightbox/ (verändert)
(12) http://www.gimpusers.de/tutorials/fotos-verschwimmen-lassen (verändert)
(13) http://www.rhiz.eu/attachment-21858-en.html
(14) Inkscape – Beispieldateien (Nach der Installation im Inkscape-Ordner unter „examples“ zu finden)
(verändert)
(15) Inkscape – Beispieldateien
Es wurden nur Quellen verwendet, deren Nutzung freigegeben ist. Da die Angabe bzgl. der Option der freien
Nutzung der Bilder in der Regel aus Internetquellen stammt, übernimmt der Autor keine Haftung für die
Korrektheit dieser Information!
Bildnachweise (Stand 13.06.2012)

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