Scanner Qualitätskriterien

Scanner Qualitätskriterien
( Zusammengestellt von Wolfgang Kurz – Januar 2011)
Dieser Artikel wurde geschrieben und Flachbettscanner Qualitätskriterien zu erklären und zu
diskutieren. Die Erläuterungen sind nicht 100% korrekt in wissenschaftlichem Sinne. Ich habe
vielmehr versucht, sie allgemeinverständlich auch für Scan - Neulinge zu halten.
Flachbettscanner werden hauptsächlich mittels zweier Qualitätskriterien vermarktet. Das erste
Kriterium ist die optische Auflösung (dpi, lpi), das zweite ist D-Max (maximale optische Dichte).
Was wollen wir mit Flachbettscannern tun?
Ursprünglich wurden Flachbettscanner entwickelt, um Papierdokumente digital zu speichern. Das
ist eine Nutzung der Geräte, die ziemlich problemlos ist. Wenn Probleme auftreten, dann sind die
meist mechanischer Natur und liegen in der Dokumentenzuführung. Wir wollen diese Nutzungsart
daher hier nicht weiter betrachten.
Aber heute werden Flachbettscanner (ermöglicht durch die dramatische Steigerung der optischen
Auflösung) vielfach auch als „Filmscanner“ vermarktet. Das bedeutet, Flachbettscanner werden als
Photoscanner genutzt um Filmmaterial (und zwar sowohl Negativfilme als auch Umkehrfilme /
Positivfilme) zu digitalisieren, meist in der Form von digitalisierten Kleinbilddias (24 x 36 mm)
aber auch anderer Formate hin bis zum Schmalfilm.
Und für die Nutzung als Photoscanner kommt bei einem Anfänger sofort die Frage auf:
Welche optische Auflösung (dpi, ppi – dots per inch oder points per ich - Punkte pro Zoll) benötigt
man um eine brauchbare Qualität der digitalisierten Bilder zu erreichen
– wenn man sie über einen „Beamer“ an die Wand projiziert
– wenn man sie über den Fernseher oder einen Computerbildschirm ansieht
– wenn man sie auf Papier ausdrucken will.
Jede diese Betrachtungsarten hat ihre speziellen Probleme, aber es ist ziemlich offensichtlich, dass
das Ausdrucken der Bilder in üblichen Größen (etwa bis zu DIN A4 – 210x297 mm) die höchste
Qualität erfordert, weil diese Bilder meist aus etwa 40 cm Betrachtungsabstand angesehen werden
und bei dieser Betrachtungsweise keine einzelnen Bildpunkte (oder Artefakte) erkennbar sein
sollen. Für die gängigen Drucker ist zudem oft eine Auflösung von 600 Pixel pro Zoll angegeben.
Beschäftigen wir uns darum ausführlicher mit diesem Problembereich.
Ausgehen wollen wir vom Basismaterial. Das ist der Film. Wir wollen uns dabei auf Umkehrfilm
(Positivfilm) konzentrieren. Für Negativfilm gilt im Prinzip das selbe. Es kommt nur hinzu, dass
man die Farben „demaskieren“ und dann in ihre Komplementärfarben umwandeln muss, das hat
aber nichts mit der Sannerqualität zu tun.
Unser Ziel ist es also, Bilder, die mit Umkehr(farb)filmen aufgenommen wurden, zu digitalisieren.
Diese Filme speichern die Bilder in analoger Form, und das bedeutet nicht mit einem Satz
vordefinierter Farben (Farbpalette), sondern stetig mit einer theoretisch unbeschränkten Anzahl von
Farben. Wie man auch weiß, erscheinen solche Bilder mehr oder weniger scharf, wenn man winzige
Details in diesen Bilder betrachtet. Und das kommt vom Aufbau der Farbumkehrfilme.
Der Einfachheit halber kann man sagen: Farbfilme haben 3 Schichten, je eine für jede Grundfarbe
ROT, GRÜN und BLAU.
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Jede Emulsionsschicht ist extrem dünn, aber sie hat doch eine endliche Dicke (einige Mikrometer)
und die Schicht enthält die chemische Substanz, die die Intensität einer Farbkomponente des
Lichtes aufzeichnen kann, dem diese Schicht ausgesetzt (belichtet) wurde. Auch diese Substanz ist
nicht unendlich fein, sie enthält Moleküle (bzw. Molekülhaufen), die man Korn nennt. Wenn so ein
Korn (Elementarpartikel der lichtempfindlichen Komponente der Emulsion) mit einer bestimmten
Menge Licht „belichtet“ wird, ändert es seine Eigenschaften entsprechend und diese Änderung der
Eigenschaft wird durch den Entwicklungsvorgang dauerhaft gemacht. Man erhält – je nach Farbe
und Lichtmenge – also eine unterschiedliche Situation in den verschiedenen Schichten des
belichteten Filmes..
Das folgende Bild zeigt das Prinzip des Aufbaues eines Farbfilmes.
Man sieht die 3 Schichten mit den in rot, grün oder blau dargestellten Elementarpartikeln.
Wenn man nun den Film mit einem Muster dunkler Linien belichtet (wieder der Einfachheit halber
mittels Kontaktbelichtung – also ohne Einsatz eines optischen Elementes [einer Linse], um das Bild
auf den Film zu projizieren – denn jede Optik erzeugt wiederum Abbildungsfehler, die wir außer
Acht lassen wollen), erhält man die folgende Situation:
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Wie man sieht, haben wir einige Linien einer bestimmten Breite mit einem bestimmten Abstand
voneinander abgebildet. Von den Linien nehmen wir an, dass sie (im mathematischen Sinne) exakt
scharfe Begrenzungen haben. Wie man aber auch sieht, haben die Abbilder dieser Linien in den 3
Schichten keine so scharfen Begrenzungen mehr wie das die Ausgangslinien haben. Das kommt
daher, dass die Elementarpartikel (das Korn) eine gewisse Größe haben, und jedes Teilchen, das
vom Licht getroffen wird, wird daher belichtet, auch wenn es nur teilweise im Bereich der Linie
liegt. Die Lichtstreuung im Material lassen wir mal unberücksichtigt, obwohl die durchaus eine
Rolle spielt. Im Film werden daher die Begrenzungen der Linien etwas „ausgefranst (verwischt)“
erscheinen.
Die „Schärfe“ eines Filmes ist darum umso besser, je weniger die Begrenzung der Linien verwischt
wird. Die Schärfe ist also im wesentlichen eine Funktion der Größe der Elementarpartikel (des
Kornes). Die Größe des Korns ist wiederum eine Funktion der Empfindlichkeit des Filmes. Ein
hoch empfindlicher Film hat ein großes (grobes) Korn, ein schwach empfindlicher Film hat ein
kleines (feines) Korn. Die Maßeinheit für die Filmempfindlichkeit ist die ASA oder DIN Nummer,
die dem Film zugeordnet ist. Eine hohe Nummer steht für hoch empfindliche (schnelle), eine
niedrige Nummer steht für schwach empfindliche (langsame) Filme.
Und nun zur Schärfe der Filme:
Einer der „schärfsten“ Konsumenten-Farbfilme, der je hergestellt wurde, ist der KODACHROME
15 und später der KODACHROME 25 Umkehrfilm. Beide Filme (die – wegen des komplizierten
Entwicklungsprozesses - nicht mehr hergestellt werden) hatten eine sehr geringe Empfindlichkeit,
das bedeutet, man brauchte eine Menge Licht, um sie zu belichten.
Die Schärfe eines Filmes wird in Linien pro Millimeter (lpm) gemessen. Die KODACHROME
Filme hatten eine „Auflösung“ (nach Herstellerangaben) zwischen 63 und 100 Linien pro
Millimeter. Alle anderen marktüblichen Filme haben und hatten weniger – um der Empfindlichkeit
willen.
Wenn wir - um Berechnungen zu vereinfachen – annehmen, wir erhalten bei einem Film 100 Linien
pro Millimeter, dann bedeutet das, dass wir 200 Wechsel zwischen hell und dunkel aufzeichnen
können. Das bedeutet wiederum, jeder Bereich ist etwa 0,005 Millimeter breit. Und das bedeutet
ebenfalls: der schärfste Konsumentenfilm, den wir bekommen können, kann nicht mehr zwischen
Bildelementen unterscheiden, die enger als 0,005 Millimeter voneinander entfernt sind.
Die nächste Abbildung demonstriert das:
Angenommen, die Linien in der folgenden Abbildung seien 0,005 Millimeter breit und seien auch
0,005 Millimeter voneinander entfernt und würden damit in etwa der Korngröße eines 100 Linien
pro Millimeter Filmes entsprechen, dann wäre dieses Bild in Originalgröße etwa 0,0625 Millimeter
breit und hoch.
Wie das Bild erscheinen würde, wenn wir es auf diese Größe verkleinern würden, kann man
ableiten aus den 3 kleinen Abbildungen in der rechten unteren Ecke des Bildes. Sie haben 1/32, 1/64
und 1/128 der Größe des großen Bildes.
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Aber wie würde das Bild aussehen, wenn es mit dem Mikroskop auf dem Film (z.B.
KODACHROME 25) mit einer Korngröße von 0,005 Millimeter betrachtet würde.
Dies zeigt in etwa das folgende Bild, nicht ganz exakt, weil der Vergrößerungsfaktor nicht 100%
genau ist. Aber das Bild ist sehr nahe an der Wirklichkeit.
Welch gewaltiger Unterschied
und das ist das Resultat der Korngröße.
In dieser Zeichnung ist jedes Korn etwas
kleiner als 0,005 Millimeter und man sieht,
dass das Bild der Linie nicht mehr scharf ist !
Wenn man eine Korngröße von etwa 0,005 Millimeter (100 lpi) annimmt, dann braucht man etwa
500 Pixel um das Bild zu erstellen.
Wenn man also einen Scanner mit einer Auflösung von 2400 dpi hat, dann ist das ausreichend, um
dieses Bilde zu digitalisieren – es wird aber lange nicht so gut sein, wie das ursprünglich
photographierte Ausgangsbild. Aber besser geht es nicht, denn das ist alles, was ein Film mit 100 lpi
Auflösung festhalten kann.
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Natürlich kann man eine höhere Auflösung verwenden, aber das wird nur die Dateigröße erhöhen,
nicht aber die Qualität des Bildes steigern.
Aber die Auflösung ist nicht unwichtig – besonders wenn man größere Bildelemente hat.
Das demonstriert die folgende Bildserie;
Was diese Bilder zeigen: je feiner das Gittermuster, umso besser wird die ursprüngliche Form des
Bildobjektes reproduziert. Das Gitter kann als Repräsentation der CCD Auflösung angesehen
werden.
Angenommen, das rote Gitter stellt eine Auflösung von 600 dpi dar und der Kreis hätte einen
Durchmesser von 5 Gitterabständen ( etwa 0,21 mm ).
Man sieht, der Kreis ist gar kein Kreis mehr – er ist vielmehr zum Quadrat geworden, weil alle
Elemente der CCD etwas Licht abbekommen haben und daher aktiviert worden sind.. Die Anzahl
von Bytes zur Speicherung dieses Bildes wäre dann 5 x 5 x 3 = 75 Bytes ( 1 Byte für jede
Farbkomponente).
Das grüne Gitter hat den halben Gitterabstand des roten Gitters – es entspricht daher einer
Auflösung von 1200 dpi. Der Kreis sieht nun schon mehr wie ein Kreis aus – aber das Abbild ist
noch nicht wirklich gut. Der benötigte Speicherplatz ist aber nun 10 x 10 x 3 = 300 Bytes oder 4
mal höher.
Das blaue Gitter hat wiederum den halben Abstand des grünen Gitters, entspricht also einer
Auflösung von 2400 dpi. Der Kreis sieht nun schon ziemlich gut aus. Das ist es, was in etwa
erwartet werden kann, wenn man einen Kreis von 0,2 Millimeter Durchmesser auf einem 100 lpi
Film abbildet. Der Speicherbedarf wäre dann 20 x 20 x 3 = 1200 Bytes – wieder 4 mal mehr.
Nun das zweite Qualitätsmerkmal von Scannern – der Dichte-Umfang
Dichte (density) ist eine Bezeichnung (eine Messgröße) für die Menge an Licht, die durch ein
Medium (einen Film) entsprechend der darin aufgezeichneten Farben durchdringen kann.
Ist das Medium völlig schwarz, dann kann (fast) kein sichtbares Licht durchdringen, ist das Medium
vollständig durchsichtig, dann kann (fast) alles sichtbare Licht durchdringen.
Die Dichte wird in einem logarithmischen Maß gemessen, d.h. Sie ist nicht linear.
Maximale Dichte von 2 bedeutet 10 hoch 2 oder 100.
Maximale Dichte von 3 bedeutet 10 hoch 3 oder 1000.
Maximale Dichte von 4 bedeutet 10 hoch 4 oder 10000.
Werte dazwischen, die oft in Scanner Spezifikationen gefunden werden sind:
Dichte 3.2
Dichte 3.4
Dichte 3.6
Dichte 3.8
( 10 hoch 3.2 )
( 10 hoch 3.4 )
( 10 hoch 3.6 )
( 10 hoch 3.8 )
etwa 3000 ( ein relativ anspruchsloser Wert)
etwa 6000 ( ein brauchbarer mittlerer Wert)
etwa 7800 ( ein guter Wert )
etwa 9000 ( ein sehr guter Wert).
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Die maximale Dichte ist sehr wichtig, um abzuschätzen, wie viele Details in einer sehr dunklen
Bildpartie noch unterschieden werden können, d.h. wie strukturiert dunkle Bildbereiche erscheinen.
Aber noch wichtiger als die maximale Dichte ist der Dichte-Bereich (density range). Ein
Konsumenten-Diapositiv-Film hat meist eine minimalen Dichte von 0.05D weil das Trägermaterial
auch immer etwas Licht verschluckt. Ein Scanner, der einen maximalen Dichte-Wert von 4.0 in den
Spezifikationen angibt, hat also vermutlich einen Dichte-Umfang von 3.95, was auch noch ein
extrem guter Wert für einen marktüblichen Flachbettscanner ist.
Wichtig ist auch noch, wie ein hoher D-Max Wert erzielt (gemessen) wird. Er muss mit der
Standardleuchtstärke des Lichtquelle erzielt werden mit der gescannt wird und nicht etwa mit
besonders „hochgedrehter“ Leuchtintensität, denn sonst würden die hellsten Stellen eines Bildes
total „ausgewaschen“ werden.
Der Scanner muss also über den ganzen Bildbereich, von sehr hell bis sehr dunkel strukturierte
Ergebnisse liefern können.
Das Bild links zeigt im Prinzip, wie groß der
Bereich zwischen sehr hell und sehr dunkel durch
die CCD (charge couple device) eines Scanners
gespreizt werden kann.
Vereinfacht kann man sagen: je höher der D-Max
(oder besser D-Range) Wert eines Scanners ist,
in umso mehr Schritte kann der Bereich zwischen
hell und dunkel durch die CCD des Scanners
unterteilt werden.
Man kann ebenfalls sagen: je höher der D-Max
(D-Range) Wert, je schwieriger (und dadurch
teurer) wird es, eine CCD mit den entsprechenden
Eigenschaften herzustellen.
CCD-Sensoren sind lichtempfindliche elektronische Bauelemente.
Der Mythos vom 42, 36, 14 oder 16 Bit Scanning
Man kann getrost vergessen, mit wie vielen Bits per Farbkanal (8, 10, 12, 14 oder 16) bzw. Bits per
Bildelement ( 24, 30, 36, 42 oder 48) ein Scanner vorgibt, zu Scannen. Das hat überhaupt nichts
damit zu tun, wie gut ein Scanresultat aussieht. Diese sogenannte „Farbtiefe“ hat überhaupt nichts
zu tun mit Details in Schattenbereichen oder mit der Farbtreue eines Bildes.
Selbst die einfachsten Scanner prahlen heute mit dem Begriff 42 Bit Scannen. Das bedeutet
lediglich, dass die Scanner einen Analog zu Digital Wandler nutzen, der das gemessene
Analogsignal der CCD mit 14 Bits pro Farbkanal ausgibt. Wie genau das gemessene Analogsignal
der CCD ist, bleibt dabei völlig unberücksichtigt. Wenn die CCD nur zwei Werte liefern würde, 0
und 1 (an und aus) dann würde der Wandler eine 14 Bit genaue Null und eine 14 Bit genaue Eins
liefern.
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Warum es trotzdem wünschenswert ist, dass Scanner Kanäle haben, die breiter als 8 Bits sind, liegt
darin begründet, dass dann die Umrechnung von linearem analogem Messwert auf digitalen
logarithmischen Farbausgabewert mit der erforderlichen Genauigkeit digital und nicht analog
gemacht werden kann.
Weiter wird dann die Feinanpassung von Bildern mit der höheren Farbtiefe mit geringeren Verlusten
möglich, denn jede mathematische Umformung (Verschiebung)
des Farbwertes erzeugt
Rundungsverluste, die sich akkumulieren, und so wird einigermaßen garantiert, dass immer noch 8
„gute“ Bits pro Farbkanal oder 24 Bits pro Pixel übrig bleiben, nachdem die ganzen Anpassungen
vorgenommen worden sind. Und das ist ungefähr der Bereich, den wir sehen können. Auch die
allerbesten (und teuersten) CCD's liefern (nach der Umwandlung durch den A/D Wandler) nur
Genauigkeiten von maximal 30 Bits. Alle übrigen Bits repräsentieren daher nur „Rauschen“ in den
Messwerten.
Hinzu kommt noch, dass im Augenblick (also im Jahre 2011) nur sehr wenige der gängigen
Bildbearbeitungsprogramm überhaupt eine größere Farbtiefe als 8 Bits verarbeiten können und dass
JPG – das populärste Bildformat für Fotos – auch nur im 8 Bit Modus arbeitet.
Schlussfolgerung:
Es gibt zwei wichtige Qualitätsmerkmale für moderne Photoscanner.
Ersten: die Auflösung des Scanners und zweitens der D-Max bzw. D-Range Wert der CCD des
Scanners.
Eine hohe Auflösung wird von den meisten amateurhaften oder semi - professionellen Benutzern als
sehr wichtig angesehen und wird demzufolge von diesem potentiellen Käuferkreis meist sehr stark
überbewertet.
Wie man gesehen hat, ist eine Auflösung von 2400 dpi oder ein wenig mehr für die Digitalisierung
von Kleinbilddias in guter Qualität durchaus ausreichend.
Viel wichtiger, aber meist sehr unterbewertet durch den oben bezeichneten potentiellen Käuferkreis,
ist ein hoher D-Max bzw. D-Range Wert.
Und die Farbtiefe wird so gut wie gar nicht beachtet.
Aber da es für einen Scanner-Hersteller viel einfacher (und billiger) ist, breite Register für die
Farbumwandlung einzubauen sowie CCD's mit einer hohen Auflösung sowie Schrittmotoren
und Getriebe mit kleiner Schrittweite herzustellen, als CCD's mit hohem D-Max (D-Range)
Wert, sieht man in der Werbung für Flachbett-Photoscanner meist nur die Auflösung der
Scannerzeile hervorgehoben.
Von der maximalen Dichte ganz zu Schweigen vom Dichteumfang und wie der ermittelt
worden ist, ist selten etwas zu lesen !
Sieh auch: Photo Scanner Technology Explained ( © 2006 Ken Rockwell )
http://www.kenrockwell.com/tech/scantek.htm
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