Picture element

Pixel, Bildpunkt, Bildzelle oder Bildelement (selten Pel) bezeichnet sowohl die kleinste Einheit einer digitalen Rastergrafik als auch deren Darstellung auf einem Bildschirm mit Rasteransteuerung. „Pixel“ (Nominativ Singular: das Pixel; Genitiv: des Pixels; Plural: die Pixel) ist ein Kunstwort aus der Abkürzung der englischen Wörter pictures (umgangssprachlich verkürzt „pix“) und element. Es wird oft mit px abgekürzt.

Pixel der Rastergrafik

Eine Rastergrafik, die auf unterschiedliche Arten vergrößert wurde. Ein Pixel muss in der Vergrößerung nicht notwendigerweise als Quadrat erscheinen.

Die Pixel einer Rastergrafik sind rasterförmig angeordnete Punkte, denen eine bestimmte Information zugeordnet ist. Diese Information enthält mindestens Werte, die eine bestimmte Farbe oder Helligkeit definieren.

Oft werden Pixel als rechteckig oder quadratisch betrachtet, dies ist jedoch eine im Allgemeinen unangemessene Modellvorstellung. Im Sinne der digitalen Signalverarbeitung ist ein Pixel ein diskreter Abtastwert; über andere Punkte als die Pixel lassen sich keine Aussagen treffen. Deutlich wird dies bei der Vergrößerung von Rastergrafiken: Quadratische Pixel würden hier zwangsläufig als Quadrate erscheinen. Tatsächlich hängt das Erscheinungsbild nach der Vergrößerung von der verwendeten Rekonstruktionsmethode ab; oft wird zwischen Pixeln interpoliert. Ein vergleichbarer Fehler wäre es, die Abtastwerte eines digitalen Audiosignals als über ein bestimmtes Zeitintervall gleichbleibende Werte zu interpretieren, weil das Signal vom Audioeditor in der Vergrößerung treppenartig dargestellt wird.

Wenn von „einem Pixel Breite“ die Rede ist, dann ist damit tatsächlich der Abstand zwischen zwei benachbarten Pixeln gemeint; der „Mittelpunkt“ eines Pixels bezeichnet in Wirklichkeit das Pixel selbst. Es ist zwar möglich, Pixel als Quadrate zu betrachten, dies ist jedoch allenfalls beim Antialiasing mittels ungewichteter Flächenabtastung sinnvoll, denn hier entspricht der Farbwert eines Pixels dem Mittelwert aller Farbbeiträge innerhalb des Quadrates. Das resultierende Pixel ist jedoch stets ein diskreter Abtastwert.

Pixelwerte

Neben Farbinformationen können Rastergrafiken auch einen sogenannten Alphakanal enthalten, der Transparenzinformationen enthält. Die Speicherung beliebiger weiterer Informationen ist denkbar; das genaue Format ist vom verwendeten Grafikformat abhängig. Nur bei der Ausgabe auf dem Bildschirm muss ein bestimmtes Format beachtet werden, das vom Framebuffer der Grafikkarte vorgegeben ist.

Die im Pixel verwendete Kodierung der Farbe definiert sich unter anderem über den Farbraum und die Farbtiefe.

Probleme

Sowohl die Bildauflösung (und damit die örtliche Abtastrate) als auch die Größe der im Pixel gespeicherten Informationen (etwa die Farbtiefe) ist begrenzt, weshalb ein Pixel nur eine Annäherung der Wirklichkeit darstellen kann.

Die Begrenztheit der örtlichen Abtastrate führt dazu, dass Bildinformationen verloren gehen. Gemäß dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem kann es bei bestimmten Bildinhalten und zu geringer Abtastrate oder Auflösung zu Alias-Effekten oder dem Treppeneffekt („pixelige“ Darstellung) kommen. Diesen Effekten kann durch Antialiasing entgegengewirkt werden.

Das Verkleinern, Vergrößern oder Drehen einer Rastergrafik kann zu unscharfen oder fehlerhaft wirkenden Bildern führen.

Bildschirmpixel

Der weiße Punkt in der Mitte des schwarzen Quadrats ist ein Pixel.

Ein Bildschirmpixel besteht in der Regel aus drei Farbpunkten jeweils einer Grundfarbe (Rot, Grün und Blau). Die physische Größe eines Bildschirmpixels hängt vom Ausgabegerät ab. Bei einem 15-Zoll-Bildschirm mit einer Auflösung von 1024×768 misst ein Pixel etwa 0,3 Millimeter. Die maximal mögliche Pixel-Auflösung eines Bildschirms wird in pixel per inch (ppi) angegeben. Das Seitenverhältnis (englisch pixel aspect ratio) eines Pixels auf dem Bildschirm muss nicht zwingend 1 sein. Das bedeutet, dass die Darstellung eines Pixels nicht immer quadratisch ist. Die Pixelgröße sowie der Pixelabstand im Verhältnis zur Bildauflösung haben entscheidenden Einfluss auf die Lesbarkeit und Erkennbarkeit von Texten und Grafiken auf Computermonitoren und Fernsehern.

Handelsübliche Röhrenbildschirme haben eine festgelegte maximale Auflösung. Die Pixelgröße lässt sich durch Ändern der von der Grafikkarte ausgegebenen Auflösung variieren (Übersicht der gängigen Auflösungen).

Pixel auf einem TFT-Flachbildschirm

TFT-Flachbildschirme besitzen eine physikalisch definierte Pixelanzahl. Eine Änderung der Auflösung bei einem TFT-Display führt daher zu einer verschwommenen Darstellung, bei der ein Pixel des Framebuffers auf mehrere Bildschirmpixel aufgeteilt wird. Die drei für die Grundfarben des Pixels zuständigen Flächen sind rechteckig aneinander anliegend angeordnet; diese Flächen nennt man auch Subpixel. Außerdem sind bei manchen Flachbildschirmen (besonders bei älteren) herstellungsbedingt so genannte Pixelfehler möglich.

Die Anzahl der in Bildsensoren (etwa für Digitalkameras) maximal verwendbaren Pixel wird oft in Megapixel angegeben, wobei aber meist nur die Farbpunkte eines Bayer-Sensors gemeint sind und nicht die Bildpunkte.

Begriffsgeschichte und verwandte Begriffe

Die Bezeichnung „Bildpunkt“ im Sinne einer kleinen Anzeigeeinheit eines Gerätes wurde zuerst 1884 in Paul Nipkows Patentschrift für sein Elektrisches Teleskop verwendet, allerdings war der Begriff bereits vorher in der Optik üblich.

Die Bezeichnung „picture element“ wurde ab 1911 in diversen US-amerikanischen Patentschriften verwendet.^[1] Als in den 1950er und 1960er Jahren das Einscannen, die Bearbeitung und die Anzeige von Bildern mittels Computern möglich wurde, verwendete die Fachliteratur meist andere Begriffe wie „resolution element“, „spot“, „sample“, „raster point“ oder „matrix element“.

Die ältesten bekannten Dokumente, in denen der Begriff „Pixel“ vorkommt, sind Fred C. Billingsleys 1965 veröffentlichte Artikel Digital Video Processing at JPL und Processing Ranger and Mariner Photography in den Proceedings Vol. 0003 bzw. 0010 der SPIE. Die weniger gebräuchliche Bezeichnung Pel wurde von William F. Schreiber als Teil seines Artikels Picture Coding in den IEEE-Proceedings Vol. 55 im März 1967 veröffentlicht.

Der Begriff „Pixel“ wird auch in Bezeichnungen für bestimmte Anwendungen von Rastergrafiken verwendet, etwa Pixelfonts, Pixel-Art und Pixel-Banner. Von „Pixel“ abgeleitet ist der Begriff Voxel, der unter anderem das dreidimensionale Äquivalent eines Pixels bezeichnet, sowie der in der Bildsynthese verwendete Begriff Texel für Pixel einer Textur.

Literatur

• Michael Becker: Pixelsalat: von Bildschirmauflösungen, Zeichengrößen und Lesbarkeit. Computer-Fachwissen 3/2005: 4–10, ISSN 1430-0400 (PDF, 340 KB)
• James Blinn: What is a Pixel? IEEE Computer Graphics and Applications 25, 5 (Sep./Oct. 2005): 82–87, ISSN 0272-1716
• Richard Lyon: A Brief History of ‘Pixel’. In Digital Photography II, S. 1–15. SPIE, Bellingham 2006, ISBN 0-8194-6109-1 (PDF, 1,4 MB)
• Alvy Ray Smith: A Pixel Is Not A Little Square, A Pixel Is Not A Little Square, A Pixel Is Not A Little Square! (And a Voxel is Not a Little Cube). Microsoft Technical Memo 6, 1995 (PDF, 80 KB)

Weblink

Einzelnachweise

1. ↑ Siehe etwa US-Patent 1175313: “Transmission of Pictures of Moving Objects” (Eintrag bei Google Patents)