Elektronische Bildverarbeitung, Teil 2

All we need are pictures: Noch einmal wollen wir uns mit der breiten Palette der Bilderfassungs-Hardware beschäftigen, innerhalb derer wir unsere Wahl treffen müssen, damit wir überhaupt Elektronische Bildverarbeitung praktizieren können. Hätten Sie gedacht, daß sich unser Computer aus so vielen verschiedenartigen Quellen bedienen kann? Da sollte man schon recht genau wissen, was man vorhat.

Am Schluß der letzten Folge haben wir nach dem Funktionsprinzip von CCD-Bildsensoren gefragt. Halbleiterphysikalisch steckt da gar nichts Revolutionäres drin, die Probleme liegen in der verfahrenstechnischen Bewältigung der für akzeptable Auflösungen erforderlichen Integrationsdichte und vor allem in den Schwierigkeiten, für eine so riesige Anzahl von CCD-Zellen hinreichend einheitliche physikalische Parameter zu erzielen (Kalibrierung), was dann bei der Realisierung von Farb-CCDs nochmals besonders kritisch wird.

CCD-Technologie

Der CCD-Bildaufnehmer einer elektronischen Kamera hat das Aussehen eines ICs und enthält unter einem Schutzglas eine Array-Fläche von sehr, sehr vielen unglaublich kleinen Lichtdetektoren, ihrer Natur nach winzige Fotodioden, von denen jede direkt mit einem besonders verlustarmen MOS-Kondensator verbunden ist ( = ladungsgekoppelte Halbleiterelemente. Charge Coupled Devices, CCD). Alle diese Miniaturkondensatoren werden vor jedem Belichtungszyklus bis zu einer einheitlichen Spannung aufgeladen. Das auftreffende Licht aus dem Abbildungsobjektiv sorgt während der sog. Integrationsphase dafür, daß sich diese Kondensatoren über die beleuchteten Fotodioden teilweise entladen, und zwar im hellen Licht rascher als im dunklen. So entsteht ein Muster unterschiedlicher Spannungswerte. die genau den Helligkeitswerten der einzelnen Bildpunkte entsprechen. Nach Abschluß der Integrationsphase wandern diese Potentiale in ein zweites dahinterliegendes Array dunkel gehaltener Kondensatoren. aus dem sie dann nach Art eines Schieberegisters Punkt für Punkt und Zeile für Zeile als serielle Folge analoger Bildsignale ausgelesen werden.

Ab hier müssen wir zwei Verfahren unterscheiden. Bei den voll digitalen Systemen durchläuft die Spannungssignalfolge (in der Zeichnung Video-Analogsignal genannt) sofort on-line einen Analog-Digital-Wandler. Zur Speicherung oder Weiterleitung stehen also ab jetzt digitale Bilddaten an. Hier entspricht die physikalische Bildgröße in ,Pixel x Pixel' (fälschlich ,Auflösung' genannt) der Zahl der Bildelemente auf dem CCD-Chip.

Bei den Videosystemen hingegen wird ein FBAS- und/oder ein Y/C-S-VHS-Signal generiert, das, wie gesagt, dem Computer nur über eine Digitizer-Karte ,verständlich' gemacht werden kann. Diesmal dürfen wir nicht mehr davon ausgehen, daß die Größenangabe des Video-Aufnahmechips in ,Bildelemente x Bildelemente' identisch ist mit der Bildgröße in ,Pixel x Pixel'. Durch die dazwischenliegende Modulation zum Videosignal gelangen wir ja in eine andere Norm, in der die Auflösung in Linien/mm und Zeilen/Bild gemessen wird. Erst unsere Digitizer-Karte (unser Frame Grabber) zerlegt dieses wieder in viele kleine digitale Portionen, deren Quantität, gemessen in ,Pixel x Pixel', dann allein von den per Software einstellbaren Leistungsdaten der Karte bestimmt wird.

Während bei höchstauflösenden Videosystemen bis zu 36 Millionen Bildelemente auf einem Videochip untergebracht sein können, dürfen wir im Bereich der für uns erreichbaren 1/3"-, 1/2"- und 2/3"-Kameras nur mit 320000 bis 495000 Bildpunkten rechnen, von denen wiederum nur etwa 90% = 290000 bis 440000 effektiv zur Bildwandlung herangezogen werden.

Ausschnitt aus einem CCD-Halbleiter-Bildsensor (Flächen-Chip). Das auf die Integrations fläche treffende Abbildungslicht erzeugt in der Fläche der Pixel-Zellen ein analoges Ladungsmuster, das zunächst als geschlossene Bildflächeninformation in die hintere Bildspeicherebene geschoben wird. Von dort wird es zeilenweise in das untere horizontale Schieberegister transportiert und verläßt dieses als serieller Strom analoger Videozeilensignale.

Und die Farbinformationen?

Wie werten Video-CCD-Sensoren ein Farbbild aus? Eigentlich können sie ja nur Helligkeitswerte in Grauabstufungen unterscheiden. Man kann aber den optischen Abbildungsstrahlengang über ein Strahlenteilerprisma durch dichroitische Farbfilter in drei Farbauszüge für Rot, Grün und Blau aufteilen und diese je einem eigenen CCD-Chip zuleiten, die dann die Signale für den Rot-, Grün- und Blau-Kanal liefern. So arbeiten professionelle Videokameras, wobei diese aufwendige Technik natürlich ihren Preis hat.

Mittlerweile verfügen wir aber auch über spezielle Color-CCDs. Man faßt auf diesen Chips jeweils drei CCD-Elemente zu einem Pixel zusammen und stattet sie mit je einem eigenen winzigen Farbfilter für Rot, Grün und Blau aus. So registriert jedes Element nur den der jeweiligen Farbe entsprechenden anteiligen Helligkeitswert. Die größte technische Schwierigkeit bereitet hier die Einhaltung enger Toleranzen für die Absorptionswerte der vielen kleinen Separationsfilter.

Gerätepalette

Bevor wir uns anschließend der Technik der Zeilen-Scanner zuwenden, sollten wir uns noch ein paar zusätzliche interessante Anwendungsvarianten der bisher behandelten Flächen-Chip-Technologie anschauen.

Sehr praxisgeprägte Geräte stellen die sog. Repro-Scanner dar, auch Visualizer genannt. An einer Tischsäule, ähnlich einem Vergrößerungsapparat, sitzt (oft auf einem höhen verschiebbaren Schlitten) ein Video köpf mit einem hochwertigen Zoom-objektiv. Normlichtlampen zu beiden Seiten sorgen für eine gleichmäßige Ausleuchtung der Basisfläche, eine Durchlichteinrichtung gestattet zusätzlich die Verarbeitung von Diapositiven und Negativen. Die Vielseitigkeit ergibt sich aus dem weiten Größenspielraum der zu erfassenden Objekte und aus der Tatsache, daß auch räumliche Arrangements rasch und ohne Umweg über die chemische Fotografie als Computerbilder erfaßt werden können.

Für den normalen Geldbeutel dürfte der CANON Video Visualizer RE-650 interessant sein, ein elegantes Tischgerät, das ein PAL-Videosignal liefert und deshalb über eine Digitizer-Karte mit dem ATARI verbunden wird. Er arbeitet mit einem 1/2"-CCD-Chip mit 470000 Bildpunkten.

Wer etwas mehr ausgeben will, greift lieber zum OPTOSCAN Integral 2 von Opto-Tech GmbH, Hannover. Hier liefert ein Super-CCD mit einer Fläche von 5.000 x 7.200 = 36 Millionen Pixel Auflösungen von 5000 dpi beim Digitalisieren von KB-Dias bis 600 dpi bei DIN A4 und 300 dpi bei DIN A2. Das Ganze in 36 Bit Farbtiefe (12 Bit pro Farbe), das sind theoretisch 69 Billionen Farbtöne. Dies nur, um mal den Stand der Technik aufzuzeigen.

Allerdings, solche High-Tech-Scans mit Digitalisierungstiefen von 10 bis 14 Bit pro Farbe werden gleich anschließend auf 8 Bit pro Farbe = 24 Bit Farbtiefe zurückgeführt. Wozu aber dann der Aufwand? Die extremen Datentiefen werden benötigt, um z.B. beim Einscannen von Diapositiven den hier besonders hohen Dichteumfang von über 1:3 vom tiefsten Schwarz bis zum hellsten Weiß wirklich noch moduliert, das heißt durchgezeichnet zu registrieren. Beim proportionalen Herunterrechnen der Datenflut bleibt der so gesicherte Dynamikumfang voll erhalten, nur die Datenmenge wird auf die ,handliche* TrueColor-Dimension von 16,7 Millionen Farbtönungen reduziert. Darüber hinaus erlaubt nichtproportionales Konvertieren anhand von Tonkurven selektive Bildkorrekturen, z.B. das Aufhellen besonders schattiger Bildteile, bereits während des Scannens.

Auch für diesen High-End-Kamera-Scanner ist ein GDPS-Treiber erhältlich, so daß für eine Übernahmemöglichkeit der Feinbilddateien im RGB- wie auch im CMY-Format (wird später erläutert) auf die ATARI-Plattform z.B. via CHAGALL gesorgt ist.

Solange solche Details über die Verknüpfungsmöglichkeiten von interessanten EBV-Komponenten nicht stärker publik gemacht werden, wird es immer Leute geben, die einen ungläubig oder sogar mitleidig(!) anschauen, wenn man ihnen erzählt, man betreibe digitale Bildverarbeitung auf einem ATARI!

Wer ständig schnell Farbdiapositive wie auch Farbnegative in den Computer übernehmen muß, sollte sich einmal für die FOTOVIX-Geräte von TAMRON interessieren. Ein aufrecht stehendes Tischgerät erfaßt Kleinbildnegative und -diapositive über einen 1/2"-CCD-Chip mit 470 000 Bildpunkten (FOTOVIX III-S) und gibt normale FBAS- und Y/C-(S-Video)-Signale aus, die auch hier über einen Digitizer an jeden ATARI übergeben werden können. Mit 3000.- DM ist das die preiswerteste Möglichkeit für privates Dia-scannen.

Nicht unerwähnt lassen darf man in diesem Zusammenhang, daß KODAK aus dem sagenhaften PCD Filmscanner 2000, dem Standardgerät, das die Bilder für die KODAK-Photo-CD digitalisiert, einen erschwinglichen Abkömmling für jedermann entwickelt hat, den KODAK RFS 2035 Film Scanner. Dieses Gerät scannt über ein Flächen-CCD Kleinbilddias und -negative mit einer Auflösung von 2000 dpi, erzeugt dabei Bildgrößen von 3072 x 2048 Pixel mit 24 Bit Gesamtfarbtiefe, alsoTrueColor-Qualität. Diese Daten sind identisch mit dem Ausgangs-Scan-Format der Photo-CD!

Dieser Scanner könnte also sehr gut das weiter unten beschriebene Manko ausgleichen, daß bei allen Vorzügen im Einsatz der KODAK-Photo-CD die Bilddaten aktueller Fotos immer erst für die Verarbeitung zur Verfügung stehen, wenn das Foto den Weg über eine Photo-CD-Service-Station zum Einscannen genommen hat. So bleibt auch hier abzuwarten, wie schon bei der digitalen KODAK DCS 200-Kamera, ob die Firma Trade iT in nächster Zeit den für die ATARI-Anbindung benötigten GDPS-Treiber (siehe weiter unten) anbieten wird.

So arbeitet ein FLACHBETT-SCANNER: Die Lampen, die Spiegel, die abbildende Optik und der CCD-Zeilensensor-Chip sitzen fest miteinander verbunden auf einem Schlitten, der unter der Glasscheibe mit der Vorlage entlangfährt und diese so optisch abtastet. Der hier dargestellte Scanner-Typ (EPSON GT 8000) ermöglicht sehr zügiges Arbeiten, weil die Primärfarbwerte Rot, Grün und Blau durch rasches Umschalten der drei verschiedenfarbigen Halogenfluoreszenzlampen Zeile für Zeile in einem Durchgang registriert werden.

Zeilen-Scanner

Weil die hochauflösenden CCD-Flächen-Chips erst seit jüngster Zeit zur V erfügung stehen und natürlich auch sehr teuer sind, ging man für das digitalisierte Einscannen flächiger Vorlagen, von Bildern, Zeichnungen und Texten (OCR), mit den allbekannten Flachbett- und Hand-Scannern längst schon einen anderen Weg. Auch bei diesen Geräten bedient man sich der oben beschriebenen CCD-Bildwandler-Technik. Statt jedoch eine möglichst große Anzahl von CCD-Bildsensoren auf einer winzigen Fläche von 1/3", 1/2" oder 2/3" = 8.4, 12.7 bzw. 16.7 mm Diagonalmaß rasterartig in vielen Pixel-Zeilen unterzubringen, hat man sie bei der Konstruktion dieser Scanner einfach in einer langen Reihe geradlinig angeordnet. Solch ein CCD-Zeilensensor enthält 2000 bis 5000 Bildwandlerelemente nebeneinander und erfaßt beim Scannen eine Originalbreite von bis zu 210 mm = 8,3". Die horizontale Auflösung errechnet sich aus diesen Werten z.B. mit 3300 Pixel/8,3" = 400 dpi. Diese Technik erfordert aber, daß diese eine Reihe von Lichtsensoren optisch so an der Vorlage vorbeigeführt wird, daß nacheinander die gesamte Höhe der Vorlage Zeile für Zeile in der Breite der Sensorenleiste abgetastet wird.

In den Flachbett-Scannern fährt dazu ein Schlitten, der außer der CCD-Zeile ein umlenkendes Spiegelsystem und ein abbildendes Linsensystem trägt, unter einer Glasplatte entlang, auf der die zu scannende Vorlage mit dem Bild nach unten liegt. Beim Hand-Scanner hat man neben der Auswerteelektronik eben dieses Spiegel-/Linsen-/Linearchip-System in ein T-förmiges Gehäuse gepackt und fährt nun von Hand dieses ganze Aggregat auf Gummiwalzen über die zu scannende Vorlage. Aufbau und Funktionsweise des linaren Bildwandlers entsprechen zunächst dem oben beschriebenen CCD-Video-Chip. Wieder wird die Bildpunkthelligkeiten über Fotodioden als entsprechender Ladungswert in den Mikrokondensatoren der CCD-Zeilenelemente als Analogwert erfaßt und periodisch an das dazugehörige Schieberegister weitergereicht. Aus diesem werden sie als analoge Signalfolge seriell abgerufen, gelangen über einen Verstärker sogleich zu einem Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler), an dessen Ausgang dann ein digitaler Datenstrom wahlweise zur byteweisen seriellen oder parallelen Weiterleitung in den Computer zur Verfügung steht.

Beim HAND-SCANNER nimmt man gewissermaßen den umgedrehten ,Wagen eines Flachbett-Scanners' selbst in die Hand und führt ihn über die Vorlage. Die mitrollende Gummiwalze registriert dabei über die Impulse, die eine von ihr angetriebene Schlitzscheibe in einer Gabellichtschranke erzeugt, den exakten Vorschub und ermöglicht so die Bildzerlegung in lückenlos aneinandergrenzende Abtastzeilen. Fährt man allerdings schneller, als die Bilddaten abtransportiert werden, riskiert man ‚Löcher‘ im Datenbestand.
TROMMEL-SCANNER registrieren die Helligkeitswerte der Bildpunkte nicht in Arrays von zahllosen CCD-Pixeln, sondern in hochgenauen Bildverstärkerröhren, den sog. Photomultipliern - und zwar einzeln nacheinander, Abtastpunkt für Abtastpunkt. Die horizontalen Bildpunktreihen entstehen durch die Rotation der Bildvorlage an der Abtastoptik vorbei, die Abtastzeilen durch den mikrofeinen Vorschub des Scanner-Schlittens. Zur Farbseparation werden die Bildpunktlichtstrahlen in der Regel über dichroitische Filter in die Rot-, Grün- und Blauanteile aufgespalten.

Bei beiden Gerätetypen ist es wichtig, daß der laufende Vorschub des abtastenden Sensorsystems ständig von der Steuerelektronik verfolgt wird, damit die CCD-Zeile genau in einem Rhythmus ausgelesen wird, der eine lückenlose Aneinanderfolge der zeilenförmigen Scan-Bereiche gewährleistet. Beim Flachbett-Scanner ist diese Synchronisation über den Schrittmotor des Zeilenschlittens leicht zu erreichen. Dabei muß die Steuerelektronik im Flachbettscanner auch den Datenfluß in den angeschlossenen Computer im Auge behalten und notfalls den Scan-Vorgang zeitweise unterbrechen. Um dies zu vermeiden, arbeiten moderne Scanner mit einem internen Pufferspeicher.

Beim Hand-Scanner melden die Gummiwalzen an der Unterseite des Gerätes den jeweiligen Vorschub, der ja wegen des Handbetriebs nie ganz gleichmäßig sein kann, an die Steuerelektronik weiter.

Jetzt verstehen wir auch, warum ein Hand-Scanner zwar fast beliebig langsam, keinesfalls aber schneller als ein bestimmter Grenzwert über die Vorlage gezogen werden darf, wovor bekanntlich eine entsprechende LED warnt: Der Ladungstransport im ‚Eimerkettenspeicher‘ (Schieberegister), die Digitalisierung im A/D-Wandler und der Datentransport in den Computer brauchen eben so ihre Zeit und begrenzen die Fahrgeschwindigkeit des ‚Handys‘ je nach eingestellter Auflösung auf 25 bis 90 mm pro Sekunde.

3 x Graustufen = 1 x Farbe

Wie erfaßt nun ein Farb-Scanner die Farben der Vorlage? Die CCD-Bildwandler können ja keine Farben unterscheiden, sondern nur Helligkeitsabstufungen Umsetzern Diese liegen zunächst, wie oben beschrieben, in Form von elektrischen Spannungszuständen (Analogsignale) vor, die in einem nachgeschalteten Analog/Digital-Wandler in digitale Informationen umgesetzt werden. In den Farb-Scannern arbeitet man üblicherweise mit Abtasttiefen von 4 bis 8 Bit und erhält so 24=16 bis 28=256 Intensitätsstufen (Grauwertstufen).

Dieses Verfahren wird nun dreimal separat für die Farbinformationen Rot, Grün und Blau angewendet. Damit ergibt sich die Zahl der Farbabstufungen zu 2(4x3)=4096 bis 2(8x3)=16,7 Millionen.

Zu diesem Zweck kann wahlweise in drei Durchgängen jedesmal das ganze Bild erst Lmter roter, dann unter grüner und schließlich unter blauer Beleuchtung abgefahren. gescannt werden oder in einem einzigen Durchgang bei synchron getaktetem, rasch wechselndem rotem, grünem und blauem Beleuchtungslicht. Die Beleuchtungseinrichtung, dünne stabförmige Halogen-Fluoreszenzlampen, sitzen parallel zur CCD-Zeile auf dem abtastenden Schlitten dicht an der zu scannenden Vorlage.

Beispiel: | EPSON-Flachbett-Scanner GT-6500 und GT-8000 --------- | ------------------------------------------- Auflösung: | 300 bzw. 400 dpi, interpolierbar auf 600 bzw. 800 dpi (wird später erläutert). Farbtiefe: | 24 Bit = 16,7 Mill. Farben Scan-Software: CHAGALL oder Scan iT über GDPS-Treiber

Hewlett Packard Scan Jet IIc
AGFA VISION 35 Film-Scanner

Andere Farb-Scanner arbeiten mit einer weißen Lichtquelle und setzen dabei jeweils Rot-, Grün- und Blaufilter vor die Sensorenzeile.

Beispiel: COLORSCAN 3000 gamma von Trade iT
Auflösung: 300 dpi, interpolierbar bis 1200 dpi
Farbtiefe: 24 Bit = 16,7 Mill. Farben
Scan-Software: CHAGALL oder Scan iT (GDPS-Treiber)

In Scannern von Hewlett-Packard wird die farbige Vorlage ebenfalls mit genormten weißem Licht in einem einzigen Durchgang gescannt. Ein prismatischer Strahlenteiler plus dichroitische Farbauszugsfilter führen die Rot-, Grün- und Blauanteile getrennt an drei separate CCD-Zeilen. Auch der bekannte Arcus Plus von AGFA arbeitet mit drei Sensorenzeilen.

Beispiel: AGFA Arcus Plus (Color-Concept, Lohmar-Breidt)
Auflösung: 600 dpi
Farbtiefe: 30 Bit beim Scannen, 24 Bit bei der Ausgabe über die SCSI-Schnittstelle
Scan-Software: ColorScan TT/Falcon (ColorConcept) oder CHAGALL (Trade iT)

Diese Farbseparationsverfahren lassen sich nur im Flachbett-Scanner realisieren, weil im ersten Fall das deckungsgleiche dreimalige Scannen natürlich nicht im Handbetrieb realisiert werden kann und bei den anderen Verfahren die Verwendung von drei verschiedenfarbigen Beleuchtungsquellen, die Strahlenteiler und der rotierende Filterwechsler mit der dazugehörenden Steuerelektronik die zur Handlichkeit entwickelten ,Handies' übermäßig aufblähen würde.

Hand-Scanner arbeiten in der Regel mit einer einzigen Farb-CCD-Zeile, deren Einzelsensoren durch auf dem Chip integrierte Farb-Streifenfilter (Rot, Grün und Blau) jeweils nur für eine Farbe empfindlich sind. Es versteht sich von selbst, daß auch für Farb-Hand-Scanner nur eine eingebaute neutral weiße Vorlagenbeleuchtung in Frage kommt, an deren Lichtzusammensetzung im Interesse einer korrekten Farbreproduktion besondere Anforderungen gestellt werden muß. Da die hier verwendeten Fluoreszenzröhren keine kontinuierliche, sondern Linienspektren ausstrahlen, müssen diese so verteilt sein, daß alle vorkommenden Farben ausgewogen registriert werden.

Beispiele:

1. Farb-Hand-Scanner MUSTEK MS 6000 von Trade iT

   
Auflösung: max.200 | dpi im Farbmodus (max.400 dpi im Graustufenmodus)
Farbtiefe: 18 Bit = 262 144 Farben
Scan-Software: CHAGALL oder Scan iT (GDPS-Treiber)

2. Farb-Hand-Scanner CHARLY Color von Wilhelm Mikroelektronik (Lünen)

   
Auflösung: 200 dpi im Farbmodus
Farbtiefe: 12 Bit = 4096 Farben
Scan-Software: Charly Image

3. Farb-Hand-Scanner SCANMAN COLOR von Logitech

   
Auflösung: 200 dpi
Farbtiefe: 24 Bit = 16,7 Millionen Farben
Scan-Software: ATARI-Anbindung noch offen (wer wird sie realisieren? Es handelt sich immerhin um den ersten und z.Zt. einzigen 24-Bit-Hand-Scanner!).

Lineare CCD-Sensoren werden auch in einigen hochauflösenden Film-Scannern eingesetzt. Diese sind als umgekehrte Flachbett-Scanner konstruiert, bei denen die Abbildungsoptik und die CCD-Zeile fest montiert sind und der zu scannende Film auf einem Schlitten in höchster Genauigkeit in Mikroschritten an der Optik vorbeigeführt wird.

Wir sollten noch erklären, daß man allgemein die Angaben zur Auflösungsleistung aller Varianten von Zeilen-Scannern so verstehen muß, daß die horizontale Auflösung durch die Anzahl der Bildsensoren pro Längeneinheit (meist inch) definiert wird, während sich in der Angabe der maximalen vertikalen Auflösung die. Feinheit1 der Schritte niederschlägt, mit der die Linearchip-Zeile an der Vorlage oder umgekehrt vorbeigeführt wird. Dabei bezieht man sich natürlich auf die Größe der Abbildung der Vorlage hinter der Optik, die in der Regel eine Verkleinerung darstellt, weil die Verfahren der Halbleitertechnik CCD-Sensoren nicht in beliebiger Größe herzustellen gestatten. Typische Vertreter dieser Linearchip-Film-Scanner:

Farbhandscanner MUSTEK CG 6000

AGFA VISION 35 Film-Scanner

   
Auflösung: 3175 dpi
Bildgröße: 5000 x 5000 pixel (von 40x40mm)
Farbtiefe: Scan 36 Bit / 3 Farben = 68 Milliarden Farben, Ausgabe 24 Bit/3 Farben = 16,7 Mill. Farben
Scan-Software: ColorScan TT/Falcon (ColorConcept) oder CHAGALL (Trade iT)

NIKON LS-3510 AF Film-Scanner

  |   --------- | ------------------------------------------- Auflösung: | 3175 dpi Bildgröße: | 5000 x 5000 Pixel (von 40x40mm) Farbtiefe: | wahlweise 24 oder 36 Bit / 3 Farben = 16,7 Mill. bzw. 68 Milliarden Farben ATARI-Anbindung: | noch nicht geklärt

Flachbett-Scanner COLORSCAN 300 F

Das GDPS-Konzept

Video-Digitizer, digitale Kamerasysteme sowie Hand-, Flachbett- und Film-Scanner sind also nun bereit, „Bunte Pixel-Ströme“ [1] aus Einsen und Nullen an den Rechner zu liefern. Doch die fließen nicht von selbst, sie müssen abgerufen werden. Zum einen, weil das elektronische Innenleben der Scanner und Digitizer meist auf Arbeitsbefehle vom Rechner angewiesen ist, und zum anderen, weil es ja ein Programm geben muß, das die Pixel-Daten zum mindesten auf dem Bildschirm wieder zu einem sichtbaren Farbbild zusammensetzt, abgesehen davon, daß wir die digitalisierten Bilder ja irgendwie bearbeiten und schlußendlich auch wieder ,ausgeben' wollen (nach dem vielschichtigen Motto „Wie kommt das Bild raus aus dem Computer?“).

Nun haben wir gesehen, wieviele Wege von der Vorlage (,Natur'- oder ,Bild'-Vorlage) in den Computer führen, und es gibt mittlerweile auch für ATARI-Rechner eine ansehnliche Anzahl von Programmen, die davon leben, daß sie Bilddaten gefüttert bekommen. Sollte jedes EBV-Programm jeden Bildfeindatenspender ansprechen und steuern können? Das ist natürlich nicht realisierbar, die Software-Schmieden kämen aus den Updates für jeden neuen Scanner oder Digitizer nicht mehr heraus.

So haben die Entwickler der Firmen Trade iT und tms schon 1989 ein Peripherietreibersystem ins Leben gerufen, das unter dem Namen GDPS-Konzept (Graphic Driver Programming Service) bekannt wurde. Dieses Verfahren arbeitet mit speicherresidenten Treiber-Accessories, die jeweils zu einem bestimmten Eingabe- oder Ausgabegerät gehören. Das anfordernde oder ausgebende EBV-Programm muß lediglich einmal die universelle bidirektionale (!) GDPS-Schnittstelle eingebunden enthalten und braucht ansonsten vom Typ des anzusprechenden Peripheriegerätes nichts zu wissen. Beim Wechsel des Scanners, Druckers oder Belichters muß also nur das passende GDPS-Treiber-ACC. mit angeschafft und geladen werden. Am EBV-Programm selbst ändert sich überhaupt nichts. Die Dokumentation für die GDPS-Schnittstellenprogrammierung wird jedem Entwickler großzügig zur Verfügung gestellt. Dieses System ist natürlich ein weiterer Schlüssel für den universell möglichen Einsatz von ATARI-Rechnern in Bereichen, die angeblich die Domäne des ,Angebissenen4 oder von ,Big Blue'-Abkömmlingen sein sollen. Abgesehen von der langen Liste bereits verfügbarer GDPS-Treiber für Scanner (inkl. Hell-Trommel-Scanner) und Drucker bis hin zu High-End-Belichtern läßt sich jedes neu auf dem Markt erscheinende Bildeingabe- oder -ausgabegerät (entsprechende Nachfrage vorausgesetzt) rasch und preiswert via GDPS-Modul an den ATARI und an GDPS-vorbereitete ATARI-Software ankoppeln. (Realisator: Firma Trade iT in Roßdorf).

Trommel-Scanner

SCANMATE 2000

Nachdem wir eben den Trommel-Scanner erwähnt haben, soll dieser klassische ,Bildzerleger' auch noch kurz beschrieben werden. Kurz deshalb, weil es sich hier um sehr teure Maschinen handelt, die preislich im obersten Profibereich angesiedelt sind. Andererseits stellen sie die ältesten Bildfeindatenbeschaffer dar und waren vor der Entwicklung der CCD-Technik das einzige Tor zur digitalen Bilderwelt.

Einer Drehbank nicht unähnlich, rotiert, hochpräzise gelagert, ein (Acryl-)Glaszy-linder. Auf diesem werden die einzuscannenden Bildvorlagen, wahlweise Auflichtbilder oder Diapositive bzw. Negative befestigt, einfach so, mit Tesafilm. Auf einem Schlitten, der parallel zur Rotationsachse sehr exakt fahren kann, sitzt ein optoelektronisches System, bestehend aus einer abbildenden Optik und einem bzw. drei Fotosensor(en) mit nachgeschaltetem(n) Fotomultiplier(n) (=Lichtverstärker). Die Optik tastet einen sehr, sehr feinen Punktbereich auf der Vorlage ab, während die Bildtrommel sich unter ihr mit hoher Geschwindigkeit dreht (1000 bis 1600 U/min). Gleichzeitig vollzieht die Abtasteinheit winzige axiale Vorschubschritte, so daß das Bild in feinsten Zeilen abgetastet wird. Die unterschiedlichen Bildhelligkeiten werden vom Fotosensor/Fotomultiplier registriert und über A/D-Wandler in digitale Bildinformationen umgewandelt. Farbseparation erfolgt über Strahlenteiler und dichroitische Farbauszugsfilter.

Während alle CCD-Scanner ihre Bilddaten im RGB-Format der additiven Farben Rot, Grün und Blau so weitergeben, wie sie anfallen und die Erzeugung der für Drucker-Lithos benötigten CMYK-Daten der EBV-Software überlassen, rechnen die Trommel-Scanner diese gleich in CMY-Werte um, die den subtraktiven Druckfarben Cyan, Magenta und Gelb entsprechen. Auch der für die Lithoherstellung zusätzlich benötigte K-Wert (Schwarzanteil blacK) wird ebenfalls rechnerisch aus diesen RGB-Daten abgeleitet. Wir werden auf dieses Thema noch ausführlicher zurückkommen.

Die extrem hohe Qualität von Trommel-Scans liegt unter anderem darin begründet, daß die Bildabtasttechnik der Trommel-Scanner nicht mit den aus der CCD-Technik bekannten Grenzen für die Auflösung zu kämpfen hat, die ja durch die Größe und die Geometrie der CCD-Halbleiter-Pixel bestimmt werden. Der Abtastlichtstrahl des Trommel-Scanners läßt sich sehr fein fokussieren, der Zeilenvorschub auf Wunsch äußerst klein bemessen. Eine hohe Signalverarbeitungsfrequenz gestattet auch bei sehr rasch rotierender Trommel eine hervorragende Punktauflösung (2000 bis 5000 dpi). Entsprechend voluminös sind die Bilddatenmengen! Auch hier arbeitet man zunächst mit Farbtiefen von 12 Bit pro Farbe = 36 Bit Gesamttiefe, um die volle Dynamik der Vorlage in den feinsten Abstufungen zu erfassen.

Speicherung der Bildfeindaten erfolgt entweder direkt vom Scanner auf MODs (Magneto Optical Disks) - von dort Import auf Computer; oder aber direkt in den ATARI-Arbeitsspeicher.

Mittlerweile haben Trommel-Scanner längst nicht mehr die Ausmaße einer ausgewachsenen Drehbank, sondern stehen in ziviler ,Desktop-Größe‘ für die Aufstellung direkt auf dem Schreibtisch zur Verfügung.

Beispiel: SCANMATE 2000 von Storm Distributor

   
Auflösung: 2000 dpi (ohne Interpolation)
Farbtiefe: 3x12=36 Bit (69 Billionen Farbabstufungen)
Scan-Software: Scan-Modul zu Retouche Professional
Hardware: TT 030 mit 32 MB RAM

Die Alternative

Sollten Sie sich nach all diesen Ausführungen über Video-Digitizing, digitale Fotografie, Trommel-, Bett-, Handy- und Film-Scanner immer noch nicht entscheiden können, welche Augen Sie Ihrem ATARI spendieren wollen, dann sollten Sie mal den Gelben Riesen aus Rochester befragen. Und der wird Ihnen antworten: Kaufen Sie sich doch ein CD-Laufwerk. Ach, Sie haben schon eines? Nein, das geht nicht, es muß schon ein besonderes sein: Ein ,multisessionfähiges CD-ROM-XA-Laufwerk für die KODAK Photo CD1. Dann können Sie als Computeraugen Ihre alte oder neue oder sonst irgendeine Fotokamera benutzen. Egal, ob Kleinbild-, 6x6cm- oder 4x5 inch-Kamera, egal, ob preiswert oder teuer, alles, was einen Diapositiv- oder Negativfilm zu belichten imstande ist, paßt ins System. Bei der Aufnahme arbeiten Sie dabei mit dem billigsten und trotzdem höchstauflösenden Bildspeichermedium der Welt, dem Farbfilm. Sie lassen ihn entwickeln oder suchen einen vom letzten Jahr, von vor 5,10 oder 40 Jahren heraus und bringen ihn zum KODAK-Photo-CD-Service. Wenige Tage später (vorläufig dauert’s auch noch etwas länger) erhalten Sie eine goldene Scheibe zurück, die Sie aller Scanner-Entscheidungen enthebt (weil es nichts mehr zu scannen gibt).

Kodak Photo CD

So, aller Probleme enthoben? Nein, eine Einschränkung bleibt: Man kann nicht, mal so eben1 was einscannen. Man muß rechtzeitig wissen, was man bearbeiten will. Wer aber Wege sucht, die Produkte fotografischer Bemühungen, ob privat oder beruflich, einer Weiterbearbeitung auf Computerebene zuzuführen, kommt nie mehr so billig an höchstaufgelöste Bildfeindaten heran!

Wie entsteht eine Photo CD, und was ist so genial daran? Die eingesandten Farbdiapositive bzw. Farbnegative werden in der Regel mit dem , KODAK PCD Film-Scanner 20001 mit einer Auflösung von 2200 dpi in einer Größe von 3072 x 2048 Pixeln eingescannt, das sind 6.291.456 Pixel pro Bild! Diese Zahlen sagen uns sicher mehr, wenn wir uns zum Vergleich mal vorstellen, daß wir eine 13x18cm-Papiervergrößerung des Fotos auf einem Flachbett-Scanner mit400 dpi digitalisiert hätten. Wir hätten 2800 x 2040 = 5,7 Millionen Pixel erhalten.

Für größere Filmformate tritt der KODAK Professional PCD Film-Scanner 4045 in Aktion und digitalisiert für die PRO PHOTO CD Dias und Negative von 24x36mm bis 4x5inch mit bis zu 6144 x 4096 Pixeln, das sind 25,2 Millionen Bildpunkte!

Die Bilddaten liegen zunächst im RGB-Format mit 3 x 8 = 24 Bit Farbtiefe vor. Damit sind schon mal mit 16,7 Millionen Farben insgesamt mehr Farbabstufungen gesichert, als unser Auge unterscheiden kann. Die Bilddateien haben zu diesem Zeitpunkt einen Umfang von 3x6,3 = 18,9 MByte pro Bild.

Als Server für den ganzen Prozeß arbeitet ein KODAK PCD Datamanager S 200, eine SUN Spare Workstation mit entsprechender Software, die beim Scannen auch die Fokussierung und erste Farbkorrekturen (Filmfabrikatanpassung, Negativumkehrung, Maskenfarbenausgleich) steuert. Diese führt nunmehr eine Konvertierung der RGB-Datei in das KODAK-YCC-Format durch, was eine erste verlustfreie(!) Komprimierung auf 9 MByte ermöglicht. Der Kern des Verfahrens liegt in einer schon vom digitalen Fernsehen her bekannten Umwandlung der 8-Bit-RGB-Werte in eine Luminanz-(Y)- und zwei Chrominanz-(CC)-Komponenten, womit Helligkeitswerte (Y) und Farbdifferenzwerte für Rot und Blau (C,C) definiert werden.

Anschließendes Chroma-Subsampling reduziert die Daten für die Farbinformation auf ein Viertel: Aus sehphysiologischen Gründen (Sie wissen schon, die Netzhaut: weit mehr Hell-Dunkel-Zäpfchen als Farbsehzäpfchen) genügt es, wenn zwar für jedes Pixel der Luminanzwert, aber nur für jedes vierte Pixel pro Pixel-Quadrat auch der Chrominanzwert gespeichert wird. Die fehlenden Zwischenwerte können später aus diesen Größen interpoliert werden, ohne daß unser Auge den Trick bemerkt.

Und jetzt kommt etwas überaus Nützliches: Vor dem Schreiben auf die Photo-CD erzeugt die Data Manager-Station aus den konvertierten Bilddaten vier bzw. fünf weitere Bilddateien in den unterschiedlichsten Bildgrößen (im Volksmund Auflösungen genannt), alle aber in TrueColor-Qualität mit 16,7 Mill. Farben:

Base 1/16
= 192 x 128 Pixel (16 Bilder auf dem Bildschirm, Übersicht, Archivbogen)
Base 1/4
= 384 x 256 Pixel (4 Bilder auf dem Bildschirm)
Base 1/1
= 768 x 512 Pixel (1 Bild auf dem Bildschirm, TV-Qualität)
Base 4/1
= 1536 x 1024 Pixel (HDTV-Qualität)
Base 16/1 = 3072 x 2048 Pixel (Fotoqualität) sowie bei der neuen Pro Photo CD:
Base 64/1
= 6144 x 4096 Pixel (Profiqualität)

So bleibt einem immer die Wahl, seinen Speicher nur mit der Bilddatenmenge vollzustopfen, die dem jeweiligen Bearbeitungszweck und Ausgabeziel entspricht. Auf dieses Thema werden wir später noch ausführlich zu sprechen kommen.

Ein Teil der Daten der ,großen' Bildformate ab Base 4/1 werden übrigens nochmals einer Komprimierung durch Huffman-Kodierung unterzogen, so daß schlußendlich das Dateivolumen je nach Bildinhalt bei 3-6 MByte pro Bild liegt. Ein ,KODAK PCD Writer 200‘-Laufwerk übernimmt jetzt diese Bilddaten und schreibt sie im digitalen YCC-Format per Laserstrahl auf die PHOTO-CD. Aber aufpassen: Der Modus dieser Übertragung hat entscheidenden Einfluß auf die Auswahl unseres CD-ROM-Laufwerks, womit wir wieder bei der Frage angelangt wären: Wie kommen denn nun die Bilder der Photo-CD in den Computer?

Diese Kodak-Photo CD wurde in der Auflösung "Base 4/1" (1536 x 1024 Pixel) verwendet. Die Auflösung beträgt bei dieser Abbildungsgröße 200 Pixel/Inch und ist fast schon als "good enough" zu bezeichnen.

Was heißt hier ,XA/multisessionfähig‘?

Worauf müssen wir achten? Für eine Übergabe von Bilddaten an unseren Computer scheiden zunächst einmal alle ,normalen' Photo-CD-Player wie die Geräte KODAK PCD 260, PCD 860 und PCD 5860 völlig aus. Diese Geräte sind reine Abspielgeräte für den Genuß der gespeicherten Bilder auf dem Fernsehgerät oder einem RGB-Monitor. ,Player' geben keine digitalen Daten, sondern universelle Fernsehanalogsignale aus, die von jedem Fernseher der PAL-, NTSC- oder SECAM-Norm wiedergegeben werden können. Zudem lassen sich über einen Videoprinter wie dem KODAK Thermoprinter XL-7700 auch ganz hervorragende Papierbilder herstellen, wohlgemerkt, ohne ,Umweg’ über den Computer, aber dadurch auch (fast) ohne Bearbeitungsmöglichkeit.

Für den Transfer der Photo-CD-Bilddaten an den Computer wird ein CD-ROM-XA-Laufwerk benötigt. ROM-Laufwerke liefern bekanntlich die Informationen digital aus. ,XA’ steht für ,extended Architecture' und bezieht sich auf eine zukünftige Aufzeichnungstechnik, die es gestatten soll, für Multimedia-Anwendungen Bild, Ton und Text bestimmungsgemäß zu verschachteln. Obwohl die Photo-CD als Bildträger alleine noch nicht XA-fähig sein muß, wird sie im Vorgriff auf die weitere Entwicklung bereits im XA-Sektorformat beschrieben und muß deshalb auch unter Zuhilfenahme eines XA-Treibers ausgelesen werden.

Also: XA-fähig muß es sein, unser CD-ROM-Laufwerk. Und ,multisessionfähig' sollte es auch sein! Eigentlich verrät es schon der Terminus: Wenn ich meine 100 bis 120 Diapositive und/oder Negative (auch gemischt) auf einmal zum KODAK-Photo-CD-Service bringe, werden sie auch in einer einzigen ,session‘ digitalisiert und auf die Disk geschrieben, alle in einen Unterordner IMAGES im Ordner PHOTO_CD. Dann kann ich auf die Bilder (IMG0001.PCD USW.) auch mit einem einfachen ,Single-session‘-CD-ROM-XA-Laufwerk zugreifen. Im Normalfall wird man aber von KODAKs Angebot Gebrauch machen und seine Bilder Film für Film, oder nach Themen, Reisen und dgl. gegliedert, portionsweise in Auftrag geben, bis die Photo-Disk endlich voll ist. Dann muß das Laufwerk die Fähigkeit besitzen, zu erkennen, daß die Dateien in mehreren Sitzungen auf die CD geschrieben wurden, denn sie werden immer im gleichen Unterordner weiternumeriert. Nach jeder ,session’ wird aber an den Schluß jeweils das bisherige Gesamtinhaltsverzeichnis geschrieben und dazu an den Anfang ein entsprechender Zeiger. Diesen Zeiger können nur ,multisessionfähige’ Laufwerke erkennen und aus werten - das ist das ganze Geheimnis.

Beispiel:
CD-ROM-XA-Laufwerke TOSHIBA XM-3301 undXM-3401 von Color Concept
beide als Subsystem oder Einbaulaufwerk

   
Datentransfer XM-3301: 150KB/sec
XM-3401: 330KB/sec
Software: CD-ROM-Treiber MiNT + CHAGALL PCD (Trade iT) oder + ColorDisc PCD (Color Concept) sowie Calamus SL-Import-Treiber (Color Concept)

Literatur:

[1] Zitat Ingo Brümmer, ST-COMPUTER 9/92, S.24


Klaus Gensel
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