Alle ueber Bittiefe, Graustufentiefe und Farbtiefe - Carl Zeiss

AxioVision von Carl ZeissWas Sie über die Bittiefe Ihrer Aufnahmen wissen sollten1. Einleitung .................................................................................................................... 22. Grundlagen ................................................................................................................. 23. Bittiefe bei Schwarz/Weiß-Aufnahmen ..................................................................... 33.1. 1-bit Graustufentiefe ............................................................................................... 33.2. 2-bit Graustufentiefe ............................................................................................... 43.3. 4-bit Graustufentiefe ............................................................................................... 53.4. 8-bit Graustufentiefe ............................................................................................... 64. Bittiefe bei Farbaufnahmen ....................................................................................... 64.1. Farbkanäle .............................................................................................................. 74.2. 1-bit Farbtiefe pro Farbkanal .................................................................................. 74.3. 2-bit Farbtiefe pro Farbkanal .................................................................................. 84.4. 24-bit Aufnahme ..................................................................................................... 94.5. 30-bit Aufnahme ................................................................................................... 105. Bittiefen in der Übersicht ......................................................................................... 115.1. Übersicht Graustufentiefe ..................................................................................... 115.2. Übersicht Farbtiefe ............................................................................................... 126. Vorteile einer höheren Bittiefe ................................................................................. 126.1. Bessere Bildqualität .............................................................................................. 126.2. Genauere Analysen .............................................................................................. 146.3. Präzisere Filtermöglichkeiten ................................................................................ 156.4. Bessere Darstellungsmöglichkeiten ...................................................................... 16Über Bittiefe Seite 1

1. EinleitungWenn Sie sich über unsere AxioCam Digitalkameras informieren, das Histogrammbenutzen oder Ihre Bilder in einem bestimmten Bildformat speichern, dann begegnen Sieunweigerlich den Begriff Bittiefe oder Farbtiefe. Was verstehen wir eigentlich unter Bittiefe?Worin unterscheidet sich eine 8-bit und eine 12-bit Aufnahme? Wie viele Farben sind beieiner Farbtiefe von 48 Bit überhaupt darstellbar? Welche Vorteile hat eine höhere Bittiefe?In diesem Beitrag werden wir dieses Thema genauer durchleuchten und Ihre Fragenbeantworten.2. GrundlagenEin Bild besteht aus vielen einzelnen Bildpunkten. Die nachfolgende Aufnahme gliedertsich zum Beispiel in 600 Spalten. Jede Spalte besteht aus 400 Bildpunkten. Die Aufnahmehat daher eine Auflösung von 600 x 400 Pixeln:Sie sehen Gewebe aus einer hochaufgelösten Aufnahme eines Mausembryos. Die blauen Zellkerne sind mitHämatoxylin markiert. Die braunen Zellkern erhalten ihre Farbe durch immunhistochemische DAB-Färbung.Über Bittiefe Seite 2

Die Aufnahme setzt sich also zusammen aus 600 Spalten x 400 Reihen = 240 000einzelnen Pixeln. Jedes Pixel hat eine eigene Farbe:Stark vergrößerter Ausschnitt der Aufnahme oben.Die Farbtiefe eines Bildes gibt an, wie viele unterschiedliche Farbtöne pro Pixel darstellbarsind.3. Bittiefe bei Schwarz/Weiß-AufnahmenWir tasten uns an den Begriff Farbtiefe langsam heran und beginnen mit dem einfachstenFarbmodus: dem Schwarz/Weiß-Bild. Wir sprechen dabei besser von einerGraustufentiefe als von einer Farbtiefe.3.1. 1-bit GraustufentiefeWir haben eine s/w-Aufnahme mit einer Graustufentiefe von 1 Bit. Ein einzelnes Bit kannjeweils zwei Zustände annehmen: 0 oder 1. Die Aufnahme setzt sich demzufolge ausmaximal 2 1 = 2 verschiedenen Grautönen zusammen.Bei einer 1-Bit Aufnahme gibt es für jeden Bildpunkt entweder den Zustand schwarz (0)oder weiß (1). Man spricht hier von einem Binärbild:Über Bittiefe Seite 3

3.2. 2-bit Graustufentiefe2-bit Aufnahmen haben bei Ihrer täglichen Arbeit mit AxioVision keine Bedeutung. DasBeispiel hilft uns jedoch, das Prinzip anschaulich zu erläutern. Mit 2 Bits lassen sichmaximal 2 2, also 4 unterschiedliche Zustände darstellen.In anderen Worten können pro Pixel vier verschiedene Töne dargestellt werden. Inunserem Beispiel reicht die Grauskala in vier Stufen von schwarz, über zwei Grautöne zuweiß:Über Bittiefe Seite 4

3.3. 4-bit GraustufentiefeWenden wir das oben genannte Prinzip auf eine Aufnahme mit 4-bit Grautiefe an, erhaltenwir insgesamt 2 4 = 16 verschiedene Grautöne.Um die Formel zu erklären, hilft die Kombinatorik. Stehen 4 Bit zur Verfügung, lassen siesich wie folgt kombinieren:0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 0 3 0 0 1 14 0 1 0 0 5 0 1 0 1 6 0 1 1 0 7 0 1 1 18 1 0 0 0 9 1 0 0 1 10 1 0 1 0 11 1 0 1 112 1 1 0 0 13 1 1 0 1 14 1 1 1 0 15 1 1 1 1Daraus resultieren 16 unterschiedliche Kombinationen. Jede Kombination liefert dieInformation für einen Farbton.Über Bittiefe Seite 5

3.4. 8-bit GraustufentiefeWir rechnen die Grautiefe nach der Formel aus: 2 8 = 256 GrautöneErhöht man also die Grautiefe von 2 auf 4 Bit, so können pro Pixel bereits 256verschiedene Grautöne dargestellt werden. Diese Graustufentiefe ermöglicht uns bereitsden fließenden Übergang von Schwarz zu Weiß.4. Bittiefe bei FarbaufnahmenNun können wir den Sprung von Schwarz/Weiß-Aufnahmen zu Farbaufnahmen wagen.Alles, was oben zur Grautiefe gesagt wurde, gilt auch für Farbaufnahmen. Wie kommtjedoch Farbe ins Spiel?Über Bittiefe Seite 6

4.1. FarbkanäleJede Digitalkamera setzt unterschiedliche Farbtöne aus den drei Grundfarben rot, grünund blau zusammen. Der Rotkanal enthält alle Rotanteile eines Bildes, der Grünkanal alleGrünanteile und der Blaukanal alle Blauanteile.Möchten Sie mehr zur Funktionsweise der AxioCam erfahren, lesen Sie den NewsletterBeitrag „Schwarz/Weiß-Kameras in der Mikroskopie“.Jeder Bildpunkt enthält die Information von drei verschiedenen Farbkanälen. Seine Farbeentsteht, indem die Kanäle überlagert werden. Für jeden einzelnen Farbkanal gilt genaudasselbe wie für den Graustufenkanal einer Schwarz/Weiß-Aufnahme: Die Anzahl der Bitsgibt die unterschiedlichen Helligkeitsabstufungen pro Farbkanal vor.4.2. 1-bit Farbtiefe pro FarbkanalDie kleinste darstellbare Einheit ist wie beim S/W-Bild 1-bit Farbtiefe pro Farbkanal. Dasmacht zusammen für den Rot-, Grün- und Blaukanal insgesamt 3 Bit. Wir sprechen dahervon einer 3-bit Aufnahme.Zur Erinnerung: Ein Bit hat entweder den Zustand 1 oder 0. Für den Rotkanal bedeutetdas entweder Schwarz (0) oder Rot (1). Im Grünkanal können die Farbtöne Schwarz (0)oder Grün (1) ausgegeben werden und im Blaukanal Schwarz (0) oder Blau (1). AußerÜber Bittiefe Seite 7

Schwarz und den drei Grundfarben lassen sich noch diese vier zusätzlichen Farbenmischen: Gelb (Rot + Grün), Cyan (Grün + Blau), Magenta (Rot + Blau) und Weiß (Rot +Grün + Blau)Dies entspricht auch der obigen Formel: 2 3 = 8 Farbtöne.4.3. 2-bit Farbtiefe pro FarbkanalStehen 2 Bit pro Farbkanal zur Verfügung, können in jedem Kanal gemäß unserer Formel2 2 = 4 Farbtöne dargestellt werden:Rotkanal: Grünkanal: Blaukanal:Dazwischen gibt es Farbtöne, die sich aus der Mischung der einzelnen Grundfarbenergeben. Insgesamt stehen 3 x 2 = 6 Bit bereit, weswegen wir auch von einer 6-bitAufnahme sprechen. In einer 6-bit Aufnahme können 2 6 = 64 Farbtöne dargestellt werden.Über Bittiefe Seite 8

4.4. 24-bit AufnahmeWir machen einen großen Sprung von einer 6-bit zu einer 24-bit Aufnahme. Bei einer 24-bit Aufnahme stehen 8 Bit pro Farbkanal zur Verfügung. Pro Farbkanal können also2 8 = 256 Farbtöne dargestellt werden.Rotkanal:Grünkanal:Blaukanal:Bei so vielen Farbabstufungen erscheinen die Übergänge vom tiefen Schwarz bisRot/Grün/Blau absolut fließend zu sein. Bei starker Vergrößerung sind jedoch dieeinzelnen Abstufungen erkennbar:Über Bittiefe Seite 9

Eine Farbtiefe von 24 Bit ermöglicht also insgesamt 2 24 ≈ 16.7 Millionen unterschiedlicheFarbtöne. Bei einer solchen Farbenvielfalt, sprechen wir im Allgemeinen von einer „TrueColor“ oder Echtfarbaufnahme.Die meisten Computer-Monitore arbeiten mit einer Farbtiefe von 24 Bit. Möchten Sie IhreAufnahmen also lediglich am Bildschirm betrachten, ist eine Farbtiefe von 24 Bit völligausreichend.4.5. 30-bit AufnahmeWir fahren mit unseren üblichen Berechnungen fort. Ein Farbbild mit 30-bit Farbtiefe hatpro Farbkanal 30 : 3 = 10 Bit. Jeder Kanal kann also 2 10 = 1024 Farbabstufungendarstellen. Insgesamt sind es 2 30 ≈ 1073,7 Millionen Farbtöne.Wie verhält es sich bei einer Schwarz/Weiß-Aufnahme? Eine Schwarz/Weiß-Aufnahmewird mit einem Kanal erfasst. Stehen für diesen Kanal 10 Bit zur Verfügung, sind esinsgesamt 2 10 = 1024 Grautöne, die dargestellt werden können. Man spricht dannallerdings von einem 10-bit s/w-Bild.Eine 30-bit Farbaufnahme entspricht in Bezug auf die Bittiefe einer 10-bit s/w-Aufnahme.Die Bittiefe wird in AxioVision deshalb allgemein – auch für Farbaufnahmen - pro Kanalangegeben:Über Bittiefe Seite 10

Histogramm einer 36-bit Aufnahme. Pro Farbkanal sind 4096 Farbtöne erfasst worden.5. Bittiefen in der ÜbersichtZur besseren Übersicht fassen wir die Bittiefe in Tabellen zusammen:5.1. Übersicht GraustufentiefeGraustufentiefe Darstellbare Graustufen8 25610 1.02412 4.09614 16.38416 65.536Über Bittiefe Seite 11

5.2. Übersicht FarbtiefePro KanalRGB-AufnahmeFarbtiefe Darstellbare Farben Farbtiefe Darstellbare Farben8 256 24 16.777.21610 1.024 30 1.073.741.82412 4.096 36 68.719.476.73614 16.384 42 4.398.046.511.10416 65.536 48 281.474.976.710.6566. Vorteile einer höheren BittiefeEin Farbbild mit 48 Bit Farbtiefe hat pro Kanal 16 Bit, also jeweils 65.536 Farbton-Abstufungen. Insgesamt kommt man auf die unvorstellbare Anzahl von 2 48 ≈ 281 BillionenFarbtönen. Ein marktüblicher Bildschirm erreicht jedoch eine Farbtiefe von nicht mehr als24 Bit. Betrachten wir die Zahlen in Relation: Eine 24-bit Aufnahme kann maximal 16,7Millionen Farbtöne wiedergeben. Zwischen einer 24-bit Aufnahme und einer 48-bitAufnahme besteht demnach eine sehr große Differenz an darstellbaren Farbtönen. Wasmacht es für einen Sinn, ein Bild mit einer höheren Farbtiefe aufzunehmen, wenn dieFarbenvielfalt auf dem Bildschirm und auch auf den meisten Druckern ohnehin verlorengeht? Welche Vorteile bringen die zusätzlichen Farbtöne dem Mikroskopiker?6.1. Bessere BildqualitätJe höher die Farbtiefe, desto höher ist die Bildqualität. Betrachten wir eine 24-bit undeine 48-bit Aufnahme im Vergleich:Über Bittiefe Seite 12

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In der Vergrößerung wird deutlich, dass die 48-bit Aufnahme gegenüber der 24-bit deutlichdetaillierter und kontrastreicher ist. Zudem enthält die 24-bit Aufnahme viele Artefakte, diein der 48-bit Aufnahme nicht auftreten.6.2. Genauere AnalysenJe höher die Bildqualität ist, desto genauer werden Ihre Bildanalysen. Unabhängigdavon, was Sie auf dem Bildschirm sehen, analysiert AxioVision alle verfügbaren Farbenbzw. Grauwerte in Ihrer Aufnahme.Nehmen wir beispielsweise zwei Fluoreszenzaufnahmen von Zellkernen, die mitunterschiedlichen Graustufentiefen aufgenommen wurden:Wir möchten die Zellkerne segmentieren, um sie anschließend zu vermessen. DieSegmentierung der 8-bit Aufnahme gestaltet sich dabei deutlich schwieriger undungenauer. Die Zellkerne werden insgesamt mit nur 12 Grauwerten dargestellt (zwischen3 und 15), mit deren Hilfe wir die Schwellwerte bestimmen müssen.Über Bittiefe Seite 14

Die Zellkerne der 12-bit Aufnahme wiederum erstrecken sich über den Grauwertbereichvon 97 bis 339. In anderen Worten: sie werden durch 242 Grauwerte beschrieben. Sokönnen wir die Schwellwerte viel genauer bestimmen, was im Resultat auch zu einemgenaueren Ergebnis unserer Analyse führt:6.3. Präzisere FiltermöglichkeitenJe höher die Farbtiefe, desto genauer arbeiten die AxioVision Filter. Was für dieBildanalyse gilt, gilt natürlich auch für die Filterfunktionen. Möchten Sie eineKantendetektion durchführen, Ihre Bilder schärfen oder einen Sigmafilter anwenden,werden Sie mit einer höheren Bittiefe bessere Ergebnisse erzielen. Bei den meisten Filternwerden Schwellwerte gesetzt. Je genauer Sie die Schwellwerte bestimmen können, destopräziser werden Ihre Bilder gefiltert.Über Bittiefe Seite 15

6.4. Flexiblere DarstellungsmöglichkeitenJe höher die Farbtiefe, desto gezielter können Sie Farbinformationen auf IhremMonitor darstellen. Dafür stellen Sie die Display-Kennlinie ein. Was die Display-Kennliniezeigt, wie sie eingesetzt wird und wie Sie sie optimal einstellen können, erfahren Sie imBeitrag „Die Display-Kennlinie im Detail“.Betrachten wir das Histogramm einer 8-bit Fluoreszenzaufnahme, so erkennen wir, dassüber 90% aller Graustufen in einem schmalen dunklen Bereich liegen:Um das Motiv überhaupt sichtbar zu machen, begrenzen wir die Darstellung mit derDisplay-Kennlinie auf den linken Bereich. Das bewirkt, dass die Bild -Grauwerte 0 bis 15auf 256 Monitor-Grauwerte gespreizt werden:Über Bittiefe Seite 16

Zur Erinnerung: Ein handelsüblicher Monitor kann pro Kanal 256 Grauwerte darstellen.Eine s/w-Aufnahme wird nur über einen Kanal ausgegeben. Eine s/w-Aufnahme, dazugehören auch Fluoreszenzaufnahmen, erscheinen demzufolge mit maximal 256Graustufen auf Ihrem Monitor. In diesem Fall werden also nur 6% der Grauwertetatsächlich über den Monitor ausgegeben.Zum Vergleich betrachten wir das Histogramm einer 12-bit Fluoreszenzaufnahme mitdemselben Motiv:Um dem Bild mehr Kontrast zu verleihen und das Kernmotiv gegenüber dem Hintergrundhervorzuheben, verschieben wir die Display-Kennlinie nach innen:Über Bittiefe Seite 17

Die Bild-Grauwerte 68 bis 324 werden nun auf 256 Monitor-Grauwerte verteilt. Zufälligsind das auch genau 256 Bild-Grauwerte, so dass jeder Bild-Grauwert durch genau einenMonitor-Grauwert repräsentiert wird. Schneiden wir also 767 Bild-Grauwerte ab, bleibenvon den 1.023 Graustufen immer noch 256 Graustufen übrig. Das reicht, um diesen Kanalin Form einer normalen 8-bit s/w-Datei mit den notwendigen 256 Abstufungenabzuspeichern.Dieses Prinzip gilt auch, wenn Sie den Gammawert einstellen.Über Bittiefe Seite 18