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Meinels Web-Tutorial: Pixelcodes - BMP, JPEG, PNG und Co.

In der analogen Welt gibt es unendlich viele Formen, Farben und Gestalten. In der digitalen Welt nur null und eins. Wie erreicht man, dass beides zusammenfindet?
Digitalbilder am ComputerLaden...

Bilder gehören zu den wichtigsten Medien, die über das Web geteilt werden. Auf modernen Webseiten und auf Social-Media-Plattformen ist der Trend zu beobachten, dass Bilder Texte ablösen. Frei nach dem Motto: Ein Bild sagt mehr als 1000 Worte. Informationen werden über intuitiv zu verstehende Bilder übermittelt, anstatt über Texte, deren Erstellung als auch Erschließung langwieriger ist, ganz besonders dann, wenn auch Sprachbarrieren überwunden werden müssen. Nahezu alle Social-Media-Plattformen nutzen inzwischen Bilder als prioritäres Medium, und mit Instagram hat sich eine Plattform herausgebildet, die sich ausschließlich auf die Darstellung von Nachrichten durch Bilder spezialisiert hat. Memes, Instagram-Stories und Bildmanipulation durch Photoshop haben deshalb einen festen Platz in der Internetkultur. Um den Trend der Visualisierung in der Internetkultur zu verstehen, ist es wichtig, die digitalen Technologien zu begreifen, die Bildmedien im digitalen Raum zur Repräsentation bringen.

Auch wenn es auf den ersten Blick so aussieht, als ob ein Text ein ganz anderes Medium ist als ein Bild, unterscheidet sich die digitale Codierung von beiden in ihrem Prinzip nicht sonderlich stark. Bei der Informationscodierung von Texten ging es hauptsächlich darum, jedem Zeichen eine Entsprechung im Binärcode zu geben und so als Abfolge von Nullen und Einsen darzustellen. Jedes Zeichen steht für sich und kann einzeln codiert werden. Bilder dagegen bestehen nicht aus einzelnen Zeichen, sondern sind erst als Gesamtheit verschiedener Farben, Muster, Helligkeiten und so weiter sichtbar.

Bei analogen Bildern sind die Übergänge zwischen benachbarten Bereichen unterschiedlicher Farbe oder Helligkeit in aller Regel fließend. Zudem können praktisch unendlich viele Farbnuancen und Helligkeitsschattierungen auftreten. Um Bilder jedoch im Computer speichern und über das Internet übertragen zu können, müssen sie ebenfalls binär codiert werden, also als Abfolge von Nullen und Einsen darstellbar sein. Um das zu bewerkstelligen, bedient man sich bei der Grafikcodierung eines Tricks. Zunächst legt man fest, wie viele Farb- und Helligkeitswerte überhaupt auftreten dürfen. Bei einem sehr simplen Bild kommt man vielleicht mit maximal 16 verschiedenen Farben aus, von denen dann jede eine Zahl zwischen 0 und 15 zugewiesen bekommt. Diese lässt sich problemlos als binäre Abfolge von Nullen und Einsen schreiben.

Im nächsten Schritt tut man so, also ob das Bild aus lauter gleich großen »Farbatomen« besteht. Dazu zerlegt man es mit Hilfe eines engmaschigen Rasters in Bildpunkte, die so genannten Pixel, und weist jedem davon genau einen der möglichen Farbwerte zu. Im Endresultat kann das Bild dann als simple Aneinanderreihung von Pixeln samt ihrer im Binärcode ausgedrückten Farbe codiert werden.

Aus analog mach digitalLaden...
Aus analog mach digital | Indem man ein Raster über das Ausgangsbild legt, unterteilt man es in »Farbatome«, deren Aussehen sich durch einen einzigen binären Wert beschreiben lässt.

Es ist klar, dass die Speicherung von Informationen über jeden einzelnen Bildpunkt, ein so genanntes Bitmap-Format (BMP), sehr viel Speicherplatz verbraucht. Daher braucht es für die Nutzung digitaler Bilder effiziente Komprimierungsverfahren. Durchgesetzt haben sich Formate wie JPEG (Joint Photographic Experts Group), PNG (Portable Network Graphics) oder TIFF (Tagged Image File Format).

Eine Grundidee der Komprimierung von Grafikdateien besteht darin, ähnliche benachbarte Farbpixel zu größeren Flächen zusammenzufassen. So kann man sich in unserem Beispielbild oben die Codierung jedes einzelnen weißen Pixels in den oberen beiden Reihen sparen und einfach den ersten weißen Bildpunkt beschreiben und dann vermerken, wie oft dieser wiederholt wird. Die Codierung der ersten beiden Reihen wäre dementsprechend: Pixel weiß, Wiederholung 25-mal in erster Reihe; Pixel weiß, Wiederholung 13-mal in der zweiten Reihe. Und erst an Stelle 14 der zweiten Reihe würde ein Pixel mit neuem Farbwert folgen. Das benötigt natürlich viel weniger Speicherplatz als dieselbe Information (»weiß«) 38-mal zu speichern. Tatsächlich lassen sich mit diesem Verfahren bereits sehr gute Komprimierungserfolge erzielen, insbesondere bei Schwarzweißaufnahmen oder Bildern mit großen, gleichfarbigen Flächen.

Ist man bereit, einen gewissen Informationsverlust hinzunehmen, zum Beispiel dass Farben minimal anders dargestellt werden als im ursprünglichen Bitmap-Bild, kann man sehr viel stärker komprimieren. Bei der Komprimierung im JPEG-Format werden mittels komplexer mathematischer Verfahren Farbverläufe innerhalb sehr enger Toleranzschwellenwerte verändert, um sie zu einheitlichen Farbflächen zusammenfassen zu können. Damit lässt sich der Speicherbedarf eines Bildes mitunter um den Faktor 5 verringern, ohne dass große Qualitätsverluste auftreten. Komprimiert man noch stärker, treten zunehmend Störungen in Erscheinung.

Links: BMP mit 88 KB, Mitte: JPEG 27 KB, Rechts: JPEG 2 KBLaden...
Links: BMP mit 88 KB, Mitte: JPEG 27 KB, Rechts: JPEG 2 KB

In dieser Bilderreihe erkennt man den Zusammenhang zwischen der Qualität der Bilder und dem Faktor der Komprimierung. Während im BMP jeder Pixel einzeln codiert ist, werden durch Zusammenfassung von gleichen Farbpixelflächen im mittleren JPEG ohne Qualitätsverlust rund zwei Drittel des Speicherplatzes gespart. Ist man bereit, auf feinere Details zu verzichten, lässt sich das Bild mit JPEG auf eine minimale Bildgröße komprimieren. Auch wenn das Bild nun lange nicht mehr so schön aussieht, kann man alles noch gut erkennen und die Details des Bildes verstehen.

Eine weitere Form der Codierung und Komprimierung, die sich insbesondere für Grafiken und weniger für Fotografien eignet, liefert die Darstellung als Vektorgrafiken. Bei dieser Technik wird das Bild vermittels geometrischer Grundformen (Punkten, Linien, Flächen, Kurven, Polygone und so weiter) beschrieben. Anstatt Bildpunkte zu speichern, werden hier die geometrischen Formen mathematisch beschrieben, aus denen sich die Grafik zusammensetzt und mit Attributen wie Farben, Linienstärke, Helligkeit und so weiter versehen. Das verbreitetste Vektorgrafikformat ist SVG (Scalable Vector Graphics). Vektorgrafiken haben den Vorteil, dass sie die Bildinformation nicht nur komprimieren, also wenig Speicher verbrauchen, sondern auch dass sie beliebig stark vergrößert oder verkleinert werden können: Da sie nicht aus einer festgelegten Zahl von Pixeln bestehen, können sie nicht »verpixeln«.

Die Repräsentation eines ganzheitlichen analogen Bildes gelingt im Digitalen nur mit Hilfe digitalisierbarer Beschreibungen – seien es Pixel oder einfache geometrische Formen. Wie leistungsfähig die angewandten Codierungs- und Komprimierungsverfahren auch sein mögen, man darf nie vergessen, dass es sich immer nur um Annäherungen an das analoge Bild handelt. Jede digitale Repräsentation eines Bildes ist somit bereits auf technischer Ebene eine Reduktion und Manipulation, die dann mit modernen Bildbearbeitungsprogrammen noch deutlich weitergetrieben werden kann. Medienkritik im Web muss deshalb ihren Ausgangspunkt immer im Verständnis haben, dass digitale Bilder nicht die Realität selbst abbilden, sondern im besten Fall sehr gute digitale Annäherungen sein können und im schlimmsten Fall verfälscht, eventuell sogar mit manipulatorischer Absicht.

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