Elektronische Bildverarbeitung, Teil 1

Sie zögern, in die TrueColor-Bildverarbeitung einzusteigen, weil Sie die Vielfalt neuer Fachbegriffe und ungewohnter Peripheriegeräte noch verwirrt, weil Ihnen der technische Durchblick fehlt? Sie zweifeln, ob der ATARI für digitale Bildbearbeitung das richtige Rechnersystem ist? Sie brauchen Entscheidungshilfen für die damit verbundenen Hard- und Software-Investitionen? Und Sie vertrauen noch nicht der Ausgereiftheit der neuesten Software-Entwicklungen?

Mit unserer neuen Serie wollen wir versuchen, diese Unsicherheiten zu beseitigen und eine grundlegende Übersicht über die Techniken und die fantastischen Möglichkeiten dieses modernen und endlich für jedermann erreichbaren Gebiets der Computernutzung zu geben.

Die Plattform

Noch auf der diesjährigen CeBIT bin ich unzähligen Leuten begegnet, die da behaupten, digitale Bildverarbeitung ließe sich ,so richtig professionell' nur auf Macintosh- und Windows-Rechnern praktizieren. Es ist erschreckend, wie hartnäckig sich solche Voreingenommenheiten, die sich nur mit mangelndem Durchblick erklären lassen, immer noch am Leben erhalten. Man muß doch im Auge behalten, daß Bildbearbeitung am Computer auf allen Systemen durch ein Zusammenspiel derselben Komponentengruppen funktioniert:

1. Bilderfassungs-Hardware (Scanner und Video- bzw. Still-Video-Geräte)
2. Digitalisierungs-Hardware (oftmals schon Bestandteil der Bilderfassung)
3. leistungsstarker Rechner
4. TrueColor-Monitor
5. leistungsfähige Bildbearbeitungs-Software
6. hochkapazitative Speichersysteme
7. Bildausgabe-Hardware (Film- und Diabelichter sowie Drucker)

Von diesen sieben Komponenten sind fünf überhaupt nicht ATARI-spezifisch (Nr. 1,2,4,6 und 7), sondern identisch mit denen, die auch im Gegenlager so zufriedenstellend(!) eingesetzt werden. Diskussion überflüssig.

Und daß ATARI-TT-Rechner mit großzügiger Speicherergänzung (32 MB, ja sogar 64-256 MB über Mighty Mic von GE-Soft) sich bei der Schnellbearbeitung voluminöser Datenmengen bestens bewährt haben, beweisen doch eindeutig unsere vielen DTP-Center und Designer-Studios, die vorbehaltlos auf ATARI-Computer als Zentralrechner gesetzt haben und überaus erfolgreich damit gefahren sind [1].

Vor allem aber, nachdem die langbewährte Software-Palette von Cranach Studio bis Retouche Professional mit der Einführung der neuesten Bildbearbeitungsumgebung ‚CHAGALL modular‘ ihre absolute Krönung erfahren hat. beantwortet sich die Frage nach der optimalen EBV-Plattform ganz von selbst.

Stoppen Sie also schnell Ihr Inserat, mit dem Sie Ihre geliebte ATARI-Konfiguration .wegen Systemwechsels' verscherbeln wollten und freuen Sie sich auf die Vorstellung einer der faszinierendsten Seiten im Dasein eines Computers, die schöpferische Welt der Elektronischen Farbbildbe- und -Verarbeitung.

Die Gliederung

Wir wollen zunächst in dieser und der nächsten Folge erfahren, welch interessanter Verfahren sich die heutige elektronische Bilderfassung bedient, welche ,Augen’ unserem Computer zur Verfügung stehen. Wir werden lernen, welche Gesichtspunkte bei der farbigen Digitalisierung von Bildern vor allem unter dem Aspekt der resultierenden voluminösen Datenmengen und unter Berücksichtigung der letztendlich geplanten Bildausgabeform beachtet werden müssen.

In den darauffolgenden drei Fortsetzungen werden wir am Beispiel einer hochmodernen neuen Bildbearbeitungs-Software (CHAGALL) kennenlernen, welch ungeahnte Möglichkeiten der heutige Stand der digitalen Bildverarbeitungstechnik eröffnet. Wir werden Arbeitsbeispiele bringen, die mit Hilfe der CHAGALL-Demodiskette wirklich nachvollziehbar sind, z.B die wundersame Verwandlung eines Tausendmarkscheins in, na sagen wir mal, einen Fünfziger (nicht zufrieden?).

Die letzten beiden Folgen werden sich dann logischerweise mit dem komplexen Thema der Bildausgabe beschäftigen, denn schließlich haben wir unsere Bemühungen ja nicht als reine Bildschirmspielerei betrieben, sondern möchten ein greifbares und weitergebbares Produkt in Händen halten, wobei sich der Bogen von den z.T. sehr neuartigen Farbdrucktechniken über die Diabelichtung und die Videoüberspielung (Animation) bis zur DTP-verbundenen Druckvorlagenherstellung spannt.

Bei der Vorstellung der Hardware-Komponenten wollen wir im wesentlichen die Preisregion über 10000,- DM meiden, weil sich unsere Aufsatzreihe nicht an den Vollprofi aus der Gilde der Satzbelichter und Raster-Finisher wendet, sondern mehr an User wie Sie und mich:

an den Architekten, der ein Bauvorhaben anhand einer Bildmontage schon vor der Auftragsvergabe fotolike vorführen will; an die Wissenschaftlerin, die Bildmaterial für den Unterricht didaktisch aufbereiten möchte; an den Forscher, der mißlungene, aber unwiederholbare Fotos aus seinen Versuchsreihen durch schärfende oder kontrasterhöhende Computerbearbeitung doch noch ,retten’ muß; oder an den Modedesigner, der seinen Models seine neuen Ideen bildmäßig ,anzieht’, bevor die Schneiderin den ersten Stich getan hat; an den Kriminalisten, der ein Fahndungsfoto aus fragmentarischen Bildquellen auf die Beine stellen muß; oder an die Archäologin, die Luftaufnahmen in puncto Kontrast und Farbkonturen selektiv so bearbeiten kann, daß die kaum zu erkennenden Geländestrukturen doch noch verraten, wo nach der altgermanischen Kultstätte gegraben werden sollte. Auch an den Reiseveranstalter denken wir, den es maßlos stört, daß auf den Fotos seiner schönsten Ferienhäuser mal eine benachbarte Baustelle, mal eine laute Hauptverkehrsstraße zu erkennen sind. Wir denken auch an die Grafikerin, die ihren Auftraggebern die Werbebemalung der Städtischen Omnibusse vorab im Bild auf die Fahrzeuge ,projizieren' will, und an den Arzt, der durch Aequidensiten-Einfärbung von Röntgenaufnahmen seine Diagnose sicherer gestalten kann. Allerdings denken wir dabei weniger an Paß- und Urkundenfälscher, die ebenfalls an solchen Techniken ihre helle Freude haben würden. Doch denen erzählen wir hier garantiert nichts Neues.

Nicht zufällig ist diese Aufzählung so voluminös ausgefallen, wollten wir doch zeigen, wie unendlich vielfältig und nutzvoll digitale Farbbildbearbeitung eingesetzt werden kann. Die Liste mit Anregungen könnte noch seitenweise fortgesetzt werden - z.B. gibt es auch die romantische Ausschmückung eines Liebesbriefes mit Blumen und eigenem Bildnis oder die Gestaltung individueller Weihnachtskarten ...

Wie kommt das Bild in den Computer?

Machen wir es uns ruhig einmal bewußt: Lange Zeit war jede Darstellung, die auf unseren Bildschirmen sichtbar wurde, von einem Programm (im einfachsten Fall vom Betriebssystem) erzeugt worden. Immer war die Anlage einer bildhaften Darstellung auf dem Bildschirm mit eigener schöpferischer Arbeit verbunden, jeder Dastellungswunsch, ob monochrom, in Graustufen oder in Farbe, mußte dem Rechner einzeln übergeben werden, sei es zeichenweise über die Tastatur, pixel weise über ein pixelorientiertes Malprogramm, oder, vornehm in Grafikbefehle verpackt, über ein Vektorzeichenprogramm. Selbst die brillanten Grafiken der Chart-Programme gaben letztendlich nur das wieder, was an Werten per Tastatur oder über Daten-Logger dem Darstellungsprogramm übergeben worden war.

Als der Computer die Aufgaben der Reprografen übernahm, als Desktop Publishing das Layout mit Bildern einbezog und als vollends die Herstellung von farb-separierten Druckvorlagen mit allen Vorbereitungsstufen dem Computer übergeben wurde, konnte dies nur geschehen, weil man dem Computer inzwischen, anfangs nur mit Hilfe der klassischen Trommel-Scanner, eigenes SEHEN beigebracht hatte.

Doch wenn wir selbst unseren Rechner mit Bildern füttern wollen, denken wir sicher nicht zuerst an Trommel-Scanner in Preisklassen von 45000 bis 180000 Mark.

Es müßte doch ganz einfach sein: Videokamera - Videorekorder - Fernsehmonitor gibt’s doch schon. Können ihm solche Komponenten nicht zu einem sehenden Auge verhelfen?

Im Prinzip schon. Doch dürfen wir nicht übersehen, daß hierbei zwei Welten aufeinander stoßen: Hier die Videowelt mit Signalen aus analogen Spannungswerten und dort die Computerwelt - na. Sie wissen schon: alles digital.

Alles? Schauen wir uns die moderne Bildschirmausgabe an: Nach der Sackgasse mit den digitalen TTL- und RGB-Monitoren werden seit der Einführung der VGA-und Multiscan-Monitore auch die Computerbildschirme wieder mit analogen, stufenlos zwischen 0 und 5 Volt spielenden Spannungswerten angesteuert. Kurz vor der Ausgabe der computerinternen digitalen Bildschirmsignale auf den Monitoranschluß sorgen Digital-Analog-Wandler (D/A-Umsetzer) für eine Umwandlung der bis zu 8 Bit breiten digitalen Farbsignale in je 28=256 feine analoge Spannungsabstufungen je Farbleitung. Daraus ergibt sich im Zusammenspiel der 3 additiven Grundfarben Rot, Grün und Blau das fantastische Meer von bis zu 2(8x3) = 16,7 Mio. Farben (=2563).

Natürlich läßt es die Umkehrung dieser Technik zu, auch an den Anfang der Computerbildübertragungskette analoge Augen mit ihren unendlich vielen feinen Farb-und Helligkeitsabstufungen zu installieren. Man muß nur vor der Weitergabe an den Computer dafür sorgen, daß die analogen Bildsignale rechnergerecht digitalisiert, in Bits und Bytes übersetzt werden. Wie, das erklären wir später. Wollen wir doch zunächst mal untersuchen, welche Augen wir unserem Computer spendieren können.

Die Augen des Computers

Es funktioniert tatsächlich: Man nehme eine farbtüchtige Videokamera (es darf ebensogut eine preiswerte CCD-Chip- wie auch eine sündhaft teure Dreiröhren-Kamera sein), verbinde den Videoausgang dieser Kamera mit einem Video-Digitizer, einem sog. Frame-Grabber, der wiederum im ATARI-ROM-Port oder auch auf unserer Grafikkarte steckt, starte die dazugehörige Digitizer-Software, stelle dort ein paar Parameter ein - und schon arbeitet unser Computer als Videogerät: Was das Kamera objektiv erblickt, eine grafische oder fotografische Bildvorlage, ein Blick durchs Mikroskopokular oder unser eigenes Konterfei, erscheint auf unserem Monitor.

Bewegen wir unsere Videokamera über die Vorlage oder einfach durch den Raum, so folgt das Monitorbild zwar dem Aufnahmemotiv, doch anders als beim Videografieren nicht kontinuierlich, sondern in ruckenden Intervallen. Und überhaupt, ein ästhetisches fern sehgewohntes Monitorbild bietet sich hier oftmals nicht, keine natürlichen Farbverläufe, alles irgendwie segmentiert, gestuft.

Wir ahnen es bereits, hier muß auf einiges mehr geachtet werden als auf die richtigen Verbindungskabel. Stichworte sind z.B. CCD-Chip-Auflösung, Digitalisierungsrate, Digitalisierungstiefe. Darauf kommen wir später zurück.

Jetzt schließen wir erst einmal statt der Videokamera unseren Videorekorder an den Digitizer an und starten eine (Video-) Kassette. Schon haben wir wieder eine neue Bildquelle für unseren Computer aufgetan. Oder wir empfangen ein Fernsehprogramm über den Rekorder-Tuner, prompt arbeitet unser Rechner als Fernsehgerät, allerdings wieder mit dem periodisch ruckenden Bildwechsel. Also doch nicht so der rechte Glotzenersatz.

Doch dies ist ja auch nicht unser Anliegen. Wir wollen einzelne Bilder in den Computer bekommen, und das läßt sich tatsächlich mit Hilfe der zum Digitizer gehörenden Software erledigen. Auf Tastendruck wird jeweils ein Einzelbild digital eingelesen und im RAM-Speicher deponiert. Dort steht es uns für die weitere Bearbeitung samt Ausgabe (und natürlich auch zur digitalen Abspeicherung) zur Verfügung.

Mit diesen Versuchen haben wir unseren ersten nutzbaren ,Bildbeschaffer1 in Form der Videokamera entdeckt, sei es die eigene oder per Fernsehempfang indirekt eine der vielen Kameras unserer Fernsehsender, bei Bedarf mit Zwischenspeicherung auf Videoband.

Doch was hat es mit den (Video-)Digitizern, den Frame Grabbern oder Image Grabbern auf sich? Das sind Zusatzkarten, die in der Regel direkt oder über Adapter am ROM-Port, beim TT auch am VME-Slot, oder aber als Aufsetzer auf Grafikkarten angekoppelt werden. Sie tragen einen Analog-Digital-Wandler (A/D-Umsetzer), der die analogen Videosignale in die digitalen Nullen und Einsen umsetzt, die allein unser Computer verarbeiten kann. Für die Charakterisierung solcher Digitizer-Karten sind folgende Kenngrößen wichtig:

1. Welche Videosignale kann das System verarbeiten? Hier erwartet man, daß normale Video-Outputs, verstanden1 werden, also FBAS-Signale in PAL/NTSC-Norm und natürlich Luminanz- und Chrominanzsignale (Y/C) der S-VHS-Norm.

2. Die Digitalisierungstiefe: auch Farbtiefe genannt. Die Anzahl Bits, in denen die digitalen Bildinformationen registriert werden. Ergibt die Anzahl von Helligkeitsabstufungen pro Farbe. Ein Graustufenbild von 6 Bit Tiefe enthält somit 26 = 64 Graustufen, bei einem RGB-Farbbild von 24 Bit Tiefe entfallen 24/3 = 8 Bit auf jede Farbe, das sind pro Farbe 28 = 256 Abstufungen. Insgesamt also 224 = 16,7 Mio. Farben.

3. Die Digitalisierungszeit: Zeitdauer, die benötigt wird, um jeweils zwei Fernsehhalbbilder zu digitalisieren. Leistet der Digitizer dies in höchstens 1/25 sec, spricht man von einem Echtzeit-Digitizer, weil dann aus dem laufenden Fernseh-/Video-programm heraus digitalisiert werden kann. Arbeitet der Digitizer langsamer, muß das Videosignal auch länger zur Digitalisierung anstehen. Also im Standbildmodus beim Videorrekorder oder z.B. bei der Überspielung aus der unten beschriebenen Still-Videokamera.

4. Die Bildwiederholfrequenz: Angabe, nach wieviel Sekunden das nächste Bild digitalisiert wird bzw. wieviele Bilder pro Sekunde. Bestimmt wird diese Abfolge von der Zeit, die der Digitizer benötigt, um jeweils 1 Bild umzurechnen und vor allem, um seine Daten zum Rechner zu transportieren. In Anbetracht der riesigen Datenmengen, die z.B. die 24-Bit-True-Color-Digitalisierung eines Farbbildes liefert, kommen auch bei einer teuren Digitizer-Karte gut 3 Sekunden/Bild zusammen. Hier liegt also die Ursache für das oben beobachtete ruckende ,Intervallfernsehen‘.

Also bitte beachten, daß die Bezeichnung ,Echtzeit-Digitizer‘ noch keineswegs bedeutet, daß man Fernsehen in der üblichen Frequenz von 25 B/s auf dem Computermonitor genießen kann.

Minimieren läßt sich diese Zeit zum einen durch die Wahl einer geringeren Farbtiefe (auch durch Umschaltung in den Graustufenmodus) und zum anderen durch die Einstellung einer kleineren Auflösung ‘ (sprich Bildgröße), weil in all diesen Fällen weniger Bits umgeschaufelt werden müssen.

5. Die Auflösung: gemeint ist damit die maximale Bildgröße in Pixel x Pixel - eine leider nicht mehr auszurottende, unkorrekte Verwendung dieser Definition. „Auflösung“ bezeichnet eigentlich das Verhältnis zweier Größen, z.B. Linien pro mm oder dots per inch (dpi).

Farbtüchtige Video-Echtzeit-Digitizer-Boards für ATARI-Rechner liefert z.B. die Firma MATRIX unter den Bezeichnungen MatDigiRl und MatDigil [2]. Erstere zum Einsatz ohne Grafikkarte am ROM-Port, die zweite in Kombination mit den leistungsfähigen Grafikkarten TC1006 (1MB Videospeicher) und TC 1208 (2MB Video Speicher). MatDigil liefert neben 256-Graustufen-Bilddateien vor allem Farbbild-RGB-Dateien mit einer Digitalisierungstiefe bis zu 24 Bit, also True-Color mit 16,7 Mio. Farben. Die max. Auflösung‘ der MatDigil beträgt 768 x 576 Pixel. Software-Steuerung über mitgeliefertes Software-Paket (ACCs) inkl. Importtreiber für Calamus SL!

Elektronische Fotografie

Doch für die Gewinnung einzelner Stehbilder für die Weiterverarbeitung im Computer muß nicht unbedingt ein ausgewachsener Video-Camcorder eingesetzt werden. So bieten z.B. sog. Still-Videokameras [3] die Möglichkeit, die analogen Bildsignale eines CCD-Video-Chips, der an Stelle eines Films das Bild aufnimmt, gleich in der Kamera auf eine sogenannte Video-Floppy-Disk zu spielen. Es handelt sich dabei um eine der Videobandtechnik entsprechende Analogaufzeichnung, nur eben auf einer kleinen magnetischen Scheibe von 5 cm Durchmesser. 25 Vollbilder in der Form von 50 fernsehüblichen Halbbildern passen auf eine solche Disk. Die Bilder lassen sich normalerweise fern-sehmäßig betrachten, indem man sie, wie bei der Camcorder-Technik, direkt aus der Kamera oder aus einem Still-Video-Player in den Fernseher oder einen Videomonitor einspeist. Die aktuellste Kamera mit dieser Technik ist wohl die CANON Ion RC-560, deren CCD-Sensor mit 470000 Bildpunkten an der oberen Leistungsgrenze solcher 1/2"-Chips liegt.

Vor allem aber kann unser Computer diese Bilder leicht (einzeln) übernehmen, wenn ihm das abgreifbare PAL-Signal (Y/ C-Format: Luminanz + Chrominanz) von einem dazwischengeschalteten Digitalisierungs-Interface (Frame Grabber) digital aufbereitet wird.

Aus der Sicht der Computertechnik wird dabei ein ziemlicher Umweg beschritten. Die Ion RC-560 enthält nämlich bereits einen digitalen Bildzwischenspeicher. Die analogen Videobildsignale, die der CCD-Bildaufnahme-Chip bei eingeschaltetem Aufnahmemodus laufend ausgibt, werden nach Durchlaufen eines Analog -Digital-Wandlers in diesem Speicher digital festgehalten und ständig mehrmals pro Sekunde aktualisiert, aufgefrischt. Erst beim Druck auf den Auslöser wird das in diesem Moment anliegende Bild aus dem Bildspeicher ausgelesen, über einen Digital-Analog-Wandler in ein videogerechtes Bildsignal zurückverwandelt und auf der Video-Floppy-Scheibe analog aufgezeichnet (welch’ ein Anachronismus!).

Mit der Verfügbarkeit immer leistungsfähigerer Speicher-ICs kam man dann auf die Idee, den digitalen Bildspeicher so groß zu dimensionieren, daß er in Lage war, mehr als nur ein Bild digital festzuhalten. Damit konnte man auf die analoge Ausgabe auf ein mechanisch bewegtes Speicherlaufwerk (Video-Floppy) verzichten.

A Star was born: FotoMan von Logitech, die ,pur digitale1 Kamera [3]. Allerdings muß man hier mit der Einschränkung leben, daß die Bilddaten (und damit die wertvolle Fotoausbeute) nur solange erhalten bleiben, wie die Kamerabatterie Strom liefert. Das sind max. 100 Stunden (4 Tage). Der große Vorteil aber besteht darin, daß das Überspielen aus dem Kamera-RAM in den Computer jetzt als einfacher digitaler Kopiervorgang ohne Qualitätsverlust über den seriellen RS-232-Port läuft und kein Digitalisierungs-Interface oder Frame Grabber mehr benötigt wird. Ein als Accessory laufender GDPS-Treiber (wird später erläutert) übernimmt die Importsteuerung.

Diese volldigitale Kamera (FotoMan Plus) kann 32 Aufnahmen in einer Auflösung von 496 x 360 Pixel = 178000 Pixel speichern, bis dato allerdings nur in 256 Graustufen. Trotzdem durfte diese erschwingliche Kamera wegen der zukunftsweisenden Bildaufzeichnungstechnik in unserer Übersicht über Computerbildquellen nicht unerwähnt bleiben - auch in der Hoffnung, daß uns Logitech demnächst mit einer Farbversion überrascht.

Ein rein digitales Kamerasystem für Farbe liegt heute schon mit dem Kodak Digital Camera System (Professional DCS 200 ci) vor. Bei diesem Verfahren kann man an eine hochmoderne Spiegelreflexkamera, die Nikon F 801s, anstelle des gewohnten Kleinbildfilms ein Kamerarückteil mit einem Megapixel-Sensor (M-5-Sensor) ansetzen, der 1,54 Mio. Bildpunkte in der sagenhaften, Auflösung‘von 1524 x 1012 Pixel liefert. Gespeichert werden die 4,6 MB großen Farbbilddateien digital auf einer eingebauten Minifestplatte mit 80 MB, die 50 Aufnahmen faßt. Natürlich entstehen bei diesem Verfahren keine Speicherdauerprobleme. Die Überspielung in den Computer erfolgt mittels integrierter SCSI-Schnittstelle. Über ein entsprechendes ATARI/Chagall-’Plug-In’ bzw. einen GDPS-Treiber wird bei Trade iT nachgedacht.

Ausgehend von der Videotechnik (und dem bildhaften Wunsch, unserem Computer ein ,Auge’ zu spendieren), haben wir bisher nur Verfahren berücksichtigt, bei denen die einzuspeisende Bildvorlage jeweils als Ganzes auf der „Netzhaut“ des Computerauges, nämlich auf einem flächigen CCD-Bildsensor projiziert und abgebildet und von diesem in ein elektronisches Bildpunktmuster umgewandelt wird. Wie arbeiten diese ,Video-Chips1 und welche physikalischen Auflösungen lassen sich damit erreichen? Mehr darüber erfahren Sie in der nächsten Ausgabe der ST-Computer.

Literatur:

[1] Das professionelle DTP-Studio, ST-Magazin 1/93, S.74-79

ST-Magazin 2/93, S. 104-105

[2] Die Video-Connection, ST-Computer 12/92, S.58-62

[3] Heiner Henninges: Still Video + elektronische Bildverarbeitung, Augustus Verlag 1992

Klaus Gensel

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