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Tutorial:       8-Bit / 16 Bit

Thomas Gade © Juli 2005

Anfängern in der Bildbearbeitung ist oft nicht klar, was 8-Bit oder 16-Bit Farbtiefe bedeuten. Verwirrend ist zudem, dass es 24-Bit und 48 Bit Dateien gibt.

Auf diese Angaben stoßen wir beim Speichern von Dateien. Dort wird abgefragt, ob mit 8 oder 16 Bit, bzw. 24 oder 48 Bit gespeichert wird.

Hintergrund ist, dass Scanner und Digitalkameras Helligkeitsunterschiede zwischen dunkel und hell in Stufen einteilen. Je feiner dies geschieht, desto mehr Stufen sind nötig.

Auf der einen Seite, ist es nicht sinnvoll, unendlich viele Stufen zu haben, weil die Anzahl der dazugehörigen Werte dann auch gegen Unendlichkeit geht, andererseits dürfen es nicht zu wenige Stufen sein, weil man sonst Helligkeitssprünge sieht. Ein Tonwert- oder Farbverlauf wurde dann nicht stufenlos verfolgen.

Betrachten wir das mit einigen Beispielen.



Einteilung in Stufen


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.


Mit 256 Stufen fließen die Tonwerte für unsere Augen stufenlos ineinander über.


Natürlich wirkende Bilder zeigen Tonwerte ohne sichtbare Stufen (Tonwertsprünge)

Es gibt 8 Bit oder 16 Bit Dateien.

Das sind Angaben für einen Farbkanal oder für Schwarzweissbilder. 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.

Bits und Bytes

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 zusamenzufassen. 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, kann man nicht einfach 1 Bit dazu nehmen, es muss mindestens ein weiteres Byte sein.

Damit kann man dann 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 000 unterschiedliche Stufen zu differenzieren, lassen sich diese nicht mit 8 Bit (1 Byte) darstellen, wir bräuchten 10 Bit. Die gibt es aber nicht. Erst mit 16 Bit (2 Byte) können wir die darin enthaltenen 10 Bit verfügbar machen. Man muss sich daher 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 ansehlich zu machen. Wenn in der Urdatei das Bild nicht komplett auf die 256 Tonwerte verteilt wurde und die Werte von Schwarz nach Weissgespreizt 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 Auseinderzerren 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 notwndig, um ein brauchbares Bild zu erzeugen. Dabei entstehen ungenutzte Lücken in der Tonwertabstufung. Folgt danach noch eine Kontrastveränderung, kann die Enddatei qualitativ mangelhaft sein.

Farbtiefe


Die Bit-Zahl trägt in der Sprache der Bildbearbeitung und Fotografie die Bezeichnung Farbtiefe. Es heißt beispielsweise: "Das Foto hat eine Farbtiefe von 8 Bit."

Warum wandelt man 16-Bit zu 8-Bit?


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 Sparen von Speicherplatz.

16 Bit pro Kanal sind praktisch nur dann nötig, wenn am Bild starke Tonwertkorrekturen vorgenommen werden. Ist ein Foto fertig, sodass auch bei Kopien nicht mit schwerwiegenden Änderungen des Kontrastes oder der Farben zu rechnen ist, kann es eigentlich auf 8 Bit pro Kanal reduziert werden. Das passiert übrigens immer, wenn ein Bild im JPG Format abgespeichert wird.

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, ist das Speichern mit 16/48 Bit Farbtiefe vorteilhaft.

Reduzierung auf 8 Bit sinnvoll?

Seit etwa 2012 sind Speichermedien mit großer Kapazität so preiswert, dass ein Sparen des Platzes durch die Halbierung der Bit-Zahl nur noch wenig Sinn macht. Inzwischen bewahren viele Fotografen ihre Dateien im RAW-Format oder sogar als TIF mit 48 Bit (3x 16 Bit).

Auch sind Computer seitdem leistungsstark und haben ausreichend Arbeitsspeicher, um große Bilddateien zu handhaben und die Technik hat sich sogar weiter entwickelt. Längst ist das Speichern und Bearbeiten von vielen Fotos für moderne Computer eine eher anspruchsarme Aufgabe.

Es spricht nichts gegen ein zusätzliches Archiv aus JPG-Dateien, das selbst bei großen Bildermengen eine überschaubare Speichermenge belegt, aber externe Festplatten mit etlichen Terabyte sind mittlerweile so günstig, dass die ursprünglichen Dateien oder jene, die als solche betrachtet werden, mit 16 Bit pro Kanal gespeichert werden.


Das platzsparende Format JPG ist auch günstig, wenn Fotos auf dem Smartphone mitgenommen werden. Sind Scans oder Fotos von der DSLR / DSLM im 16-Bit Format auf einer Archiv-Festplatte vorhanden, können einige, die man immer dabei haben möchte als JPG auf das Smartphone kopiert werden, weil es mit großen TIF-Dateien im 16 Bit (48 Bit RGB) noch überfordert ist. Sein Speicher wäre zu schnell voll.

Die Kirche im Dorf lassen


Für feine Tonwertdifferenzierungen sind 16 Bit pro Kanal eine bessere Ausgangsbasis als 8 Bit. Je mehr man hat, desto besser. Zumindest gilt das für Fotos, bei denen ein stärkerer Korrekturbedarf vorhanden ist. Beispielsweise beim Aufhellen von Schattenparteien, die anschließend viel mehr Details zeigen als die ursprünglich fast schwarze Bildzone.


So oft kommt das nicht vor. Unsere Smartphones und kompakten Digitalkameras liefern JPG-Dateien, die meistens so gut sind, dass man in der Bildbearbeitung selten auf Grenzen bei der Tonwertkorrektur stößt. Sieht ein Foto gut aus, kann es auch mit 8 Bit pro Kanal gespeichert werden. Es geht also gar nicht um entweder oder. Masterdateien werden voller Farbtiefe aufbewahrt und im Alltag wird auf das JPG Archiv zugegriffen.


Diese Botschaft ist mittlerweile auch in den Verlagen angekommen. Noch vor wenigen Jahren bestanden Zeitschriften mit hochwertigem Farbdruck darauf, Fotos als Tiffs mit 16-Bit Farbtiefe zu bekommen. Davon ist man abgekommen, wenn die JPG-Dateien bereits gut aussehen. Ihre Dateigrößen sind erheblich kleiner und es dauert nicht so lange, bis man sie per Internet an eine Redaktion schickt oder in die Cloud, aus der sie abgeholt werden. Die Geschwindigkeitsvorteile überwiegen minimale qualitative Verbesserungen.


© Thomas Gade / Juli 2005 / überarbeitet 2019



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