Grundlagen für einen optimalen Scan

von Christoph Müller, Publishing Tools Support


Die Qualität von gedruckten Bildern hängt in hohem Masse von einem Schritt ab: der Digitalisierung. Bei diesem Schritt der Reproduktion müssen viele Punkte beachtet werden, vor allem die Genauigkeit der Farb- und Tonwertbalance. Die Frage ist, ob genügend Tonwerte erzeugt worden sind, um danach noch Korrekturen auszuführen. Deshalb ist es wichtig, dass schon beim Scannen darauf geachtet wird, dass alle Parameter bekannt sind und dementsprechend eingestellt, denn ist der Rohscan nicht optimal gescannt, kann auch der beste Lithograf diesen Scan nicht mehr zu einem Qualitätsbild verarbeiten.

Dieser Artikel ist kein Leitfaden wie man in 10 Minuten zum Scanner Operator wird, denn auch hier gilt: Übung macht den Meister. In dieser Arbeit werden aber eine Vielzahl von wichtigen Parametern und Grundlagen allgemeinverständlich beschrieben und erklärt. So können Sie nützliches Know-how in Ihre tägliche Scanarbeit einfliessen lassen, um sie zu verbessern.

 

Kapitel:
1. Die Bildauflösung, 2. Bildbeurteilung und Bildkorrektur, 3. Grundlagen der elektronischen Schärfe, 4. Rasterbildung

1. Die Bildauflösung


In der konventionellen Fotografie versteht man unter der Auflösung die Anzahl der unterscheidbaren Linien pro cm oder mm. Genau genommen muss man anstatt von Linien von Linienpaaren Sprechen, da nämlich zwei Linien nur unterscheidbar sind, wenn diese durch einen Abstand, das heisst durch eine weisse Linie, getrennt sind (Linienpaar). Um ein Linienpaar wiedergeben zu können, braucht man in der digitalen Aufzeichnung zwei Bildpunkte. Ist also die Auflösung in Linienpaaren pro Zentimeter bekannt, wird durch den doppelten Wert die wiedergebbare Anzahl von Bildpunkten beschrieben.
In der Silbersalzfotografie werden sehr unterschiedliche Angaben über das Auflösungsvermögen gemacht. Dies hängt einerseits damit zusammen, dass das Auflösungsvermögen kontrastabhängig ist. Darüber hinaus wird aber das Auflösungsvermögen auch durch die Lichtempfindlichkeit der Emulsion bestimmt, die ihrerseits wieder von der Körnigkeit abhängig ist. Bei einem Diapositivfilm mit einer Lichtempfindlichkeit von 100 ASA und gutem Kontrast können normalerweise 500 Linienpaare/cm unterschieden werden. Dies entspricht 1000 Bildpunkten/cm. Auf 1cm2 Farbfilm können somit 1 Mio. Bildpunkte aufgelöst werden. Das weitaus gebräuchlichste Format ist das Kleinbilddia mit 24 x 36 mm und 8,64 Mio. Bildpunkten.

Kleinbild 24x36 8,6 Mio Bildpunkte
Mittelformat 60x60 36,0 Mio Bildpunkte
Mittelformat 60x90 54,0 Mio Bildpunkte
Grossformat 90x120 108,0 Mio BildpunkteAuflösungsvermögens des menschlichen Auges

Die Auflösung des menschlichen Auges
Das Auflösungsvermögen des Auges wird durch den Abstand der Lichtrezeptoren auf der Netzhaut bestimmt. Daraus ergibt sich ein Öffnungswinkel, unter welchem das Auge zwei Bildpunkte (oder ein Linienpaar) gerade noch unterscheiden kann. Dieser Winkel beträgt 1,5 Bogenminuten.
Als gebräuchlicher Abstand für die Betrachtung von Bildern, die sich auf der Tischplatte befinden, kann 40 cm gelten. Für diese Distanz errechnet sich, dass das Auge noch 29 Linienpaare/cm unterscheiden kann. Bei halbem Abstand wäre es die doppelte Linienzahl. Um 29 Linienpaare unterscheiden zu können, muss das Bild 58 Bildpunkte pro cm aufweisen. Ein Papierprint eines Stillvideo-Bildes darf unter diesen Umständen nicht grösser als 10x12 cm sein. Ein Kleinbilddia kann man dagegen bis zu einem Format DIN A2 (420x594 mm) vergrössern, bis das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges erreicht wird.

Die Auflösung der Druckvorlage
Eigentlich sollte man meinen, dass eine Druckvorlage nicht mehr Bildpunkte haben muss, als das menschliche Auge zu unterscheiden vermag. Das ist im Prinzip richtig. Dabei übersieht man allerdings, dass eine Druckvorlage nicht auf das Auge, sondern auf die Gesetzmässigkeit des Rasterprozesses abgestimmt werden muss. Als minimale Anforderung ist zu verlangen, dass die Druckvorlage gleichviel Bildpunkte aufweisen soll wie Rasterpunkte erzeugt werden sollen. Bei einer Rasterweite von 60L/cm sind es 60 Bildpunkte/cm. Nun wissen wir aus Erfahrung, dass es zur verlustfreien Umsetzung eines Halbtonbildes in ein Rasterbild die doppelte Bildpunktzahl braucht.
Geht man von einer Druckvorlage aus, die zuerst noch gescannt werden muss, ergibt sich auch hier die Forderung, dass die Abtastung auf den Scanner doppelt so fein erfolgen muss wie die anschliessende Rasterung. (Siehe Abbildung).
Es wird vorausgesetzt, dass die Breite der Linie identisch ist mit der Breite einer Rasterlinie für die gewählte Rasterweite. Wird nun die Abtasteinheit so gewählt, dass ein Bildpunkt identisch ist mit der Linienbreite, so stellt man fest, dass das Liniengitter nur dann korrekt wiedergegeben wird, wenn die Abtastung exakt an der Kante einer Linie beginnt. Beginnt die Abtastung in der Linienmitte, braucht es zwei Bildpunkte pro Linie, damit eine korrekte Wiedergabe des Liniengitters möglich ist. Diese Regel, dass eine Druckvorlage doppelt so fein abgetastet werden soll wie sie gerastert wird, kennt man bereits aus der Signaltechnik unter dem Begriff Nyquist-Theorem". Es lautet:
Die Quantisierung muss doppelt so fein sein wie die maximal mögliche Signalfrequenz"

Wenn die Linienbreite identisch ist mit der Breite einer Rasterlinie, ist eine einwandfrei Wiedergabe nur möglich, wenn mit 2 Bildpunkten pro Linie abgetastet wird.

Bildpunkte von Druckvorlagen
Wenn man einer Rasterweite von 60L/cm als Standard für den Qualitäts-Offsetdruck auf gestrichenem Papier betrachtet, lässt sich errechnen, wieviel Bildpunkte eine Druckvorlage aufweisen muss, damit ein bestimmtes Format wiedergegeben werden kann.

Bildformat: Anzahl Bildpunkte in Millionen.
10,5 x 14,8 cm 2,238
14,8 x 21,0 cm 4,476
21,0 x 29,7 cm 8,95
29,0 x 42,0 cm 17,90

Diese Werte beziehen sich auf eine Rasterweite von 60 L/cm. Liegt die Rasterweite tiefer (beispielsweise beim Zeitungsdruck), reduziert sich die Anforderung an die Bildpunktzahl.

 

2. Bildbeurteilung und Bildkorrektur


Ein gutes Bild sollte nicht nur in der richtigen Auflösung gescannt werden, sondern auch noch den vollen Tonwertumfang einer Vorlage erfassen. Dabei sollten die Töne richtig zwischen Schwarz und Weiss verteilt werden, um so Kontrast und Bildhelligkeit korrekt darzustellen. Gleichzeit müssen alle Bilddetails sichtbar sein, die Lichter müssen Zeichnung haben, ebenso die Tiefen und die Mitteltöne. Also eine ganz normale Anforderung an einen guten Scan. Um all dies zu erreichen, müssen wir gewisse Regeln und Vorgehensweisen im Kopf behalten.

Bildbeurteilung
Bevor wir mit einem Scan beginnen, ist es sinnvoll, das Bild zu analysieren.
1. Wo ist die grösste Tiefe, wo ist der hellste Punkt?
Setzen Sie an Ihrer Scannersoftware den hellsten und den dunkelsten Punkt ein. Meist kann man mit einer Pipette diese Punkte im Preview-Fenster anklicken. Somit unterlaufen sie nicht der Gefahr, dass die Automatik des Scanners andere Punkte als Sie aussucht.

2.Haben wir einen Farbstich? Ist das Sujet absichtlich unterbelichet. Ist der hohe Kontrast gewollt?
Sind solche Merkmale einer Vorlage beabsichtigt, müssen ebenfalls die automatischen Einstellungen umgangen werden.

3. Haben wir genug Halbtoninformationen?
Nach dem Scannen, oder dem Preview Scan, muss der Scan erst einmal beurteilt werden. Zu diesem Zweck messen Sie die Tonwerte, um so die Punkte 1 und 2 zu kontrollieren. Um den ganzen Scan rein technisch aber als gut zu klassifizieren, brauchen wir ein zuverlässiges Werkzeug. Dieses ist in Form des Histogramms in Adobe Photoshop eingebaut. Das Histogramm zeigt die Verteilung der Pixel über den gesamten Tonwertumfang. Wobei 256 vertikale Balken für jeden möglichen Ton (in einem Kanal) stehen. Die Höhe der Balken ist proportional zu der Anzahl der Pixel pro Graustufe. Die Verteilung der Pixel in einem Bild liefert Angaben in welchen Bereichen der Scan korrigiert werden muss, oder auf welche Punkte beim Neuscan geschaut werden muss.

Wir wollen das an einem Schwarz/Weiss-Beispiel betrachten. Die Verteilung der Pixel gibt uns einen Richtwert für Tonwertkorrekturen. Das erste Bild hat einen zu geringen Kontrast. Es weist in der Tiefe kaum noch Pixel und im Licht weitgehend keine Pixel mehr auf.

Durch eine Tonwertkorrektur ist es nun möglich, die fehlenden Pixel mit bestehenden aus den Mitteltönen berechnen zu lassen. Dadurch entstehen im Histogramm Lücken, welche im Histogramm als Streifen sichtbar sind.

Wenn die Lichter beim Scannen zu hell und die Tiefen zu dunkel eingestellt sind, dann ergeben sich Bilder mit hohen Werten an beiden Enden des Histogramms. Das bedeutet, dass die Schattenpartien zufallen und die Lichterzeichnungen verschwinden.

Die Automatik-Funktion eines jeden Scanners mit automatischer Dichteregelung erzeugt beim Scannen zuerst ein Histogramm anhand dessen er die richtigen Einstellung für Licht und Tiefe setzt. Beachten Sie jedoch, dass nicht jedes Bild mit ungleichmässigem Histogramm fehlerhaft zu sein braucht!

Jetzt haben wir die drei häufigsten Scanfehler visuell und im Histogramm besprochen und dargestellt. Natürlich möchte ich Ihnen das Original nicht vorenthalten. Voilà:

Bildkorrektur
Wenn wir das Maximum aus einem Scan herausgeholt haben und es trotzdem Bereiche im gescannten Bild gibt, die wir noch verändern wollen, greifen wir meist zu einer der vielen Korrekturmöglichkeiten des Photoshops. Leider ist es auch hier so, dass die Tonwertkorrekturen, die wir zum Beispiel in der Gradationskorrektur vornehmen, zu einer Verändernung des Histogramms führt. Bei der Tonwertkorrektur wird ein Teil der Graustufendaten verworfen, um andere Bereiche zu verschieben oder zu erweitern. Die von oben her bekannten Fehler sind im Histogramm zu erkennen. Mehrere Korrekturen hintereinander verringern die Informationsmenge, die im Bild vorhanden ist. Dies ist gut anhand des zweiten Beispieles zu erklären. Als wir die Korrektur durchführten (Original zu flau), entstanden im Histogramm Lücken. Diese Lücken bedeuten im Endeffekt, dass wir für gewisse Graustufen des Bildes überhaupt keine Informationen mehr besitzen. Wie gesagt, werden diese Lücken durch eine Streifenbildung sichtbar («Abriss»). Deshalb sollten alle Korrekturen möglichst schon beim Scannen vorgenommen werden, um die gesamte Skala von 256 Graustufen abzudecken.

Ist das Bild soweit optimal eingestellt, wird es noch geschärft. Sei es, weil die Vorlag unscharf ist, oder um den Grundschleier des Scanners zu entfernen.

3. Grundlagen der elektronischen Schärfe

Jeder Scanner besitzt zur Verbesserung der Bildschärfe die Möglichkeit einer Konturenverstärkung. Allgemein üblich ist der aus dem Englischen übernommene Fachbegriff USM (UnSharp-Masking). Das Bild wird von einem Lichtstrahl mit relativ grossem Durchmesser abgetastet. Nur der Kern dieses Strahls ergibt das Bildsignal. Der Umfeldstrahl registriert schon einige Walzenumdrehungen vorher einen kommenden Dichtesprung. Er gibt dem Rechner den Befehl, eben vor dem Dichtesprung ein stärkeres oder schwächeres Signal zu schreiben. Dadurch erzeugt man einen auf der Vorlage eigentlich nicht vorhandenen Konturensprung, der vom Auge als Schärfesteigerung wahrgenommnen wird.

Allerdings muss mit dieser «Aufsteilung» bei bestimmten Bildmotiven (z.B. Hauttönen oder Korn im Kleinbilddia) sehr behutsam umgegangen werden, da leicht Bildverfremdungen auftreten können.

a) Entstehung des Differentialssignals aus Haupt- und Umfeldsignal (H-U). Durch Subtraktion des Umfeldsignals (U) entsteht ein Differenzsignals, das nach positiven und negativen Amplituden getrennt wird.

b) Entstehung des Detailkontrastsignals aus Hauptblenden- und Differenzsignals (H+(H-U)). Wird das Differenzsignal durch Addition auf das Hauptblendensignal aufmoduliert, so ist das Ergebnis eine Kontrast- und Schärfesteigerung im Bilddetail.

Die Unscharfmaskierung in der Praxis
Die Unscharfmaskierung im Photoshop lässt eine sehr genaue Steuerung des Schärfens zu. Leider ist im Handbuch das Thema sehr ungenau besprochen. Bei der USM Filterung lassen sich folgende Parameter beeinflussen: Stärke, Radius (in Pixel) und Schwellwert in Stufen. Hier zur Ergänzung des Handbuches die genaue Erklärung sowie der genaue Einfluss auf das Bild der einzelnen Parameter:

Stärke:
Die Stärke steuert wie es der Name schon sagt die Stärke der Unscharfmaskierung. Die Einstellung variiert zwischen dem Original und dem Medium auf dem das Bild reproduziert wird. Für Ausgaben auf einen Thermosublimationsprinter dürfen die Werte höher liegen (400 bis 500) als bei Ausgaben auf dem Belichter (300 bis 400. Der Grund dafür liegt bei der Kontraststeigerung welcher der Filter erzeugt. Der Film reagiert mit seiner hohen Auflösung sehr empfindlich auf Überschärfe. Dies macht sich mit sehr harten Kanten oder «Verkörnung» der einzelnen Pixel bemerkbar. Die angegebenen Werte beziehen sich nur auf die Arbeit mit der CF1. Sie sind keineswegs als Referenz für andere Eingabegeräte auf CCD Basis zu beachten. Die Werte bei der Stärke stehen ausserdem in direktem Zusammenhang mit den Parametern Radius und Schwellwert.

Radius:
Der Parameter Radius steuert, wie weit der Filter weitere Pixel um die eigentliche Kontrastkante herum in seine Berechnung miteinbezieht. Anders ausgedrückt, lässt sich somit der Radius des Kontrasthalo um Kontrastkanten herum angeben.
Den Radius Wert lässt sich mit einer einfachen Formel grob berechnen: 200 dividiert durch die Outputgrösse multipliziert mit der Outputauflösung. Für ein 5 cm breites Bild mit einer Auflösung von 120 Punkten pro cm ergibt sich folgende Rechnung: 200 / (5 x 120) = 0,333. In diesem Beispiel sollte ein Radius von 0,3 genügen.

Schwellwert:
Der Schwellwertparameter bestimmt den minimalen Grad des Unterschiedes zwischen den einzelnen Pixeln, bei denen der Filter wirksam wird. Die Einstellung des Schwellwertes hängt stark mit dem Anteil von fotografischem Korn ab, der vom Scanner reproduziert wird und auf dem digitalisierten Bild sichbar ist. Einstellungen zwischen 0 und 5 sind für die meisten Low-End Flachbettscanner empfehlenswert. Für digitale Kameras kann hier meist mit Werten zwischen 0 und 1 gearbeitet werden, da diese wie oben erwähnt kein fotografisches Korn besitzen.

Beispielbild: Bei Vergrösserung auf Pixelgrösse ist der Effekt des USM sehr gut sichtbar.

Die Unscharfmaskierung kann sehr effektiv auf ein Bild angewandt werden. In einzelnen Fällen empfiehlt es sich aber, die einzelnen Kanäle einzeln zu schärfen. Wenn man die RGB-Kanäle gesplittet betrachtet, bemerkt man oft, dass der eine Kanal unruhiger wirkt als die anderen (meistens ist es der Blau-Kanal). Der Grün-Kanal enthält meistens die Helligkeits-informationen und wirkt daher am ruhigsten. Man erreicht sehr gute Resultate, wenn man den Grün-Kanal mit einer normalen Einstellung ausgehend von obigen Erklärungen unscharfmaskiert, den Rot-Kanal mit denselben Einstellungen von Radius und Schwellwert, aber mit einem niedrigeren Wert für die Stärke. Den Blau-Kanal lässt man ungeschärft. Aber aufgepasst auf Überschärfe in einzelnen Kanälen! Dies kann zu Farbrändern an Kontrastkanten führen.

Wenn das Bild soweit fertig ist, kann es nun auf einem Filmbelichter belichtet werden, oder in einem Layoutprogramm montiert werden zur späteren Ausgabe. Um den Vorgang beim Belichten zu verstehen, müssen wir uns zuerst der Rasterbildung zuwenden.

4. Rasterbildung

In einem PostScript-Interpreter sind Rasteralgorithmen eingebaut. Mit Hilfe dieser Algorithmen werden aus Pixel-orientierten Bildern Rasterbilder generiert. Diese werden vom Interpreter als Bitmap-Daten zum Ausgabegerät weitergegeben.
Dabei kommt die Auflösung des Ausgabegerätes zum Zug. Bei einem Laserdrucker mit 300 dpi Auflösung können weniger Graustufen dargestellt werden als auf einem Filmbelichter mit 3500dpi.

 



In der Grafik wird mit einem 600 dpi Laserdrucker ein 60er Raster generiert. Die Pixelinformation, die der Drucker erhält, ist eine 300 dpi Bildauflösung. Diese 300 dpi werden vom Interpreter als solche verarbeitet, jedoch für die Rasterausgabe können nicht 256 Grau-Abstufungen abgebildet werden, sondern nur deren 16 ohne Papierweiss.

600 dpi = 236 Punkte / cm
( 600 / 2,54 = 236 1cm = 2,54 dpi )

236 / 60 = 4 Punkte auf Rasterpunkt

( Auf einem cm kann der Laserdrucker 236 Punkte erzeugen. Da er aber deren 60 auf einem cm erstellen soll, bleiben ihm folglich noch 4 Punkte auf einen einzelnen Rasterpunkt. Da der Laserwriter auch eine Auflösung von 600 dpi in der Höhe aufweist, gilt dieselbe Rechnung auch für die Höhe. So erhalten wir eine Zelle von 4 x 4 Pixeln. In dieser können 16 Punkte adressiert werden. Somit können 16 Graustufen dargestellt werden.)

Reduzieren wir die Rasterweite, erhöht sich dadurch die maximale Anzahl der möglichen Graustufen. Erhöhen wir die Auflösung, erhöht sich die maximale Anzahl der möglichen Graustufen ebenfalls.

Rasterwinkel
Bei der Reproduktion von Bildern mit Hilfe von Rastern legt man die Rasterwinkel in bestimmte Winkel zum Bildformat. Als optisch unauffälligste Winkelung gilt die Diagonalstellung mit 45 Grad beziehungsweise 135 Grad. Sie wird für einfarbige Arbeiten bevorzugt. Würde man in der Farbreproduktion alle Rasterfilme einheitlich winkeln, lägen im Druck alle Rasterfilme übereinander.




Standard Rasterwinkelungen (links). 15 Grad Moiré Muster (rechts).


Üblicherweise werden die in der obigen Grafik verwendeten Rasterwinkelungen gebraucht.

Neben den drucktechnischen Problemen, die ein Aufeinanderdruck aller vier Farben mit sich bringt, gibt es auch noch reproduktionstechnische Probleme. Schon bei geringer Abweichung der Rasterwinkelungen kommt ein geometrisches Muster ins Druckbild, Moiré genannt. Dieses Moiré muss durch Rasterdrehung so klein gehalten werden, dass es optisch nicht mehr stört. Das ist bei der optimalen Winkeldifferenz von 30 Grad der Fall. Wenn eine Farbe, meistens die auffälligste Hauptfarbe (Schwarz oder Magenta), auf 45 Grad bzw. 135 Grad gelegt wird, ergeben sich im Abstand von 30 Grad jeweils die beiden Stellungen 15 Grad und 75 Grad. Die Anfangsstellung von 0 Grad wird meistens für die optisch hellste Farbe Gelb reserviert.

Brauchen Sie mehr Informationen über alles, was zu einem guten Scan gehöhrt? Haben Sie Fragen, oder Bemerkungen? Kontaktieren Sie mich per e-mail. Schreiben Sie an chm@pts.ch

11.1997 Christoph Müller, Publishing Tools Support

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