8-Bit / 16 Bit

Autor: Thomas Gade

Der Artikel wurde von www.medienarchiv.com genommen.

Theorie I:

Scanner und Digitalkameras können Helligkeiten nicht stufenlos erfassen. Man fotografiert einen Verlauf von Schwarz nach Weiß:

Der Helligkeitsverlauf kann in zwei Stufen geteilt sein. Das ist nur bedingt sinnvoll, beispielsweise beim Digitalisieren von Texten oder im künstlerischen Sektor.

Mit vier Stufen wird die Differenzierung feiner:

Mit 32 gleichmäßig verteilten Stufen ist der Helligkeitsverlauf bereits in kleine Stufen unterteilt.

Bei 256 Stufen fließen die Tonwerte für unsere Augen stufenlos ineinander über:

Theorie II:

Bilddateien mit möglichst natürlich wirkenden Tonwertübergängen, sollten feine Abstufung ohne sichtbare Stufen (Tonwertsprünge) der Helligkeiten beinhalten.

Es gibt 8 Bit oder 16 Bit Dateien.
Das sind Angaben für einen Farbkanal oder für Schwarz-Weiß-Bilder. Farbaufnahmen haben drei Kanäle: Rot, Grün und Blau.
Daher entsprechen 8 Bit bei Farbe dem 24 Bit RGB (Rot-Grün-Blau) Modus.16 Bit sind 48 Bit im RGB Modus.

1 Bit ist die kleinste Informationseinheit der Computerwelt. Es kann zwei Zustände annehmen wie An oder Aus, O oder 1, Schwarz oder Weiß. Bleiben wir bei der Null und der Eins.

Acht Bit können aus acht Nullen bestehen: 00000000. Oder aus acht Einsen: 11111111.
Zudem kann man jede beliebige Kombination aus Nullen und Einsen in 8 Bit packen. Beispielsweise 00011100 oder 11001100.
Mit acht Bit kann man 256 unterschiedliche Kombinationen von 00000000 über 00000001 und 00000010 bis zu 11111111 einstellen.

In der Geschichte der EDV-Entwicklung hat man sich darauf verständigt acht Bit zur Einheit Byte zusammenzufassen. Ein einzelnes Bit mit zwei Zustandsmöglichkeiten ist praktisch unbrauchbar, aber mit acht Bit kann man ein Alphabet mit Groß- und Kleinschreibung und Sonderzeichen auf 256 mögliche Kombinationen verteilen.

Möchte man mehr als 256 Helligkeitsstufen codieren, muss man 2 Byte nehmen, also 16 Bit. Damit kann man bereits bis zu 256 x 256 Stufen = 65536 Stufen unterscheiden. Aber aufgepasst: Eine 16 Bit Datei muss nicht unbedingt so viele Informationen enthalten. Wenn der Scanner oder Kamera in der Lage ist, einen Helligkeitsverlauf in 1000 unterschiedliche Stufen zu differenzieren, lassen diese sich nicht mit 8 Bit darstellen aber sehr wohl mit 16 Bit. Man kann Bilder nicht im 10 Bit oder 12 Bit Modus speichern und muss sich für 8 Bit oder 16 Bit entscheiden.

Stellen wir das mit einem anschaulichen Beispiel dar: Angenommen Sie haben zwei Thermoskannen. Die eine fasst einen halben Liter und die andere zwei Liter. Sie möchten einen Liter Tee mitnehmen. Das geht nur, indem Sie die Zweiliterkanne benutzen. Sie ist aber nicht voll, wenn Sie nur einen Liter einfüllen.

An folgenden Beispielen kann man erkennen, dass 256 Tonwertstufen pro Kanal für eine stufenlos wirkende Darstellung gut ausreichen.

Zwei Stufen pro Farbkanal. Das Bild zeigt keine Details.	Mit vier Stufen pro Farbkanal wird das Bild plastischer. Die hellen Blätter werden nicht nur aus Schwarz und Weiß dargestellt sondern aus zwei zusätzlichen Graustufen.
Mit 16 Stufen pro Farbkanal wirkt das Bild bereits fast wie ein Foto. In der vergrößerten Ansicht sind Tonwertsprünge sichtbar.	Bereits 64 Stufen pro Farbkanal erlauben eine nahezu fotorealistische Darstellung.

8-Bit oder 16-Bit? Wenn 256 Tonwertstufen ausreichen, um eine gute Abbildung zu erzeugen, wozu benötigt man dann die 16-Bit Daten?

Die Urdatei enthält Werte, die mehr oder weniger stark korrigiert werden müssen, um ein Bild ansehnlich zu machen. Wenn in der Urdatei das Bild nicht komplett auf die 256 Tonwerte verteilt wurde und die Werte von Schwarz nach Weiß gespreizt werden, erhöht man den Kontrast, erhält aber nicht mehr Tonwerte als bereits da waren. Jede Kontraständerung mittels Gradationskurve reduziert die Anzahl der Tonwerte durch ein Auseinanderzerren der Tonwerte mit dazwischen entstehenden Lücken oder einem Stauchen einer Menge Tonwerte auf weniger Tonwerte. Nicht selten betont man in den dunklen Schatten die vorhandene schwache Zeichnung. Dazu wird in diesen Zonen der Kontrast kräftig erhöht. Die Lücken zwischen den Tonwerten können dabei so weit auseinanderklaffen, dass sichtbare Tonwertsprünge im Bild entstehen.

Da Kameras und Scanner mindestens mit 12 Bit Wandlern ausgestattet sind, ist eine 16 Bit Ausgabe sinnvoll. Die 12 Bit sagen aus, dass das Eingabegerät seine Messwerte in 1024 Stufen unterteilen kann. Diese bleiben in der 16-Bit Datei erhalten und stehen bei der folgenden Bildbearbeitung voll zur Verfügung. Die 1024 Werte verteilen sich in gleichmäßigen Abständen auf einer Skala mit 65536 Stufen der 16-Bit Datei. Daher gehen bei der Bearbeitung nicht unbedingt Tonwerte verloren. Sie verteilen sich anders auf der Skala, bleiben aber in ihrer Gesamtzahl vorhanden, sofern man keine drastischen Veränderungen praktiziert. Hinzu kommt, dass beim Scannen die Hintergründe oder Ränder der Vorlagen teilweise mitgescannt werden. Sie können deutlich heller oder dunkler als die Bildpartien sein, um die es eigentlich geht. Sie haben Einfluss auf die Ausgabe der Bilddatei, welche dann nur einen begrenzten Teil der verfügbaren Tonwertskala für die bildwichtigen Zonen verwendet. Nach dem Beschnitt der Bilder im Photoshop wird eine Spreizung der Tonwertkurve notwendig, um ein brauchbares Bild zu erzeugen. Dabei entstehen ungenutzte Lücken in der Tonwertabstufung. Folgt danach noch eine Kontrastveränderung, kann die Enddatei qualitativ mangelhaft sein.

Wozu wandelt man die 16-Bit Dateien in 8-Bit Daten?

16-Bit Dateien sind doppelt so groß wie 8-Bit Dateien und können bis zu 256 mal so viele Informationen beinhalten. Bis Anfang dieses Jahrhunderts war die Bildbearbeitung eine starke Belastung für Computer. Erst der rapide Preisverfall bei Festplatten mit großen Kapazitäten, bei Arbeitsspeichern und Prozessoren sowie der Verfügbarkeit von billigen Speichermedien wie DVDs sowie die enorme Erhöhung der Datentransfergeschwindigkeit über Netze, beseitigten den Zwang zum Datensparen. Das bekannte jpg-Format kann nur 8-Bit Daten speichern. Viele Bildverwaltungs und -bearbeitungsprogramme waren nur für 8-Bit Daten vorgesehen. Mittlerweile wird diesbezüglich stark nachgebessert. Der Photoshop CS 2 kann nahezu alle wichtigen Schritte im 16-Bit Modus durchführen. Eigentlich spricht nichts dagegen, die Bilder im 16-Bit (48-Bit RGB) Format zu belassen. Seitdem billige Programme wie Thumbs Plus 7 Massenbeschriftungen von 16-Bit-Tiffs erlauben, speichere ich meine Digitalkamera-Dateien grundsätzlich in dem Format auf DVDs. Die Daten für den schnellen Zugriff sind als jpg-Dateien mit erheblich geringerem Volumen auf dem Rechner gespeichert.