Pixels, resolutie en afmetingen in digitale fotografie. Inleiding. Het begrip pixel wordt in verschillende vakgebieden gebruikt waardoor niet iedereen onder een pixel hetzelfde verstaat. In de digitale fotografie echter verstaat men onder een pixel : Een pixel is een vierkantje met een egale kleur. Omdat zowel de fabrikanten van camera's als de makers van software voor fotoverwerking zich hieraan houden, kun je gelukkig zonder problemen een JPEG bestand dat van je camera komt in je PC zichtbaar maken en verder verwerken. Pixel : Een plaatje verdelen we in een raster van een hele hoop even grote vierkantjes. Zo’n vierkant noemen we een beeldpunt ofwel een pixel. Tijdens het opnemen van een digitale foto ( of tijdens het maken van een scan ) wordt de gemiddelde kleur van elk pixel afzonderlijk gemeten en ( meestal ) met 3 byte vastgelegd. 1 byte voor 256 gradaties rood aan te geven. 1 byte voor 256 gradaties groen aan te geven. 1 byte voor 256 gradaties blauw aan te geven. In totaal kun je zo 256*256*256 = 16.777.216 verschillende tinten maken. In de werkelijkheid is zo'n vierkantje niet egaal van kleur, maar na het digitaliseren heet het een pixel en wordt gedaan of het wel egaal van kleur is. Dit betekent dat er met het digitaliseren, beeld informatie verloren gaat. Hierdoor zal een gedigitaliseerd beeld altijd maar een benadering blijven van de werkelijkheid. Door nu de pixels heel klein te maken kun je dat niet meer zien. Om dit te demonstreren laat ik nu een plaatje 5 maal zien met verschillende aantallen pixels. 10 * 10 , 40 * 40 , 100 * 100 , 400 * 400 en 1000 * 1000 pixel Conclusie : Als de pixels zo klein zijn dat je ze niet meer met het blote oog kunt onderscheiden is de indruk die je krijgt hetzelfde als het werkelijke beeld.
Rothenburg o.d. Tauber 10 * 10 pixels Zeer klein bestand, maar onherkenbaar.
Rothenburg o.d. Tauber 40 * 40 pixels Klein bestand, maar nauwelijks herkenbaar.
Rothenburg o.d. Tauber 100 * 100 pixels De tekst is niet te lezen.
Rothenburg o.d. Tauber 400 * 400 pixels Herkenbare maar matige afbeelding.
De volgende afbeelding is van goede kwaliteit meer het bestand is dan ook groter dan alle voorgaande samen.
Resolutie : De resolutie is een maat om aan te geven hoe precies het oorspronkelijke beeld weergegeven wordt. De resolutie wordt helaas meestal opgegeven in pixels per inch ( ppi ), omdat de fabrikanten van printers en camera's en software schrijvers of Amerikanen zijn ofwel hoofdzakelijk voor de Amerikaanse markt werken. Ik ben zelf een Europeaan en dus vind ik punten per centimeter ( pp/cm ) handiger. Werk je met grote pixels dan is de resolutie ( pp/cm waarde ) laag en zijn er in het totaal maar een klein aantal pixels en is het bijbehorende bestand klein. Werk je met kleine pixels dan is de pp/cm waarde hoog en zijn er veel pixels en is het bijbehorende bestand groot. De resolutie moet zo groot zijn dat je de afzonderlijke pixels niet meer ziet. Voor een foto die je bij het bekijken in je hand houdt wordt aanbevolen een resolutie van 120 pp/cm ( 300 ppi ). Veel ( vooral oudere ) mensen kunnen zelfs het verschil tussen 80 en 100 pp/cm niet ( meer ) zien. Persoonlijk vind ik minimaal 100 pp/cm voor albumfoto's zeer acceptabel. Een beeldscherm staat wat verder van je ogen vandaan en daarom kan de resolutie wat lager zijn. In veel software staat een waarde ingevuld van 72 ppi ( 28 pp/cm ). Ook mijn camera geeft dat getal mee aan elk plaatje terwijl dat nergens op slaat. Dit stamt volgens mij nog uit de tijd dat het zogenaamde 15 inch scherm populair was. Zo'n scherm was 28 cm breed en een lijn had 800 pixels en de resolutie was : 800 pixels : 28 cm = 28 pp/cm Mijn oude 17 inch monitor is 32 cm breed en heeft 1024 pixels per lijn en dat betekent 1024 : 32 = 32 pp/cm ( 81 ppi ) Mijn laptop is 33 cm breed en heeft 1280 pixels per lijn en dat betekent 1280 : 33 = 38,8 pp/cm ( 99 ppi ) Er is dus een duidelijke tendens naar een hogere resolutie voor schermen. Omdat je ogen ongeveer 2 * zover van het PC scherm verwijderd zijn dan van een album foto, verwacht ik dat uiteindelijk de resolutie van het PC scherm ongeveer 50 pp/cm zal worden. Oefening 1 : Het is best een nuttige oefening te kijken naar het aantal pixels per horizontale lijn van je eigen beeldscherm. Vervolgens meet je met een gewone maatlat de breedte van het scherm. Deel het aantal pixels door de breedte in cm en je hebt de resolutie van je eigen scherm in pp/cm.
Afmetingen . Ons eigen cameraatje levert foto's van 2560 * 1920 pixels. Om te beginnen verander je het aantal pixels niet om geen kwaliteit te verliezen. Als ik zo'n plaatje 100 % maak ( d.w.z. elke pixel van het bestand wordt een pixel op het scherm ) dan zou het plaatje 2 * breder worden dan mijn scherm want een horizontale lijn op mijn scherm is 1280 pixels en het aangeboden beeld is 2560 pixels. Als ik in dat programma uitzoom naar b.v. 25 % wat gebeurt er dan ? Het programma maakt een hulpplaatje aan en doet dat als volgt : Het bestand wordt verdeeld in blokjes van 4 * 4 pixels en vervolgens wordt dit blokje van 16 pixels teruggerekend tot 1 pixel. Wat er dan overblijft, is een hulpbestand van ( 2560 : 4 ) * ( 1920 : 4 ) = 640 * 480 pixels dat naar het scherm wordt gestuurd. Denk er aan, het aantal pixels in het bestand wijzigt niet maar het programma smokkelt door niet het echte plaatje maar het hulpplaatje zichtbaar te maken. Merk op dat in het bovenstaande stuk niets staat over de resolutie of over de afmetingen. We kunnen dus zeggen dat een digitaal bestand uit pixels bestaat.
Oefening 2 : Ga naar afbeeldingsgrootte. Zorg dat het aantal pixels niet verandert. Maak de resolutie b.v. 2 * zo groot en zie dat de breedte en hoogte 2 * kleiner worden. Maar merk vooral op dat het plaatje op het beeldscherm niet veranderd. Voor het werken op het beeldscherm worden het getal voor de resolutie ( en de daarvan afgeleide breedte en hoogte ) die in het bestand staat niet gebruikt. Oefening 3 : Haal een plaatje binnen dat in de modus 100 % op het beeldscherm past. In mijn geval, minder dan 1280 pixels breed. Ga naar afbeeldingsgrootte. Zorg dat het aantal pixels niet verandert. Neem voor de resolutie de resolutie van je eigen beeldscherm. In mijn geval was dat 38,8 pp/cm. Pak een maatlat en meet de breedte en zie dat dit overeenkomt met het getal voor de breedte.
Nu gaan we printen : Stel je veranderd niets aan het bestand, aan het aantal pixels maar ook niet aan de afmetingen en je stuurt het bestand op naar een afdrukcentrale. Die centrale vraagt : Welk papierformaat wilt U hebben ? Ter plekke kun je dan bijvoorbeeld invullen 15 * 10 cm. Omdat de verhoudingen niet kloppen maakt de centrale er 13,3 * 10 cm van en negeert het getal voor resolutie (en dus de afmeting ) die in het bestand staan volkomen. Als je de breedte toch 15 cm wilt hebben dan zou de hoogte 11,25 cm moeten zijn en dus moet er in de hoogte 1.25 cm af om op 10 cm uit te komen. Dit kost dus een stukje van het beeld. Dat schijn je de afdrukcentrale te kunnen laten doen maar dan weet je niet zeker of het er boven of onder af gaat en daarom doe ik dat altijd zelf in het bestand. Voor de liefhebbers : De hoogte in pixels moet dan zijn 2560 * 2/3 = 1707 ipv 1920 Ik snij er dus 1920 – 1707 = 213 pixels af. Druk je het af op je eigen printer dan moet je wel de afmetingen goed invullen. Doe je dat niet dan vult, in mijn geval, de camera een resolutie in van 28 pp/cm. ( 72 ppi ). Dit slaat eigenlijk nergens op maar een betere waarde kan ik niet instellen. Als je uitgaat van een plaatje van 2560 * 1920 pixels dan worden de afmetingen ongeveer 90 * 68 cm. Stuur je dat argeloos naar de printer dan draait dat uit op een hoop papier en inkt verknoeien. Wat moet er dan gebeuren ? Om te beginnen verander je het aantal pixels niet om geen kwaliteit te verliezen. Je vult in de breedte = 13,3 cm en je zult zien dat de hoogte 10 cm wordt en de bijbehorende resolutie 192 pp/cm. ( 2560 pixels : 13,3 cm = 192 pp/cm ) Op het beeldscherm zie je hier niets van want dat werkt niet met cm maar met pixels. Als je de breedte 15 cm wil hebben dan wordt de hoogte 11,25 cm en de resolutie 171 pp/cm. Ook hier geld dat als je 15 * 10 cm wilt hebben dat je of van de afgedrukte foto 1,25 cm af moet snijden of in het bestand van de hoogte 213 pixels aftrekken
Minimum benodigd aantal pixels. Om de keuze van het minimum aantal pixels te kunnen maken moet je jezelf afvragen, wat wil ik met de gemaakte opnamen gaan doen. Ik zal het uitleggen voor 3 verschillende soorten gebruik : 1 ) Vacantie kiekjes die zonder enige bewerking op papier van 10 * 15 cm af worden gedrukt. 2 ) Plaatjes die bewerkt worden en afgedrukt worden op papier van 13 * 18 cm. 3 ) Plaatjes die bewerkt worden en geschikt moeten zijn voor een TV scherm van 1920 * 1080 pixels.
Ad 1 ) Stel dat je alleen maar afdrukken op papier van 10 * 15 cm wilt maken en niets meer. Volgens mij heb je minimaal 100 pixels per cm nodig voor een redelijke afdruk. Voor 15 cm breedte wordt dat 15 * 100 = 1500 pixels per horizontale lijn. De huidige camera's hebben allemaal een hoogte/breedte verhouding van 3 : 4 Het minimum aantal pixels wordt dan 1500 * ( ¾ * 1500 ) = 1,7 Mpixel. Ad 2 ) Als echte computergebruiker kun je het natuurlijk niet laten om aan de opname te rommelen. Stel dat je vindt dat de groep op de opname te klein is omdat de fotograaf te veraf stond. Daar kun je iets aan doen door b.v. 40% van de breedte weg te knippen. Voor een plaatje van 18 cm breed, moet elke horizontale lijn in het uiteindelijke plaatje 18 * 100 = 1800 pixels bevatten. Je dient in dit geval uit te gaan van een opname die 1800 / 0,6 = 3000 pixels breed is. Omdat de huidige camera's een hoogte/breedte verhouding van 3 : 4 hebben kom je uit op 3000 * ( ¾ *3000 ) = 6,75 Mpixel. Bij de aanbevolen 120 pp/cm wordt dit zelfs : 6,75 * 1,2 * 1,2 = 9,7 Mpixel. Ad 3 ) Het kan ook zijn dat je redeneert : Afdrukken en in een album plakken, welnee ik bekijk ze wel op het beeldscherm. In dat geval lijkt het me verstandig om er van uit te gaan dat TV schermen straks 1920 * 1080 pixels hebben. Dat is 2 Mpixel met een beeldverhouding van 16 : 9. Als de bij de gebruikte camera de beeldhoogte ¾ van de breedte is dan heb je nodig : 1920 * ( ¾ * 1920 ) = 2,76 Mpixel Wil je 40 % van de breedte weg kunnen knippen dan wordt dat al gauw ( 1920 / 0,6 ) * ( ¾ *1920 / 0,6 ) = 7,7 Mpixel
Compressie : Tot hier toe hebben we alleen maar gesproken over het JPG formaat om het plaatje vast te leggen. In dat formaat worden de gegevens gecomprimeerd om geheugenruimte op de camera te sparen. Zo gauw je het JPG plaatje een programma binnenhaalt wordt dit bestand geëxpandeerd en wordt van elk pixel afzonderlijk de kleur vermeld. Het voorbeeldplaatje van 1000 * 1000 pixels dat zo'n 1,2 Mb groot was, gebruikt dan plotseling 3 * 1000 * 1000 = 3 Mb van het RAM. Kies je bij het wegschrijven voor een niet comprimerend formaat zoals TIF of BMP dan blijft dat 3 Mb. Heb je bv een foto met een strakblauwe lucht dan kan het zijn dat er op een lijn 1000 precies dezelfde blauwe pixels staan. Dat kost dan 1000 * 3 = 3000 byte. Je kunt ook zeggen nu komen er 1000 blauwe pixels aan en dat kun je met ( ik denk ) 8 of 9 byte doen. Zulk soort dingen gebeuren er als je het JPG formaat gebruikt. Daardoor wordt het JPG bestand kleiner dan een TIF of BMP bestand. Deze bewerking heet compressie. Als je nu toe staat dat pixels die iets anders blauw zijn toch blauw genoemd worden kun je nog meer bytes besparen echter, de foto gaat nog verder van de werkelijkheid afwijken. De keerzijde van de keuze voor deze kleinere bestandsafmeting is dus dat het plaatje min of meer beschadigd wordt. Door de z.g. kwaliteits factor groot te maken is de beschadiging minimaal maar de mate van compressie ook. Als je een plaatje herhaalde malen een programma binnenhaalt en elke keer wegschrijft als JPG dan kan de beschadiging aardig oplopen. Het TIF formaat heeft de mogelijkheid om bestanden volgens de ZIP methode te comprimeren. Deze methode van compressie is volkomen verliesvrij maar de bestandsgrootte neemt ook maar met ongeveer 1/3 af. Omdat geheugen steeds goedkoper wordt is het te overwegen om alle foto's in het TIF formaat op te slaan.
ISO waarden In een digitale fotocamera met b.v. ISO waarden 100, 200, 400 en 800 wordt de informatie komende van de miljoenen rode, blauwe en groene sensortjes in eerste instantie verwerkt tot 3 getallen per pixel. Deze 3 getallen die de helderheid voor rood, blauw en groen aangeven kunnen in grootte variëren van 0 tot 2048. ( Dit is 11 bit in het tweetallig stelsel ) In feite is de camera een lichtmeet instrumentje dat in mijn geval getallen aflevert die kunnen lopen van 0 tot en met 2047. ___________________________________________________________________ | | | | | 0 256 512 1024 2047 <- donker helder ->
ISO = 100 Stellen we nu de camera in op ISO = 100 en maken we nu een ideaal belichte foto. Dan zullen de hoogste getallen kleiner zijn dan 2048 en flink groter dan 1024. ( Bij overbelichting worden alle waarden die eigenlijk groter zouden moeten zijn dan 2047 teruggebracht tot 2047. Bij het weergeven later zullen de nuances in de helderste gedeelten daardoor vervagen of zelfs verdwijnen. Het eerste zie je dat in wolkenpartijen en witte truien. ) ( Bij onderbelichting blijft het hoogste helderheids getal onder de 1024. ) Stel nu dat in de gemaakte foto een egaal gesaust vlak voorkomt. In het ideale geval hebben alle pixels die in dit vlak vallen dezelfde getallen voor de helderheid. Echter : Niets is volmaakt in deze wereld. Door meetfouten variëren deze getallen en mijn schatting is dat die fout 16 stappen is. Stel dat in het bovengenoemde gesausde vlak de helderheid b.v. 1500 was, dan zullen de helderheids getallen toch variëren van 1492 tot 1508. Bij het weergeven later zie je dan verschillen in de helderheid. Deze verschillen noemen we ruis. Deze ruis laat zich vergelijken met wat we in de analoge fotografie korrel noemen. Opmerking : Natuurlijk is deze aanname voor de foutgrootte zeer aanvechtbaar maar om dit verhaal niet te abstract te maken werk ik toch maar met deze aanname. De helderheids getallen die in het uiteindelijke foto bestand komen, hebben als hoogste waarde 255. Om dit te bereiken worden alle helderheids getallen die we hadden, gedeeld door 8 en afgerond op hele getallen. ( Van 11 bit naar 8 bit in het tweetallig stelsel ) ( Zoals gezegd was de foto genomen met ISO = 100. ). De fout wordt dan ook gereduceerd van 16 naar 16 : 8 = 2. ISO = 200 Stel dat je precies dezelfde opname nogmaals maakt, maar met exact de halve sluitertijd. Daardoor zullen alle helderheids getallen halveren en niet boven 1024 uitkomen.
Om een te donkere weergave te voorkomen stellen we de camera in op ISO = 200. Dan zullen alle helderheids getallen door 4 ( i.p.v. 8 ) gedeeld worden en bij het weergeven later is de helderheids indruk hetzelfde als bij de eerste opname. Jammer genoeg wordt de fout ook maar door 4 gedeeld en wordt 16 : 4 = 4. ( i.p.v. 2 bij de eerste opname ) ISO = 400 Stel dat je een derde opname maakt, maar met exact een kwart van de sluitertijd t.o.v. de sluitertijd gebruikt voor de eerste opname. Daardoor zullen alle helderheids getallen niet boven 512 uitkomen. Om een te donkere weergave te voorkomen stellen we de camera in op ISO = 400. Dan zullen alle helderheids getallen door 2 gedeeld worden en bij het weergeven later is de helderheids indruk weer hetzelfde als bij de eerste opname. Jammer genoeg wordt de fout ook maar door 2 gedeeld en wordt 16 : 2 = 8. ISO = 800 s De vierde opname maken we met exact 1/8 van de sluitertijd t.o.v. de eerste opname. De helderheid krijgen we weer goed door voor ISO = 800 te kiezen. Nu zullen alle helderheids getallen niet boven 255 uitkomen. Er wordt dan ook niet meer gedeeld waardoor de fout 16 blijft. ISO = 3200 Canon heeft in zijn camera Powershot G7 iets nieuws bedacht. Stel dat we met exact 1/32 van de sluitertijd t.o.v. de eerste opname een opname maken met ISO=3200. De helderheids getallen komen dan niet boven de 64 uit. Door nu de getallen van meerdere pixels bij elkaar op te tellen kunnen we toch helderheids getallen tot 256 krijgen. De ruis blijkt bovendien lager te zijn dan bij ISO = 800. Maar niets voor niets, hiervoor moet een prijs betaald worden. Het aantal pixels wordt gereduceerd van 3648 * 2736 naar 1600 * 1200 wat amper genoeg is voor een 15 cm brede afdruk. Conclusie : Als je hogere ISO waarden kiest om korter te kunnen belichten zal de ruis in de uiteindelijke weergave toenemen of zoals bij de Powershot G7 het aantal pixels afnemen. Naschrift : De bovenstaande rekenbewerking lijkt misschien ingewikkeld maar komt in een binair systeem neer op simpelweg de juiste bits weggooien en is bovendien waarschijnlijk verweven met de andere rekenbewerkingen.
