Einführung

Die Vorlesung ist gedacht als Vorbereitung auf das anschließende Praktikum. Ich denke aber, dass auch diejenigen unter Ihnen, die jetzt keinen Praktikumsplatz erhalten haben, mit Gewinn an der Vorlesung teilnehmen können. Bleiben Sie dabei, Sie werden einiges erfahren können.

Diese erste einführende Lektion soll einige Fragen beantworten und einige typische Themen anreißen. In den folgenden Vorlesungslektionen werden diese und andere Themen vertieft. Und auf dieser Basis werden danach die Geräte und deren Handhabung besprochen, die im Praktikum eingesetzt werden.

Sie werden sich sicher schon gefragt haben, worauf das für eine Lehrveranstaltung etwas merkwürdige Anhängsel Release 1 abzielt. Nun, natürlich darauf, dass es eine weitere Ausgabe der Vorlesung geben wird. Ich habe das Release 2 fest im Auge. Die Idee zu dem Praktikum entstand Ende November 2002. Gedacht war dabei an ein virtuelles Praktikum, an dem jeder Student, der über einen Rechner mit Netzanschluss verfügt, teilnehmen kann. Programme sollten über Terminal Server bereitgestellt werden. Geräte sollten simuliert werden und die Simulationen sollten über das Netz aufrufbar sein. Dies beschreibt letztlich auch die Endausbaustufe des Praktikums - eben das Release 2. Aber insbesondere die Gerätesimulationen waren in der Kürze der Zeit, bis März 2003, nicht zu realisieren. Deshalb wird zumindest dieses Mal das Praktikum real ausgeführt. Zum einen werden die Erfahrungen hieraus für eine Feinabstimmung des virtuellen Praktikums sehr hilfreich sein, zum anderen denke ich, dass diejenigen, die einen Praktikumsplatz erhalten haben, es begrüßen werden, Scanner, Kameras und WebCams real betreiben zu können. Der Wirkungsquerschnitt eines virtuellen Praktikums wäre allerdings deutlich größer gewesen.

Die zweite Frage, die sich stellt, ist die Frage nach der Beschränkung auf Bilder. Warum werden nicht auch Audio oder Web-Design oder andere mit Multimedia verbundenen Themenkreise behandelt? Nun, offen gesagt, hat dies viel mit der Kompetenz der Dozenten zu tun. Audio-Themen oder gar Design-Schulung müssen andere übernehmen.

Andererseits sind gerade Bilder das bei weitem am häufigsten eingesetzte Mittel, um die Vermittlung von Wissen z.B. in Lehrveranstaltungen zu unterstützen. Ein Bild ist instruktiv, aber ein Bild ist auch suggestiv. Kaum einem anderen Medium bringt man so viel Vertrauen entgegen. Was ich mit eigenen Augen sehe .... Um so problematischer ist eine Entwicklung, die durch die Digitalisierung der Bilder ein ganz neues Format angenommen hat: die Manipulation der Bilder.

Das Manipulationsproblem

Um kein Missverständnis aufkommen zu lassen, mit Manipulation ist nicht die Verfälschung von Bildern gemeint. Themen aus diesem Umfeld, wie Morphen, Einkopieren fremder Bildteile usw. werden in dieser Vorlesung nicht behandelt. Nein, mit Manipulation ist hier die normale zielgerichtete Bearbeitung des Ausgangsbildes gemeint, die bei der digitalen Bildgewinnung unumgänglich ist.

Ich habe immer zu denen gehört, die ein Foto als ein Stück eingefrorene Wirklichkeit betrachtet haben. Für ein auf konventionellem Wege hergestelltes Dia ist diese Betrachtungsweise auch weitgehend richtig. Es kann als ebenso naturgetreu wie ein Spiegelbild angesehen werden.

Klage eines

Natur - Fotografen

Bei digitalen Bildern haben sich die Dinge jedoch prinzipiell geändert - prinzipiell, weil die Änderung System immanent ist. Beim Aufnehmen eines digitalen Fotos (oder eines Scans oder eines Videos) wird nämlich nicht ein statisches Bild, ähnlich dem Dia, erzeugt, sondern es werden Informationen gesammelt, die es gestatten, ein Bild zu erzeugen. Das Bild entsteht durch Anwendung von Algorithmen auf diese Informationen. Dies geschieht entweder in der Kamera direkt, das ist am häufigsten und ... am schlechtesten. Oder es geschieht mit Hilfe eines Programms am Rechner des Fotografen, da hat man wenigstens noch eine Chance, Einfluss zu nehmen. Denn bei der Anwendung der Algorithmen wird kräftig gemogelt. Bilder werden nachgeschärft, das Original gilt im allgemeinen als zu flau. Farben werden angepasst - an den vermuteten Geschmack des Fotografen mehr als an die Wirklichkeit. Rauschen wird beseitigt - sicherlich notwendig, aber dabei gehen häufig gerade die feinen Zeichnungen verloren. Abenteuerlich sind Skalierungen. Eine so genannte interpolierte und das heißt stets höhere als real vorhandene Auflösung ist Augenwischerei. Gleiches gilt - zumindest beim Foto - für das digitale Zoom. Beim Video kann digitales Zoom Sinn machen.

Natürlich gibt es einen wohlüberlegten Grund, digitale Kameras so zu konstruieren, wie sie konstruiert sind, mit all ihren massiven Eingriffen bei der Bilderzeugung. Der ist zu suchen in der kommerziellen Kundschaft der Kamerahersteller. Die digitale Kamera ist inzwischen ein Massenprodukt geworden, das den weitaus größten Marktanteil bei Kameras besetzt. Dabei ist der Natur-Fotograf zur Randerscheinung geworden. Der typische Kunde, für den Kameras zu entwickeln sind, ist Susi Sorglos. Sie will unkompliziert zu bedienende Kameras, natürlich mit automatischer Belichtung, mit Autofokus und natürlich mit Bildern, die scharf und ansehnlich sind - auch automatisch. Für diese Klientel sind digitale Kameras gemacht, und sie sind zugegebenermaßen perfekt gemacht. Noch nie konnte man so einfach so schöne Bilder machen.

Hat nun der Natur-Fotograf, der sich möglichst eng an die Wirklichkeit anlehnen möchte, eine Chance, diesem Manipulationsdiktat zu entgehen? Ja und nein! Nein, weil auch er natürlich die Bilder nur so bekommt, wie sie die Kamera liefert, und die bedürfen immer der Nachbearbeitung. Ein so genanntes Raw-Bild, wie es der Bild-Sensor der Kamera liefert, ist völlig unansehnlich (s.u). Ja, weil er, die richtige Kamera vorausgesetzt, den Manipulationsprozess vom Raw-Bild zum anschaubaren Bild weitgehend selbst beeinflussen kann.

Und hier setzt unsere Vorlesung an. Wir wollen uns mit den Techniken und Möglichkeiten beschäftigen, die wir haben, um den Prozess von der Bildgewinnung zur Bilddarstellung zu steuern und zu beeinflussen. Dabei sind unsere Möglichkeiten um so weiter gespannt, je besser das Ausgangsbild ist. Damit kommt ein weiteres Thema ins Blickfeld, das ähnlich diskussionsbedürftig ist wie die Manipulation: die Bildqualität.

Das Qualitätsproblem

Was ist ein qualitativ hochwertiges digitales Bild? Eine einfache Frage, wie es scheint. Aber merkwürdigerweise eine, auf die es viele Antworten gibt. In der Werbung gibt es genau ein Kriterium, an dem die Qualität festgemacht wird: die Anzahl der Pixel. Für den Informatiker ist das Bild mit dem höchsten Informationsgehalt das qualitativ beste Bild. Und der normale Fotograf wird verlangen, dass das Bild scharf und schön ist. Nun kann man versucht sein, alle drei Antworten für unterschiedliche Formulierungen des gleichen Sachverhalts zu halten? Aber so einfach liegen die Verhältnisse nicht. Eher kann man sagen, dass es für jede der Antworten ein Szenario gibt, in dem sie richtig sind.

Betrachten Sie dazu bitte die folgenden vier Abbildungen, die Bearbeitungsstufen auf dem Weg von der Bildgewinnung zur Bilddarstellung dokumentieren. Ihr Inhalt wird in den folgenden Lektionen noch näher erläutert werden. Im Moment interessiert uns nur die Qualität der vier Bilder.

1. Dieses Bild liefert der Sensor der Kamera.

3. Das Foto mit verteilten Farben.

2. So interpretieren wir die Farben.

4. Das von der Kamera gelieferte (bearbeitete) Bild.

Die enthaltene Bildinformation nimmt von Bild 1 zu Bild 4 hin ständig ab. Dennoch wird den meisten von uns das von der Kamera erzeugte Bild am besten gefallen. Um einen schönen Ausdruck zu erzeugen, werden wir also Bild 4 auswählen. Zum langfristigen Archivieren dagegen ist sicher Bild 1 der Vorzug zu geben. Denn alle anderen drei Bilder - und viele andere mehr - können davon abgeleitet werden.

Die zielgerichtete Skalierung der Qualität

Damit zeigt sich ein Zusammenhang, der uns im Laufe der Vorlesung immer wieder begegnen wird. Bildqualität und Bildmanipulation werden beeinflusst - ja bestimmt - durch das ins Auge gefasste Endbild.

Die Kameraindustrie selbst macht deutlich Gebrauch von diesem Prinzip, die Qualität so zu skalieren, dass sie für einen vorgesehenen Zweck hinreichend ist. Da z.B. die mit den Kameras ausgelieferten Speicherkarten nur eine begrenzte Kapazität haben, propagiert man die Verwendung des JPEG-Formats und die Beschränkung auf 8-Bit-Farbtiefe.

Zwar können JPEG-Bilder einen durchaus ansprechenden Eindruck machen, aber man darf nicht übersehen, dass das Auge leicht zu täuschen ist und selbst bei einer so genannten leichten Komprimierung bereits drei Viertel der gesammelten Bildinformationen verworfen werden. Dazu als Beispiel ein Ausschnitt in 4-facher Vergrößerung aus dem obigen Hagebuttenbild, links ohne Komprimierung, rechts mit einer 25%-JPEG-Komprimierung.

Unkomprimiert; 4-fache Vergrößerung

25%-Komprimierung; 4-fache Vergrößerung

Im rechten Bild sind in der Vergrößerung deutlich die Blöcke zu sehen, wie sie für eine JPEG-Komprimierung typisch sind. Für eine weitere Verarbeitung ist das rechte Bild nicht mehr geeignet. Eine geringere Komprimierung verringert zwar die Klötzchenbildung, vermieden werden aber kann sie nicht.

Die Einschränkung auf eine 8-Bit-Farbtiefe, also 256 Farbabstufungen für rot, grün und blau, mutet im ersten Moment unerheblich an - ergeben sich doch insgesamt über 24 Millionen (256*256*256) Farbtöne. Betrachtet man aber eine einheitliche Farbfläche, so erkennt man doch bei genauerem Hinsehen Abstufungen und keinen kontinuierlichen Farbverlauf. Das folgende Bild zeigt einen Ausschnitt von unmittelbar aufeinander folgenden Grüntönen. Jeder Streifen ist 10 Pixel breit.

Zwar sind die Abstufungen nicht ins Auge springend, ein wirklich gutes Bild erhält man hiermit aber nicht.

Die Entwicklung der digitalen Kameras

Die Entwicklung der digitalen Kameras ist aus den Anfängen ihrer Pionierzeit herausgewachsen, hat aber ihre endgültige Ausprägung noch lange nicht gefunden. Die fast wöchentliche hektische Ankündigung von Neuerungen ist ein sicheres Indiz dafür. Dabei stehen die Firmen unter einem gewaltigen Konkurrenzdruck. Der Markt ist noch lange nicht aufgeteilt. Bei diesem Kampf um Marktanteile scheint die Industrie im Moment einen Königsweg darin zu sehen, immer schneller immer neuere Kameras und Technologien auf den Markt zu werfen. Die monatlich erscheinenden Zeitschrift foto MAGAZIN enthält seit einiger Zeit die auf Werbung abgestellte Beilage Digital extra. In der Ausgabe vom März 2003 nimmt diese Werbung 19 Seiten ein (ärgerlich!) und führt ca. 120 aktuelle Produkte - Kameras, Drucker, Scanner - auf. Man muss kein Prophet sein, um vorherzusagen, dass es im März 2004 mindestens 100 dieser Produkte nicht mehr geben wird. Selbst eine so hochwertige und von allen hoch gelobte Kamera wie die digitale Spiegelreflexkamera Canon D60 wurde nach nur 6 Monaten Bauzeit vom Markt genommen.

Dass ein so Atem raubendes Tempo überhaupt möglich ist, überrascht allerdings nicht wirklich. Die Entwicklung der digitalen Fototechnik, insbesondere die der digitalen Sensoren, ist längst weiter vorangeschritten als die momentane Realisierung in den Konsumprodukten. Die Industrie scheint hier scheibchenweise vorzugehen - jedes Scheibchen gerade so groß, dass der Kunde wieder über eine neue Kamera nachdenkt. Ein Blick zu den seit langem genutzten digitalen Rückteilen der Studio-Fotografie oder gar zur Astro-Fotografie hinüber zeigt, was schon seit langem möglich ist.

Schreibt man diese Entwicklung fort, so wird deutlich, wie die zukünftige digitale Technik ausgerichtet sein wird. Ich möchte es wagen, die folgenden Eckdaten für die nahe Zukunft (ein bis zwei Jahre) vorherzusagen.

Terminologie

Die digitale Bildverarbeitung wird umgeben von einer dichten Wolke von neu eingeführten oder neu definierten Begriffen. Ein Anliegen dieser Vorlesung ist es, die wichtigsten dieser Begriffe für Sie mit Inhalt zu füllen. Die Methodik eines Glossars, das losgelöst von Zusammenhängen Begriffe singulär beschreibt, wird hierzu allerdings vermieden. Stattdessen werden neue Begriffe nach Möglichkeit erst dann eingeführt, wenn Sie für das gerade behandelte Thema relevant sind und genügend Zeit vorhanden ist, sie hinreichend ausführlich zu beschreiben. Eine dadurch entstehende Neigung zu gelegentlichen Abschweifungen, wird bewusst in Kauf genommen. Umgekehrt müssen manche Begriffe manchmal vorab etwas unscharf verwendet werden. Gerade diese einführende Lektion bietet hierfür einige Beispiele. Neu eingeführte Begriffe werden stets kursiv gesetzt.

Urheberschutz von Bildern

Zum Ende noch eine Anmerkung zu einem manchmal ärgerlichen, aber stets zu beachtenden Thema - dem Urheberrecht der Bilder. Eigene Fotos zu veröffentlichen, kann problematisch und teuer werden, wenn das Bild etwas urheberrechtlich geschütztes abbildet - eine Person oder auch ein Gebäude. Architekten müssen 60 Jahre lang an der Verwertung von Bildern ihrer Bauwerke beteiligt werden. Auch ein Bild eines so alten Gebäudes wie des Eifelturms kann Kosten verursachen. Zumindest bei Nacht, denn hier ist es die Beleuchtung, die geschützt ist.

Solange man zu den exklusiven Fotografen gehört, die nur Bilder für sich selbst bzw. ihren Bekanntenkreis machen, greift das Urheberrecht nicht. Sobald man ein Bild jedoch veröffentlicht, etwa um eine eigene Web-Seite aufzuwerten, muss man mit kostenpflichtigen Abmahnungen rechnen. Eine Reihe von Firmen sucht systematisch das Internet nach Urheberrechtsverstößen ab.

Ich werde deshalb in dieser Vorlesung nur eigene Bilder meistens von ... Wildblumen verwenden. Das Urheberrecht dieser Bilder liegt stets bei mir.

Auch im Praktikum werden Sie beim Führen des Praktikumsbuchs Bilder in Webseiten einfügen. Diese sind aber nur vom jeweiligen Besitzer des Praktikumsbuch und mir zu sehen. Besondere Vorsicht bei der Auswahl der Themen müssen Sie also hierfür nicht walten lassen.

Was noch zu sagen wäre

Die Vorlesung zeigt in ihrem jetzigen Umfang einen gewissen Mut zur Lücke. Einige durchaus sinnvolle Themen habe ich bewusst nicht behandelt. Zwei eigentlich nahe liegende seien hier kurz angesprochen.

Sie werden in dieser Vorlesung wenig über das Komprimieren von Bildern lernen. JPEG-Fotos werden nicht gemacht. Das verlustbehaftete JPEG hat seine Bedeutung, wenn Speicherplatz oder Leitungsbandbreite knapp sind. Es ist unweigerlich mit einem Qualitätsverlust verbunden. Diesen Qualitätsverlust kann man in bestimmten Situationen als akzeptabel einstufen. Im Rahmen der Vorlesung und des Praktikums können wir jedoch auf die Platzersparnis verzichten. Die Vorlesung wird nach dem Praktikum in lockerer Folge fortgesetzt werden. Für diese Fortsetzung ist auch eine Lektion über Komprimierung geplant.

Aus einem ganz anderen Grund fehlt im Moment ein weiteres sehr wichtiges Thema: das Farb-Management mit ICC-Profilen. Zum einen hätte dies Thema einen weiteren Praktikumstag erfordert, zum anderen steht mir im Moment keine Ausrüstung zur Verfügung, um dieses Thema seriös zu behandeln. Auch für die Behandlung von Farben ist ein ergänzender Artikel fest eingeplant, und vielleicht besteht auch in einem späteren Praktikum die Möglichkeit, sich hiermit zu beschäftigen.