Computerhardware: Auflösung

Pixel-Auflösung

Der Computer als digital arbeitendes Gerät erzeugt digitale Bilder. Das bedeutet, dass jedes Bild - ob auf dem Bildschirm oder auf einem Ausdruck - aus vielen kleinen Pünktchen besteht. Diese Pünktchen nennt man Pixel, das ist ein Kunstwort aus „Picture Element“. Wenn die Pixel genügend dicht angeordnet sind, vermag das Auge sie nicht mehr einzeln wahrzunehmen und sie verschmelzen zu einem Gesamteindruck.

Typische höchste Auflösungen je nach Displaydiagonale
800 × 600	für 14-Zoll-Monitore (36 cm)	66 ppi
1024 × 768	für 15-Zoll-Monitore (38 cm)	79 ppi
1280 × 1024	für 17-Zoll-Monitore (43 cm)	84 ppi
1600 × 1200	für 19-Zoll-Monitore (48 cm)	96 ppi
1920 × 1080	bei 22-Zoll-Monitoren (56 cm)	101 ppi
1920 × 1200	bei 24-Zoll-Monitoren (61 cm)	93 ppi

Den Anzahl der Punkte pro Längeneinheit bezeichnet man als Auflösung. Bei einem Drucker gibt man sie als Dot Per Inch (DPI, Punkte pro Zoll) an. 300 DPI (das sind 12 Punkte pro Millimeter) sind das heute übliche Minimum. Einige Drucker schaffen 600 oder 1200 dpi, professionelle Maschinen 2400 dpi.

Bei Bildschirmen wird die Auflösung als pixel per inch (ppi, Pixel pro Zoll) angegeben. In Laufe der Jahre wurden die Bildschirme größer und auch die Auflösung stieg. Die typischen höchsten Auflösungen von Displays je nach Bildschirmdiagonale sind in der Tabelle dargestellt. Wenn man die Pixelzahl in der Waagerechten durch die Bildschirmbreite teilt, erhält man die Auflösung in ppi. Das Auge kann in der typischen Leseentfernung von 25 bis 30 cm etwa 300 Bildpunkte pro Zoll unterscheiden – dreimal mehr als ein PC-Bildschirm darstellen kann und ebenso viel wie ein 300-dpi-Drucker (auf gutem Papier, wo die Pixel nicht „ausfransen“). Ist Ihnen nun klar, warum viele Menschen Bücher und Dokumente lieber auf Papier als auf dem Bildschirm lesen, wenn sie die Wahl haben?

"Augenfreundlichkeit" von Displays
Gerät	B x H	Breite	Pixel	ppi
Apple iPad 3,5"		3,0"	960	326
Display 22"	4:3	17,6"	1920	109
Display 22"	16:9	19,2"	1920	100
Display 24"	16:9	20,9"	1920	92
Display 24"	16:9	20,9"	3840	184
Display 24"	16:9	20,9"	7680	368
Display 28"	16:9	24,4"	1920	79
Display 36"	16:9	31,4"	1920	61
Display 36"	16:9	31,4"	3840	122
Display 36"	21:9	33,0"	2560	77

Hochauflösendes Fernsehen (HDTV) arbeitet mit 1920 × 1080 Pixeln, auch Kauf-DVDs mit Filmen werden in dieser HD-Auflösung gespeichert. Diese Auflösung ist auch für PC- und Notebook-Displays zum Quasi-Standard geworden. Einige 20"-Bildschirme, die meisten 22"- und wohl alle von 24" und größer erreichen 1920 × 1080 als Maximum. Noch höhere Auflösungen von 2560 × 1440 oder 3840 × 2160 sind noch ungewöhnlich. Aber selbst diese Auflösungen sind noch weit von den Möglichkeiten des Auges entfernt, erst die "8k" Auflösung von 7680 x 4320 erreicht "Augenniveau". Bessere Auflösungen wurden zuerst bei den kleinen Displays von Apple-Smartphones erreicht. Das Smartphone „iPhone 4“ von Apple konnte 960 × 640 Pixel auf einem Bildschirm von 7,5 × 5 cm unterbringen. Weil es mit seinen 326 ppi mehr Pixel hat als das Auge aus 25 bis 30 cm Entfernung erkennen kann, wählte Apple für dieses Display die Bezeichnung „Retina-Display“ (die Retina ist die Netzhaut des Auges mit den Lichtsensoren). Beim iPhone 11 Pro werden 458 ppi erreicht. Auch Smartphones anderer Hersteller erreichen ähnliche Pixeldichten. Wobei 350 ppi auf den kleinen Bildschirmen für Benutzer mit normaler Sehstärke bei normalem Betrachtungsabstand ausreichen, um keine einzelnen Pixel mehr erkennen zu können. Wenn man das Handy nah ans Auge hält, sind 500 ppi sinnvoll.

LCD-Bildschirme haben nur eine einzige feste Auflösung, auch „native“ oder „nominelle“ Auflösung genannt. Eine höhere als die nominelle Auflösung ist unmöglich einzustellen (manche Grafiktreiber unterstützen es dennoch, schaffen dann aber nur eine virtuell verschiebbare Oberfläche. Die angezeigte Fläche wird dabei nicht größer). Geringere Auflösungen sind möglich, aber stets mit einem gewissen Verlust an Schärfe verbunden. Das Bild wird dabei grobkörniger. Das kann man während des Startvorgangs des Betriebssystems sehen: In der Startphase verwenden die meisten Betriebssysteme die Auflösung 640 × 480 Pixel, die von jedem Monitor und vor allem von jeder Grafikkarte beherrscht wird. Nachdem das Laden der Treiber abgeschlossen ist, wird von der grobkörnigen auf die vom Benutzer gewünschte, voreingestellte höhere Auflösung umgeschaltet. Voraussetzung dafür ist, dass für die Grafikkarte ein passender Treiber installiert ist. Einzige Ausnahme: Windows bringt einen Standardtreiber für die Auflösung 800 × 600 mit, der mit fast allen Grafikkarten funktioniert.

Ein Vergleich mit dem Fernsehen:

720 × 576	für PAL-Auflösung (ehemaliges analoges Fernsehen), also recht grobkörnig
1280 × 768	für HDTV-Ready
1920 × 1080	für den HDTV-Standard (High Definition TV)

Warum gibt es verschiedene Auflösungen?

Ob ein Film, das Fernsehbild oder ein Foto, all das wird in einer festen Auflösung aufgenommen, die von der Kamera abhängt. Eine 2-Megapixel-Kamera erzeugt stets Fotos in der Auflösung 1600 × 1200. Wenn der Bildschirm diese Auflösung nicht schafft, wird entweder nur ein Ausschnitt des Fotos dargestellt, oder das Bild wird durch Weglassen einiger Bildpunkte verkleinert.

Auflösung verringern

Wie erfolgt das etwas brutal klingende „Weglassen“? Angenommen, es soll ein Bild der Auflösung 1600 × 1200 auf einem Bildschirm der Auflösung 1280 × 1024 angezeigt werden. Vergleichen wir die Breite der Bildschirme. 1600 verhält sich zu 1280 wie 5:4. Aus fünf Pixeln in der Waagerechten müssen vier Pixel werden. Wie geht das?

Eine einfache Elektronik würde einfach die Spalten 5, 10, 15, 20 usw. weglassen. Sollte dort eine schmale senkrechte Linie sein, verschwindet sie. Pech gehabt.
Eine etwas bessere Elektronik würde von den Pixeln in Spalte 4 und 5 deren Farb- und Helligkeitsmittelwert berechnen und durch ein Pixel ersetzen. Ist das Pixel in Spalte 4 weiß und in Spalte 5 dunkelblau, werden beide Pixel durch ein einzelnes hellblaues ersetzt. Eine schwarze Linie auf weißem Grund würde dann grau werden. Das sieht nicht gut aus, aber wenigstens ist die Linie nicht völlig verschwunden.
Hochwertige Grafikkarten verwenden leistungsfähige, rechenintensive Algorithmen, mit denen die Bildpunkte beiderseits (Spalten 4 und 6) und sogar über und unter dem wegzulassenden Pixel berücksichtigt werden können.

Auflösung vergrößern

Wenn die Auflösung des Bildschirms größer ist als die des Fotos, gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder wird das Bild in Originalgröße in der Mitte des Bildschirms scharf dargestellt, mit einem schwarzen Rand ringsherum. Oder es werden Bildpunkte in Höhe und Breite verdoppelt, bis das Foto den Bildschirm ausfüllt. Eine herkömmliche Fernsehkamera beispielsweise produziert Bilder mit einer Auflösung von 768 × 576 Bildpunkten. Das ist viel weniger, als heutige Bildschirme darstellen können. Daher sieht das klassische Fernsehen auf einem Computermonitor (und auf einem HDTV-Fernseher) grobkörnig aus.

Analoges geschieht bei Ausdrucken eines Fotos. Nehmen wir an, die Kamera hat ein Bild 1600 × 1200 aufgenommen. Viele Drucker haben eine Auflösung von 300 Bildpunkten pro Zoll. 1600 Pixeln ergeben gedruckt 5,33 Zoll (13,5 cm). Das Bild wird also in einer natürlichen Größe von 13,5 × 10 cm ausgedruckt. Wenn Ihnen das zu klein ist, kann das Grafikprogramm aus jedem Bildpunkt vier machen: Zwei nebeneinander und zwei untereinander. Nun ist das Bild 27 × 20 cm groß. Ein gutes Programm wird benachbarte Pixel etwas angleichen, um bessere Farbverläufe zu bekommen.

Computererzeugte Darstellungen

Völlig anders ist die Lage bei Darstellungen, die vom Computer erzeugt werden. Ob Windows-Desktop, Word-Schriftarten oder die Szene eines Computerspiels - der PC kann das alles in jeder gewünschten Auflösung „produzieren“. Mehr noch: Innerhalb der Darstellung können einzelne Bildkomponenten in der Größe verändert werden, beispielsweise kann man eine größere Schrift für Menüs auswählen. Probieren Sie doch mal: Während Sie eine Webseite geöffnet haben (z. B. die, welche Sie gerade lesen) drücken Sie die Taste Strg und halten Sie die Taste gedrückt, während Sie am Rädchen der Maus drehen! So können Sie die Ansicht von Webseiten vergrößern oder verkleinern. Das geht auch über den Menüpunkt „Ansicht“, Unterpunkt „Zoom“.

Pixelgrafik und Vektorgrafik

Es gibt zwei Möglichkeiten, das Aussehen grafischer Objekte im Computer zu speichern. Bei der sogenannten „Pixelgrafik“ wird Farbe und Intensität jedes Bildpunktes gespeichert. Kameras und Scanner erzeugen derartige Abbildungen. Stellen Sie sich vor, ein schwarzes Quadrat der Größe 50 × 50 Pixel soll dargestellt werden. Das sind 2500 Pixel mal 4 Byte, also 10 kByte Speicherbedarf bei 24-Bit-Farbe. Es geht auch anders: Der Grafikkarte wird die Koordinate eines Eckpunktes mitgeteilt und die Anweisung, eine 50 Pixel lange Linie nach rechts, dann 50 Pixel nach unten usw. zu zeichnen und die resultierende Fläche schwarz auszufüllen. Diese Art der Bildspeicherung nennt man „Vektorgrafik“, und sie braucht hundert mal weniger Speicherplatz und lässt sich einfach im Abbildungsmaßstab verändern.

Computerschriften

Früher wurden Schriften als Pixelmuster gespeichert, für jede Schriftgröße gab es eine separate Tabelle. Deshalb war die Auswahl an Schriftgrößen und Schriftarten gering. Dann wurden die „True-Type“-Schriften entwickelt. Das Aussehen der Buchstaben einer TT-Schrift ist nicht als Pixelmuster gespeichert, sondern als Formel („Vektorgrafik“). Die Ziffer drei z. B. kann vereinfacht als zwei übereinanderstehende, nach links geöffnete Halbkreise bzw. Ellipsen beschrieben werden. Für jede Schriftart gibt es für jeden Buchstaben eine einzige komplexe Formel anstelle einer Sammlung von vorbereiteten Pixelmustern in jeder gängigen Größe.

Aus der entsprechenden Formel kann − je nach Arbeitsteilung − die CPU, die Grafikkarte oder der Drucker für jedes Zeichen das Pixelmuster in jeder gewünschten Größe generieren. Deshalb sind True-Type-Schriften in jeder Größe immer scharf, und auch wenn man einen Buchstaben 60 cm groß macht, ist er immer noch scharf bis in die Ecken.

Seitenbeschreibungssprachen

Auch für Drucker gibt es ein Äquivalent zu den TT-Schriften: die Seitenbeschreibungssprachen, von denen PostScript (PS), Hewlett Packard Graphic Language (HPGL), Printer Command Language (PCL) und Portable Document Format (PDF) die bekanntesten sind. Die Druckseite wird als Liste von Formeln und Vektoren gespeichert. Die Druckerelektronik interpretiert den Druckauftrag in einem aufwendigen Rechengang (dem „Rendern“) und erzeugt daraus eine Pixelgrafik, welche die Möglichkeiten des Druckers optimal ausnutzt.

Welche Auflösung ist für mich die richtige?

Durch eine „höhere Auflösung“ kann bei gleichbleibender Auflösung der einzelnen Elemente (Buchstaben, Bilder, ...) ein größerer Ausschnitt einer Web- oder Textseite dargestellt werden. Der Vorteil: Man muss weniger scrollen. Buchstaben, Symbole und Bedienelemente, deren Darstellung nicht veränderbar ist, werden kleiner dargestellt. Doch das kann man in den Einstellungen weitgehend anpassen.

Die meisten Webseiten sind für eine Auflösung von 1280 x 1024 oder höher optimiert. Eine niedrigere als diese Auflösung einstellen zu müssen ist unpraktisch, man muss zu viel aufwärts/abwärts und rechts/links rollen. Trotzdem fühlen sich vor allem ältere Menschen wegen ihres teils schlechten Sehvermögens häufig zur Nutzung von niedrigen Auflösungen gezwungen.

Farb-Auflösung

Die Helligkeit eines Bildpunktes wird als Digitalzahl gespeichert. Bei einem Grauwertbild können mit 8 Bit 256 Schattierungen dargestellt werden - das ist normalerweise ausreichend.

Ein Farbbild ist aus drei Farben zusammengesetzt. Bei einen High-Color-Bild stehen für Rot und Blau je fünf Bit zur Verfügung (32 Abstufungen) und sechs Bit für Grün (64 Abstufungen). Heute sind acht Bit pro Farbe üblich, was 2^(8+8+8) = 16 777 216 Farben ermöglicht und als True Color bezeichnet wird. Für spezielle Zwecke (z. B. wissenschaftliche und medizinische Fotografie) werden auch Auflösungen von 10, 12, 14 und 16 Bit pro Farbe verwendet.