Alphakanal

=Der Zusammenhang von digitalem Bild, Keying, Transparenz und Alphakanal= Was haben die Begriffe Keying, Transparenz und Alphakanal bezogen auf das digitale Bild miteinander zu tun? Diese Frage soll hier ausführlich beantwortet werden. Im Mittelpunkt der Betrachtung steht dabei, wie die erzeugten Informationen im jeweiligen digitalen Bildformat für verschiedene Anwendungsfälle gespeichert werden. Das letztendlich im Framebuffer der Grafikkarte entstehende Bild setzt sich aus vielen Bestandteilen zusammen; z.B. Bilder auf mehreren Ebenen, Masken, eingespieltem Video usw.

Wie wird ein digitales Bild gespeichert?
Pixeldaten können in verschiedenen Formaten und Farbmodellen gespeichert werden, z.B. RGB, CMYK oder YCrCb entsprechend einer vorgegebenen Bittiefe/Farbtiefe, z.B. 8Bit pro Kanal. Einige digitale Bildformate bieten zusätzlich zu den eigentlichen Pixeldaten einen sogenannten Alphakanal an (PSD, TIFF, PNG). Zu jedem Pixel wird hier ein weiterer Wert mit derselben Bittiefe/Farbtiefe gespeichert. Diese im Alphakanal gespeicherte zusätzliche Pixelinformation ergibt ein vollständiges zusätzliches s/w- bzw. Graustufenbild.

Transparenz / Alpha-Transparenz
Für die Aussage, ob ein Pixel vollständig volltransparent sein soll oder nicht, benötigt man eigentlich nur genau 1 Bit zusätzlich zu den Pixeldaten. Sobald man über einen Alphakanal verfügt, sind viele Transparenz-Zwischenstufen möglich. Bei 8Bit sind das z.B. x=2 8 =256 Abstufungen (0..255). Dabei bedeutet der Wert Alle Werte zwischen 0 und 255 stehen für die Stärke der Transparenz, d.h. 'Wie durchsichtig ist die Grafik vor dem Hintergrundbild'? Kleine Werte stehen hier für eine hohe Durchsichtigkeit, höhere Werte für eine geringe Sichtbarkeit des Hintergrundbilds. Zeigt man nur die im Alphakanal enthaltene Information an, so erhält man ein s/w- bzw. Graustufenbild.
 * 0 = völlig transparent und der Wert
 * 255 = nicht transparent.

Was ist Keying (deutsch: Stanzen) ?
Das Keying eines Videos entspricht dem Freistellen eines Objekts im einzelnen Bild. Beim Keying wird ein Farb- oder Luminanzwert des Bildes mit Transparenz gleichgesetzt, d.h. Durchscheinen des Hintergrundes. Diesen Wert nennt man auch Schlüsselwert, d.h. key oder stencil. Man spricht vom "auskeyen" von Bildbereichen. Um einem Bild in Teilbereichen eine vollständige Transparenz zuzuweisen, reicht es aus, einen einzigen Farb- oder Luminanzwert umzudeuten, z.B. Schlüsselwert => key => grün => #00FF00 => transparent. In den Metadaten eines Formats (z.B. Headerdaten in einer Grafikdatei) muss man den als Transparenz zu interpretierenden Wert entsprechend vermerken. Zur Herstellung von vollständig transparenten Bildbereichen benötigt man nicht zwangsweise ein Bildformat mit Alphakanal, sondern nur diese eine zusätzlich vermerkte Schlüsselwert/Keying-Information. Die gängigen Varianten des Keyings sind bekannt als Chroma Keying, Luminance Keying und Linear Keying. Wenn man ein auf diese Weise gewonnenes Videobild mit einem Hintergrund kombiniert, so bezeichnet man dieses als Compositing.

Chroma Keying
Das Prinzip des Chroma Keyings kommt beim Greenscreen- bzw. Bluescreen-Verfahren zum Einsatz: Vor einem grünen bzw. blauen Hintergrund werden Personen oder Objekte aufgenommen, um diese anschließend mit einem Hintergrundmotiv zu kombinieren. Der im aufgenommenen Bild sichtbare grüne bzw. blaue Hintergrund steht dabei für den transparenten Bereich, welcher bei der Aufnahme stellvertretend für ein später hinzuzufügendes Hintergrundmotiv steht. Der Farbton des Hintergrundes muss exakt bestimmt werden. Zu den Dateiformaten, welche die vollständige Transparenz von Bildbereichen ermöglicht, gehört z.B. das GIF-Format. Die Transparenz eines Pixels wird beim GIF-Format durch die Angabe eines einzigen Farbwerts ohne Toleranzbereich festgelegt (z.B. blau: #0000FF), siehe ... Das Verfahren funktioniert nur dann gut, wenn genau dieser eine Farbwert überall dort vorhanden ist, wo Transparenz erzeugt werden soll. Alle nicht freizustellenden Objekte der Aufnahme dürfen diese Farbe dann selbstverständlich nicht enthalten! Leichte Abweichungen vom gewählten Farbwert führen bereits wieder zu sichtbaren Artefakten nach der Montage mit dem eigentlich gewünschten Hintergrundmotiv. Für ein optimales Ergebnis beim Green- oder Bluescreen-Verfahren muss der Hintergrund möglichst homogen ausgeleuchtet werden. Schatten und Helligkeitsunterschiede können beseitigt werden durch Ausleuchtung des Greenscreens mit mehreren Lampen aus verschiedenen Winkeln. Neben Green- und Bluescreen gibt es noch einige weitere genutzte Farben, wie z.B. Redscreens (nicht menschliche Objekte) und Magentascreens (Special Effects). Ausführliche Informationen zum Thema siehe ...
 * @http://webkrauts.de/artikel/2007/transparente-grafiken-gif-und-png
 * https://helpx.adobe.com/de/after-effects/using/keying.html#keying_introduction_and_resources

Luminance Keying
Beim Luminance Keying wird nicht die Farbe, sondern die Helligkeit als Indikator für die Transparenz eines Pixels verwendet. Wenn also der aufzunehmende Gegenstand deutlich dunkler oder heller als der Hintergrund ist, dann kann Luminance Keying zum Einsatz kommen. Im Zusammenhang mit computergenerierter Grafik ist dieses einfach zu realisieren und somit fast immer der Fall. Beispiel: Ein Video ist sichtbar in hellen Buchstaben auf dunklem Hintergrund. Ein 'billiges' Luminance Keying wird einfach durch das Setzen von Schwarz als Chroma Key realisiert.

Der Alphakanal im Video / Linear Keying
Der Alphakanal wird beim Compositing wie folgt eingesetzt: 1) Das im Alphakanal gespeicherte Graustufenbild wird verwendet als Maske, wie z.B. in folgendem einfachen s/w-Beispiel: 2) Genau genommen arbeitet heute jedes Keying nicht mehr mit einer s/w-Maske, sondern entsprechend des sogenannten 'linear keying' -Verfahrens (auch alpha keying genannt), welches deutlich natürlichere Übergänge ermöglicht, siehe ...
 * @http://magazine.magix.com/de/der-alphakanal-im-videobereich/.
 * @https://www.bet.de/lexikon/linearkey/
 * @http://forum.edius.de/index.php?thread/10600-bauchbinde-mit-auslaufender-transparenz/&s=92019814f3c5532c68f4e76299866dced6de8191
 * @http://www.finalcutprofi.de/phpboard/viewtopic.php?t=64686&sid=29add5d2c8a68df49be72eb58a0478b0

Difference Keying
Beim "Differenz"-Keying legt man ein Hintergrund-Motiv fest, welches später nicht sichtbar sein wird. Abweichungen von diesem Hintergrund-Motiv werden als aufzunehmendes Objekt identifiziert. Alle in den aufgenommenen Bildern mit dem Hintergrundmotiv identischen Pixel werden als transparent angesehen.

Anwendungsbeispiele in der Praxis

 * @https://helpx.adobe.com/de/after-effects/how-to/fix-green-screen-footage.html Übung Adobe After Effects

Programme, welche mit Alphakanal arbeiten

 * Photoshop
 * InDesign
 * Cinema 4D

Weitere Infos:
 * @https://de.wikipedia.org/wiki/Keying
 * @https://de.wikipedia.org/wiki/Tagged_Image_File_Format
 * @https://helpx.adobe.com/de/after-effects/using/keying-effects.html
 * @https://helpx.adobe.com/de/premiere-pro/using/compositing-alpha-channels-adjusting-clip.html
 * @https://helpx.adobe.com/de/after-effects/using/alpha-channels-masks-mattes.html
 * @https://www.youtube.com/watch?v=fyaaLgLltug Downstream Key
 * @http://atemuser.com/forums/atem-vision-mixers/blackmagic-atems/difference-between-upstream-and-downstream-keyer
 * @https://www.netzwelt.de/news/75613-tutorial-greenscreen-adobe-after-effects-keylight.html
 * @https://helpx.adobe.com/at/photoshop/using/saving-selections-alpha-channel-masks.html
 * https://helpx.adobe.com/at/photoshop/using/channel-basics.html#about_channels