Scannertechnik

Scannertypen

Bilder werden mittels sogenannter Scanner digitalisiert um die Informationen dann auf dem Computer weiterverarbeiten zu können. Dabei wird das Bild in Punkte aufgelöst (Kap. 1.2.) und jeder dieser Punkte in seiner Farbigkeit und Helligkeit gemessen (Kap.1.3.). Es gibt eine Reihe verschiedener Modelle auf dem Markt, die unterschiedliche Qualitäten liefern und für diverse Vorlagen geeignet sind.

  • Flachbettscanner
  • Handscanner
  • Diascanner
  • Trommelscanner (für hohe Qualitäten)
  • optische Scanner (für dreidimensionale Objekte)
  • Zusätze (Durchlichteinheit / ADF für OCR)
  • digitale Foto- und Filmkameras

Technik des Flachbett-Scanners

Wie bei einem Kopierer legt man die Vorlage bei einem Flachbettscanner auf eine Glasscheibe, die beim Scannvorgang durch eine Lampe die darunter entlangfährt beleuchtet wird. Die Reflexion von der Vorlage wird im inneren des Scanners von einer Reihe lichtempfindlicher Elemente, den CCDs (Charged Coupled Devices) analog gemessen. Da das Signal, welches die CCDs liefern, sehr schwach ist muß es verstärkt werden bevor es ein Analog-Digital-Wandler in numerischen Code umsetzen kann.

Analogtechnik

Das Zusammenspiel aller Komponenten bestimmt die Qualität der Digitalisierung. Da der Scanner jedoch bis zum A/D-Wandler mit analoger Technik arbeitet, machen sich hier viele Schwachstellen die typisch für anloge Technik sind bemerkbar. Jede der Komponenten hat kritische Eigenschaften, die im Folgenden näher beleuchtet werden sollen.

 

1) Vorlagengröße
… muß der Aufgabenstellung entsprechen.

 

2) Die Lampe
…, dessen Reflexionen von der Vorlage ja gemessen werden sollen, ist entscheidend für die Farbtreue der Digitalisierung. Ältere Scanner mit Leuchtstofflampen produzierten ein sehr viel „wärmeres“ Licht (das Farbspektrum des Lichts ist zu den höheren Frequenzen verschoben) aus modernere Geräte mit Halogenlampen.

3) Das Spiegelsystem und die Linsen
…haben großen Einfluß auf die Qualität eines Scanns. Während selbst Scanner für 100 DM nominell schon völlig ausreichende Auflösungen liefern sind es oft die Linsen und Spiegel die den Qualitätsunterschied zu ihren teureren Kollegen ausmachen. Wie bei der Fotografie ist eine hochwertige Optik Voraussetzung für ein gestochen scharfes Bild. Billige Linsen sind aus Plastik. Spiegel die nicht hundertprozentig plan geschliffen sind, verursachen Farbsäume und Verzerrungen innerhalb des Bildes.

 

4) Der Schlitten und die lichtempfindlichen Elemente (CCDs)
Für die Auflösungsfähigkeit des Scanners sind in der einen Achse die Anzahl der lichtempfindlichen Elemente auf dem Schlitten, in der anderen Achse die Arbeit des Schrittmotors, der den Schlitten bewegt entscheidend. Bei den Angaben der Hersteller sollte man auf diese technische oder optische Auflösung achten und sie von interpolierten Auflösungen, die durch Errechnen innerhalb der Software zustande kommen unterscheiden.

Beispiel:
Soll auf einem 600*1200dpi-Scanner ein 400dpi Scann durchgeführt werden, so werden die Daten die der Zeilensensor (600dpi) je Schritt liefert durch einen Algorithmus im Verhältnis 3:2 und die Daten der Schrittmotor erlaubt (1200dpi) im Verhältnis 3:1 umgerechnet.

Gemessen wird lediglich die Reflexion des Lichtes von der Vorlage, also Graustufen. Farben werden gemessen, indem die Luminanzwerte von CCDs mit aufgedampften Farbfiltern (Rot, Grün, Blau) registriert werden. So kann der Farbscann in einem Durchgang geschehen (onepass). Ältere Modelle haben den Vorgang drei mal wiederholt, wobei jedesmal ein anderer Filter zum Einsatz kam. Dieses Verfahren war nicht nur zeitaufwendig, kann bei betagten Geräten auch zu Problemen führen, wenn die drei Farbschichten wieder zu einem Bild zusammengesetzt werden müssen.

Die recht enge Packungsdichte der CCDs auf dem Schlitten (immerhin hat ein CCD bei einem 300dpi Scanner nur einen Platz von 0,085 mm) führt zu einem Phänomen das als Übersprechen bezeichnet wird. Da keine Isolation unendlich sein kann, schon gar nicht bei solch kleinen Abmessungen, kommt es zu einem abfließen der Elektronen von einem angesprochenem CCD auf seine Nachbarzellen. Die Folge ist ein Signal, das nicht mehr trennscharf ist.

Übersprechen

 

5) Verstärkung
Da das Signal welches die CCDs liefern sehr schwach ist, muß es für die Weiterverarbeitung verstärkt werden. Die Verstärkung eines analogen Signals erhöht bzw. erzeugt jedoch auch immer Störsignale. Dieses Rauschen, daß jeder aus dem Audiobereich kennt, existiert auch in der Bildverarbeitung.

Rauschen

Die Folge ist, daß die Signale (Tonwerte) nicht mehr „sauber“ sind, sondern um den eigentlichen Wert herum streuen. Unten wurde ein Graukeil gescannt und anschließend eine einzige Graustufe ausgewählt. Das Histogramm (Meßwerkzeug für Tonwerte) zeigt deutlich das das Ergebnis der Digitalisierung um den Wert 68 herum streut.

 

Da unsere Wahrnehmung Lichter (helle Bereiche) sehr viel sensibler wahrnimmt als Schatten, kann diese Effekt sogar sichtbar werden. Die dunklen Bereiche des Bildes erscheinen dann deutlich „verrauscht“.

6) Farbtiefe
Zuletzt ist natürlich die Leistung des Analog-Digital-Wandlers ausschlaggebend, wie genau das verstärkte analoge Signal quantisiert werden kann. (Siehe Kap. 1.3)

 

Der Graukeil ist so konzipiert, daß er den von uns wahrnehmbaren Helligkeitsbereich in 12 gleichmäßige Stufen unterteilt. Unsere Wahrnehmung ist viel sensibler für helle Nuacen als für dunkle Farben; sie ist annähernd logarithmisch. Ein subjektiv als 50% Grau eingestufter Farbton reflektiert nur 20% des Lichts. Ein Scanner registiert die Helligkeiten jedoch linear. Dadurch reduzieren sich die sinnvollen Grauabstufungen, die vom Scanner unterschieden werden erheblich. Scanner sind oft in der Lage eine feinere Quantisierung durchzuführen als die spätere Bearbeitungssoftware verarbeiten kann. 36, 42 oder 48 bit Farbcodierungen sind keine Seltenheit. Wenn zumindest die Treibersoftware des Scanners dies berücksichtigt, kann der Scanner sehr fein auf die Vorlage abgestimmt werden.

Feld 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
reflektierter Lichtanteil 100% 71% 59% 35% 25% 18% 13% 9% 6% 4% 2% 0%
8-bit Meßwert 255 194 139 96 66 46 33 23 15 11 6 4

 

Technik des Trommelscanners

Anders als beim Flachbettscanner wird bei Trommelscannern die Vorlage auf einer Glastrommel fixiert, die während des Digitalisierungsprozesses rotiert. Auch hier wird das Original mit einer Lampe beleuchtet und die Reflexion des Lichtes gemessen.

 

Der erste Vorteil dieses Verfahrens ist, daß die gesamte Vorlage durch ein einziges Element abgetastet wird, das heißt jeder Bildpunkt gleich behandelt wird. Können auf dem CCD-Schlitten des Flachbettscanners einzelne Elemente ausfallen oder durch Alterung stark abweichende Meßwerte liefern, werden hier die Daten einheitlich generiert. Sollten dabei Farbverfälschungen auftreten können diese sehr viel leichter durch globale Methoden bereinigt werden, als wenn sich die Fehler nur auf einzelne Pixelspalten beziehen.

 

 

Der zweite Vorteil von Trommelscannern ist das das lichtempfindliche Element kein CCD, sondern ein Sekundärelektronenvervielfacher oder auch Photomultiplier (PTM) ist. Diese Bauteile liefern eine sehr hohe Ausgangsspannung (relativ zum gemessenen Tonwert) die nicht verstärkt werden muß. Damit entfällt hier das durch den Verstärker verursachte Grundrauschen.

Nachteilig ist das Trommelscanner im Vergleich mit Flachbettscannern relativ teuer sind und der Digitalisierungsvorgang länger dauert.

Digitalisierungspraxis

Moirés

Moiré [moare; arab.-it.-engl.-fz.] Stoff mit Wasserlinienmusterung (hervorgerufen durch Lichtferflexe).

Besonders beim Scannen gedruckter Vorlagen kommt es häufig zu unerwünschten Artefakten in den Ergebnissen. Es erscheinen regelmäßige Artefakte, die das Bild überlagern. Seltener kommt dieser Effekt beim Scannen von Fotos vor und betrifft dann auch immer nur Teile des Bildes.

Das erste Beispiel zeigt ein Moiré, das beim Scannen eines gedruckten Zeitungsbildes entstand, das zweite ein Moiré das bei Digitalisieren eines Fotos entstand und nur die Dächer auf der Abbildung betrifft.

 

 

 

Moirés entstehen immer dann, wenn sich zwei gleichmäßige (amplitudenmodulierte) Raster überlagern und nicht vollkommen deckungsgleich sind. Eine leichte Verdrehung, Verschiebung oder Ungleichheit in der Frequenz eines der beiden reicht aus um sichtbare Interferenzen auszulösen. Dies kann in verschiedenen Situationen der Fall sein:

– Beim Scannen eines gedruckten Bildes überlagert sich das Druckraster mit dem Raster das der Scanner über das Bild legt, wenn er das Bild in einzelne Bildpunkte auflöst.
– Bei der Darstellung eines bereits digitalen und gerasterten Bildes auf dem Monitor wird das Raster des Bildes mit der Matrix des Bildschirms überlagert, wenn das Bild nicht in einer 100% Ansicht präsentiert werden soll.
– Beim Einlesen von Fotos trifft man auf diesen Effekt wenn sich das Raster des Scanners mit einem inhaltlichen Raster (karierte Jacketts, Backsteinwände, Ziegeldächer…) überlagern.

Die beiden folgenden Beispiele zeigen noch einmal zwei Moirés ausgelöst durch ein einfaches lineares und ein konzentrisches Raster.

Stellt man sich einmal eine einzelne Rasterzeile als Welle vor, in der jeder Wellenberg einen schwarzen Druckpunkt und jedes Wellental einen weißen Zwischenraum darstellt, würde sich ein Bild wie die rote Linie unten ergeben. Wird diese Zeile nun vom Scanner in Bildpunkte aufgelöst entsteht ein zweites Raster. Haben die CCDs nun einen geringfügig größeren oder kleineren Abstand als die Frequenz des Rasters entstehen bei der Messung der Tonwerte (schwarze Punkte) Interferenzen. Achtet man einmal nur auf die Meßpunkte sieht man schon eine große gestreckte Welle, die im Bild wieder als stärkere bzw. geringere Schwärzungen in Erscheinung treten würden.

 

Wie bei der Auflösung ist auch dieses Phänomen nicht auf eine Zeile beschränkt, sondern wirkt in beiden Achsen gleichzeitig.

 

Abtasttheorem

Das dies anhand einer Welle erklärt wird läßt vermuten das diese Effekte auch im Audiobereich auftreten. Über die Frage welches die Minimalbedingungen sind, um ein Signal vollständig zu erfassen, hat sich 1928 bei der amerikanischen Telefongesellschaft AT&T Harry Nyquist Gedanken gemacht und das nach ihm benannte Abtasttheorem (Nyquist-Theorem) aufgestellt.

Betrachtet man einmal eine Schwingung der Welle (in unserem Beispiel einen Druckpunkt und einen Zwischenraum) so stellt man fest, daß die Frequenz der Abtastung (oder das Sampling, oder die Auflösung) doppelt so hoch sein muß, wie die (höchste vorkommende) Frequenz des Bildrasters um alle Informationen zu erwischen. Denn auch die Lücke ist eine Information. Träfen beim Abtastprozeß die CCDs immer nur auf die Druckpunkte so würde ein schwarzes Bild entstehen. Also muß mindestens zweimal gemessen werden um immer Lücke und Druckpunkt zu erwischen. Selbstverständlich kann die Abtastrate auch höher liegen.

Scannauflösung > 2 * Bildfrequenz max.

Das beutet, das ein Scanner mit einem optischen Auflösungsvermögen von 400dpi in der Lage ist Bilder bis zu einem Druckraster von 200 lpi zu sauber zu digitalisieren. Besonders beim Scannen von Strichzeichnungen ist das zu beachten.