Die Arbeit mit digitalen Bildern - Entstehung, Bereitstellung, Bearbeitung, Publikation -

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1 - Entstehung, Bereitstellung, Bearbeitung, Publikation - Skript zur Lehrveranstaltung Digitale Bildbearbeitung in den Fachrichtungen Bauingenieurwesen und Konservierung/Restaurierung an der Fachhochschule Erfurt von Dr. Silvia Rödiger Fakultät Bauingenieurwesen und Konservierung/Restaurierung vom

2 Inhaltsverzeichnis 0...Vorwort Zum Verständnis digitaler Bilder Gegenstand der digitalen Bildbearbeitung Prozeßkette der digitalen Bildbearbeitung Pixelbild und Vektorgrafik zwei Arten digitaler Bilder Charakteristik von Pixelbildern Charakteristik von Vektorgrafiken Hybride Bildbearbeitung Bildkonvertierung Beschreibung von Farbe Geräteunabhängige Farbmodelle Das additive RGB Modell Das subtraktive CMYK Modell Bildentstehung und Bilddarstellung Bildentstehung im Scanner Bildentstehung in der Digitalkamera Bilddarstellung am Monitor Bildentstehung im Drucker Eigenschaften von Pixelbildern Pixelzahl, Darstellungsgröße und Auflösung Bildauflösung Bildschirmauflösung Druckauflösung Farbtiefe und Farbmodus Speichern von digitalen Bildern Speicherformate für Pixelbilder Komprimierungsverfahren für Pixelbilder Speicherformate für Vektorgrafiken Metadaten Die Sonderstellung des PDF Charakteristik von PDF Erzeugung von PDF-Dateien mit Adobe Acrobat Professional PDF-Konvertierung von strukturierten Word-Dokumenten Andere PDF-Maker Beschaffung von Bildmaterial Digitale Fotografie Möglichkeiten und Grenzen Speicherformate von Digitalkameras Scannen Prinzipielles Vorgehen beim Scannen Scannerarten Typische Probleme bei gescannten Bildern Export aus Applikationen und Dokumenten Kopieren und Einfügen über die Windows-Zwischenablage AutoCAD Excel Visio Power Point Word Irbis 56 Seite 2 von 115

3 6.3.8 Allplan Bilder aus PDF-Dokumenten auslesen Pixelinformation exportieren: Vektorinformation exportieren PDF-Inhalt ausschnittsweise weitergeben Beispiel eines Problemfalls: Download aus dem Internet Bildschirmabzüge Tastaturbefehl verwenden Fotografieren mit Irfan View Screenshot mit Corel Capture Einfache Bildbearbeitung mit Irfan View Funktionsübersicht Beschreibung ausgewählter Funktionen Bilder transparent machen Screenshots herstellen Bildbearbeitung mit Corel Draw Corel Draw Arbeitsumgebung Dokument einrichten und verwalten Vektorobjekte zeichnen und editieren Umgang mit Farben Objektstil festlegen Umriß und Füllung Musterfüllung Transparenz Objekte vereinigen und zuschneiden Text Bemaßung Bildmaterial importieren Importmethoden Import von Vektorinformation aus Excel Konsequenzen für den Speicherinhalt Bearbeiten von Pixelbildern Bildeigenschaften ermitteln Bildgröße und Auflösung ändern Pixelbild beschneiden Bildteile löschen Farbmodus ändern Objekte positionieren Speichern und exportieren Speichern im Programmformat Speichern als Bilddatei PDF-Dokument erzeugen Partielle Speicherung Drucken Bildbearbeitung mit Corel Photo-Paint Dokument anlegen Arbeit mit Objektebenen Umgang mit Farben Arbeit mit Masken Funktionen zur Änderung von Form und Größe Größe und Auflösung ändern Beschneiden Drehen Bildmontage 100 Seite 3 von 115

4 9.6 Funktionen zur Bildverbesserung Intelligente Unschärfe Gaußsche Unschärfe Tonwertkorrektur Tonkurve anpassen Farbtransparenz Werkzeuge für Retusche und Collage Radierer Klonen Typische Aufgabenstellungen Logo einfärben und transparent machen Grafikelemente neu anordnen und Text hinzufügen Zeitungsartikel optisch aufwerten Gescannte CAD-Zeichnung aufwerten Speicherinhalt eines großformatigen Scans reduzieren Zwei Bildteile zusammenfügen D-Grafik mit dunklem Hintergrund invertieren und Farbe ändern Bilddetail freistellen vor neutralem Hintergrund Bildcollage Anhang Quellenverzeichnis 115 Seite 4 von 115

5 Abkürzungen: M Menü KM - Kontextmenü AF - Andockfenster SL Symbolleiste rmt rechte Maustaste limt linke Maustaste DKl Doppelklick HM Hilfsmittel (= Funktion) Typografische Konventionen: GROSSBUCHSTABEN KAPITÄLCHEN Kursivschrift Kursivschrift in Anführungszeichen bezeichnen Menüs, Untermenüs, Andockfenster, Dialogfenster und Symbolleisten, Hilfsmittelpaletten bezeichnen Funktionen, Schaltflächen, Optionen, Bezeichnung von Eingabefeldern, beispielhafte Eingaben des Benutzers, Wahl einer Option aus einem Menü oder einer Liste Zitate Symbolik > Aufeinanderfolge von Menüs und Funktionen in einer Befehlsfolge >> Ergebnis oder Folge eines Befehls oder einer Eingabe Seite 5 von 115

6 0 Vorwort Dieses Skript wurde ursprünglich in seiner ersten Fassung für Studenten des Bauingenieurwesens, der Restaurierung oder anderer Studienrichtungen erarbeitet. Es könnte jedoch darüber hinaus für einen breiteren Leserkreis von Interesse sein. Die vorliegende Abhandlung soll all denjenigen Hilfestellung anbieten, die sich des digitalen Bildes als Mittel zum Zweck bedienen und außerdem eine gute Qualität erzielen wollen: bei der Anfertigung von Beleg- und Projektarbeiten, Dokumentationen, Präsentationen und Plakaten und nicht zuletzt bei Webauftritten. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es nützlich, einige wesentliche Dinge über die Natur digitaler Bilder zu wissen. Gemeint ist damit ihre Entstehung, ihre Eigenschaften und und wie diese einem bestimmten Verwendungszweck entsprechend verändert werden können sowie die Mechanismen ihrer Wiedergabe auf verschiedenen Medien. In diesem Sinne wird versucht, die Verbindung zwischen der Darstellung theoretischer Grundlagen - so weit und so tiefgründig wie nötig - und konkreten Handlungsanleitungen bei ausgewählten praktischen Fragestellungen herzustellen. Bei der Auswahl der Themen hat sich die Autorin weitgehend von eigenen Studien und Erfahrungen leiten lassen und erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Obwohl die hier beschriebenen Methoden und Algorithmen anhand ausgewählter Programme vorgestellt werden, sind sie in den meisten Fällen auf andere Programme übertragbar, wenn diese über vergleichbare Funktionalitäten verfügen. Und dies gelingt um so erfolgreicher, je besser man die Dinge theoretisch überblickt. Wer sich also der Mühe unterzieht, sich ein wenig Zeit für die Theorie zu nehmen ganz gleich, ob Student oder einfach nur Wissbegieriger mit Interesse am digitalen Bild optimaler Qualität - der wird einen Gewinn aus dieser Abhandlung ziehen. Seite 6 von 115

7 1 Zum Verständnis digitaler Bilder 1.1 Gegenstand der digitalen Bildbearbeitung Der Name sagt es bereits: Digitale Bildbearbeitung hat gleichermaßen mit Bildern und mit digitaler Information zu tun. Wer die Möglichkeiten der Bildbearbeitung am Computer für sich nutzen möchte, sollte sich zunächst ein Grundverständnis über Farbe und Bildentstehung verschaffen. Wie entstehen Bilder? Bilder nehmen wir mit den Augen wahr. Und diese Bilder sind farbig und bestehen aus kleinsten mit den Augen differenzierbaren Bildelementen (picture elements = pixel). Sie treten uns als reale Welt entgegen, aber auch in gemalter oder gedruckter Form, als Fernseh- oder Videobild und nicht zuletzt als Bild auf dem Computermonitor. Die Wahrnehmung der uns umgebenden Welt ist subjektiv. Sie hängt von unserer Erfahrung, von den Lichtverhältnissen und auch von der Sehschärfe unserer Augen ab. Menschen mit einer Rot-Grün-Sehschwäche sehen Farben anders, in der Nacht nehmen wir die Farbigkeit der Dinge anders wahr als bei Tageslicht. Mit der Übertragung der Bilder in die digitale Welt mittels Digitalkamera, Scanner und Computer findet in gewisser Weise eine Trennung von dieser subjektiven Ebene statt. Die Farb- und damit die Bildwiedergabe wird mit technischen, und dabei insbesondere elektronischen Mitteln objektiviert und damit genormt. Wie dies im Einzelnen geschieht, wird in Kapitel 3 beschrieben. Abb. 1-1: Quelle [25] Was ist Farbe? Physikalisch betrachtet ist Farbe die Wellenlänge des Lichts im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums (Abb. 1-1). Das in der Natur vorhandene Licht mischt sich aus einer Vielzahl von Frequenzen über einen ganzen Bereich, weshalb von einem Lichtspektrum gesprochen wird. Das Farbspektrum von violetten bis roten Farbtönen entspricht den Wellenlängen von 350 nm bis 700 nm [23] Wenn Licht auf einen Gegenstand trifft, wird es auf Grund der Materialeigenschaften und Oberflächenstruktur in unterschiedlicher Weise teilweise absorbiert und teilweise reflektiert. Das reflektierte Licht wird als Farbe des betrachteten Gegenstands wahrgenommen (Abb. 1-2). Die Wahrnehmung von Farbe ist also an das Vorhandensein von Licht gebunden Licht, das Körper aussenden (Spektralfarben) oder Licht, das von Körpern reflektiert wird (Körperfarben). Abb. 1-2: Quelle [8] Farbe ist keine Eigenschaft der Dinge, sondern ihre Erscheinungsform. Wie entsteht ein digitales Bild? Digitale Reproduktion Eine Normierung der Farbwahrnehmung erfolgt im Prozeß der digitalen Reproduktion von realen Bildern, also bei der digitalen Fotografie (Kapitel 6.1) und beim Scannen (Kapitel 6.2). Die in der Kamera oder im Scanner erzeugten digitalen Bilder werden als Datei gespeichert, auf einen Computer übertragen und mittels Monitor visualisiert. Die so erzeugten Bilder haben eines gemeinsam:- sie bestehen aus einzelnen, in einem rechteckigen Raster angeordneten Bildpunkten, sogenannten Pixeln, sie werden deshalb auch als Pixelbilder oder Bitmaps bezeichnet. Seite 7 von 115

8 Digitale Produktion Alles, was wir sehen, fotografieren, scannen und drucken sind also Pixelbilder. Mit geeigneten Programmen kann man am Computer diese Art von Bildern nicht nur darstellen und bearbeiten, sondern auch erzeugen (z.b. in Corel Photo-Paint und Photoshop). Dies ist aber nur ein Aspekt der digitalen Bildbearbeitung. Unter Verwendung von Grafik- und CAD-Programmen können Bilder erzeugt werden, die es außerhalb des Computers nicht gibt: Vektorgrafiken. Dies sind Bilder, die mit Hilfe mathematischer Funktionen beschrieben werden. In diesem Skript sollen beide Arten von Bildern behandelt und ihre unterschiedlichen Vorzüge und Verwendungsmöglichkeiten, aber auch das Wechselspiel zwischen ihnen betrachtet werden. 1.2 Prozeßkette der digitalen Bildbearbeitung Am Prozeß der digitalen Bildbearbeitung (Abb. 1-3) ist eine Reihe technischer Geräte beteiligt: Fotoapparat, Scanner und Computer bei der Entstehung, Computer und Monitor bei der Darstellung und Bearbeitung sowie Drucker und Plotter bei der Ausgabe. Abb. 1-3: Prozeßkette der digitalen Bildbearbeitung (Bild wird durch hochwertigeres ersetzt) Bevor die digitale Information durch die Grafikkarte gelesen und durch den Monitor in Lichtsignale umgesetzt werden kann, um vom Betrachter als Bild wahrgenommen zu werden, muß sie als Datei gespeichert werden. Im Kapitel 3 wird kurz skizziert, wie die verschiedenen bildgebenden Geräte digitale Farbe erzeugen und in Bilder umsetzen bzw. die Information einer Bilddatei interpretieren und darstellen. Dabei wird klar, daß die Gerätespezifik und die am Entstehungsprozeß beteiligte Software die Qualität des dargestellten Bildes ganz wesentlich mitbestimmt. Deshalb Seite 8 von 115

9 ist stets zu unterscheiden zwischen der Qualität der in einer Bilddatei gespeicherten Information und seiner Darstellung auf dem Bildschirm und später im Druck. 1.3 Pixelbild und Vektorgrafik zwei Arten digitaler Bilder Charakteristik von Pixelbildern Ein Pixelbild besteht aus einem rechteckigen Raster von quadratischen Flächen, denen ein eindeutiger Farbwert zugeordnet ist (Abb. 1-5). Diese kleinsten Bestandteile eines Bildes nennt man Pixel (Abkürzung: px oder p), ein Kunstwort abgeleitet von der englischen Bezeichnung picture elements. In der Literatur und vereinzelt in Programmen findet man für das Pixelbild auch die Bezeichnung Bitmap, was zu Mißverständissen führen kann, weil der Begriff auch als Synonym für ein Bild in Schwarz-Weiß-Darstellung verwendet wird. Ein Pixelbild entsteht im Regelfall durch digitale Reproduktion entweder eines realen Gegenstandes mittels digitaler Fotografie (Kapitel 6.1) oder Abb. 1-4: Pixelbild durch Scannen (Kapitel 6.2) einer bedruckten, bemalten oder fotografisch entstandenen Vorlage (Foto, Diapositiv, Dianegativ). Andere Entstehungswege sind das Zeichnen in einem Bildbearbeitungsprogrammen wie z.b. Corel Photo- Paint (Kapitel 10) und Adobe Photoshop (Kapitel 11) die Umwandlung einer Vektorgrafik in ein Pixelbild in einem Programm, das mit beiden Arten von Bildern gut umgehen kann, also für hybride Bildbearbeitung geeignet ist, wie z.b. Corel Draw (Kapitel 9) oder Abode Illustrator, der Export aus einem Vektorbasierten Programm durch Speichern in einem Pixelformat ein häufig beschirttener Weg, wenn Bildinformation zur Weiterverwendung in anderen Anwendungen bereitgestellt werden soll (Kapitel 6.3). Die objektive Qualität eines Pixelbildes wird bestimmt durch die Anzahl der Pixel, meist angegeben in Höhe und Breite, die Darstellungsgröße, meist angegeben in cm, mm oder Zoll (Inch) die Auflösung, (die sich aus Pixelzahl und Darstellungsgröße ergibt) das zur Beschreibung der Farben verwendete Farbmodell und die Farbtiefe. Die Qualität des gedruckten Bildes ist abhängig von der Auflösung der digitalen Vorlage bezogen auf die gewünschte Ausgabegröße, von der Druckerauflösung und von der Qualität des verwendeten Papiers. Der Speicherinhalt eines Pixelbildes ist im Vergleich zu einer Vektorgrafik ähnlichen Inhalts sehr hoch und hängt in erster Linie von der Pixelzahl und der Farbtiefe des Bildes, aber auch vom gewählten Speicherformat ab. Die wichtigsten Speicherformate sind TIF, BMP, JPG, GIF und PNG. Sie werden im Kapitel 5.1 ausführlich besprochen. Seite 9 von 115

10 1.3.2 Charakteristik von Vektorgrafiken Vektorgrafiken entstehen ausschließlich am Computer. Im Gegensatz zum Pixelbild, dessen Bildinhalt durch die Aneinanderreihung vieler einzelner Punkte in einem Rechteckraster erzeugt wird, setzt sich eine Vektorgrafik aus elementaren geometrischen Grundformen wie Strecken, Polygonzügen, Kreisen, Kurven und deren Kombination zusammen, die mathematisch beschrieben werden. Die Bildinhalte sind also linien- und objektorientiert. Ihrer Beschreibung liegt ein Koordinatensystem zugrunde. In ihm wird die Form und Lage der Objekte mittels Vektoren und sogenannter Bézier-Kurven beschrieben. Vektoren sind gerichtete Strecken, definiert durch die Koordinaten ihres Anfangsund Endpunktes, also geeignet zur Beschreibung von Linienverläufen (Abb. 1-6). Abb. 1-5: Vektorgrafik Bezier-Kurven werden verwendet, um Kurvenverläufe zu beschreiben. Diese nach dem französischen Mathematiker Pierre Bézier bezeichnete Technik verwendet zusätzlich zu den Endkoordinaten noch zwei weitere Koordinaten zur Richtungsbeschreibung ([22], S. 6) der Kurve zwischen den Endpunkten (Abb. 1-7). Vektorgrafiken sind also prinzipbedingt gekennzeichnet durch klare Formen und scharfe Konturen. Die Objekte besitzen Umriß und Füllung, denen Eigenschaften wie Farbe, Linienstärke, Linienart, aber auch auch Flächen- und Musterfüllung sowie Farbverläufe zugewiesen werden können. Nur mit Vektorgrafiken lassen sich Objekte mit exakt einer Farbe erzeugen. Dort, wo keine Füllung definiert ist, sind sie transparent (Abb. 1-5). Vektorgrafiken können auf verschiedene Weise erzeugt werden: Zu den bekanntesten Vertretern unter den Vektorgrafikprogrammen gehören Corel Draw (Kapitel 9) und Adobe Illustrator. Abb. 1-6: Vektoren im Koordinatensystem Quelle [22] Zur Erstellung von Konstruktionszeichnungen bedient man sich sogenannter CAD-Programme wie z.b. AutoCAD, ALLPLAN (Nemetschek) und AutoSketch. Auch sie erzeugen Vektorgrafiken. Auch Layout-Programme wie MS Publisher und Adobe InDesign arbeiten vektorbasiert. Alle Standardprogramme des Office-Pakets erzeugen vektorielle Information: Organigramme in Visio, einfache Zeichnungen in Word, Diagramme in Excel und einfache Grafiken oder Diagramme in PowerPoint sind Beispiele für Vektorgrafiken. Ihre Vorzüge gegenüber Pixelbildern liegen auf der Hand: Abb. 1-7: Bezierkurve Quelle [22] Eine Vektorgrafik ist leicht editierbar; Kontur, Farbe und Lage ganzer Objekte sind ohne Gefahr der Beeinflussung der unmittelbaren Bildumgebung änderbar (Kapitel 8.3). Die Darstellung einer Vektorgrafik am Monitor ist zwar technisch bedingt gerastert (vgl.kapitel 3.3), aber auch bei starker Vergrößerung so perfekt und konturscharf, wie es die Monitorauflösung zuläßt, während bei einem Pixelbild mit zunehmender Vergrößerung die einzelnen Pixel größer und schließlich sichtbar werden. Die Speichergröße einer Vektorgrafik ist im Vergleich zu einem Pixelbild mit vergleichbarem Inhalt sehr gering. Die wichtigsten Speicherformate sind WMF, EMF, EPS und DXF (Kapitel 5.3). Vektorgrafiken sind ohne Qualitätsverlust beliebig skalierbar, eine Vergrößerung der Darstellung hat keinen Einfluß auf die Dateigröße. Nur die Druckauflösung und die Qualität des Papiers beeinflußt die Druckqualität einer Vektorgrafik. Seite 10 von 115

11 1.3.3 Hybride Bildbearbeitung Die gleichzeitige Verarbeitung von Vektor- und Pixelinformationen in einer Applikation nennt man hybride Bildbearbeitung. Programme, die dies auf hohem Niveau zulassen, sind Corel Draw (Kapitel 8) und Adobe Illustrator, aber typischerweise auch Layoutprogramme wie MS Publisher und Adobe InDesign. Primär arbeiten diese Programme vektoriell. Die integrierte Pixelinformation bleibt davon unbeeinflußt, d.h. Pixelbilder behalten beim Einfügen ihre originalen Eigenschaften, die sehr unterschiedlich sein können. Das Kartierungsprogramm metigo MAP arbeitet primär auf Pixelbasis, da die Kartierungsgrundlage meist fotografische Meßbilder sind. Da die Kartierungselemente vektorieller Natur sind, ist es ebenfalls zu den Programmen zu zählen, die hybride Bildbearbeitung zulassen. Um die hybride Bildinformation speichern zu können, dienen neben den programmspezifischen Formaten die für den Datenaustausch unerläßlichen sogenannten Metadatenformate. Metadatenformate sind Speicherformate, die in einer Art Container gleichzeitig Vektor- und Pixelinformation aufnehmen können. Zu den wichtigsten gehören: WMF, EMF, EPS und PDF (siehe Kapitel 5). In zahlreichen vektorbasierten Applikationen ist das Einbinden von Pixelbildern möglich, jedoch meist nur eine geringfügige Beeinflussung ihrer Eigenschaften. Wie die Pixelbilder interpretiert und verarbeitet werden, bleibt dabei zumeist im Dunkeln. Beispiele hierfür sind die Programme Word, Powerpoint, Excel und Visio sowie AutoCAD, Allplan und andere CAD-Programme. Typische Beispiele für hybride Bildbearbeitung sind: Eine technische Zeichnung (Vektor) soll durch ein Foto, Piktogramm oder Logo (Pixelbild) ergänzt werden. Fotos (Pixel) sollen mit erläuterndem Text und Markierungen (Vektor) versehen werden. Auf dem Hintergrund eines digitalisierten Fotos (Pixel) wird eine Schadkartierung (Vektor) durchgeführt. Plakate und Flyer sind eine Kombination aus Text (Vektor), Foto (Pixel) und Grafik (Vektor oder Pixel) auf hohem gestalterischem Niveau. Textdokumente (Vektor) wie wissenschaftliche Abhandlungen, Projektarbeiten, Dokumentationen, Vorlesungsskripte gewinnen durch Fotos (Pixel) und grafische Darstellungen (Vektor oder Pixel) an Anschaulichkeit und Verständlichkeit Bildkonvertierung Vektor- und Pixelbilder können ineinander umgewandelt (konvertiert) werden: Die Umwandlung ist insbesondere immer dann nötig, wenn Bilddateien an Dritte weitergegeben oder in einer Applikation verwendet werden sollen, die das Speicherformat des Quellprogamms nicht lesen kann. Die Datei wird dann meist in ein programmunabhängiges Format konvertiert. Das Konvertieren geschieht i.d.r. mit der Funktion Exportieren oder Speichern unter... Die Wahl des Speicherformats ist davon abhängig, in welcher Zielanwendung das Bild eingefügt werden soll. (a) (b) Abb. 1-8: Bildkonvertierung Um die hohe Qualität und verlustfreie Skalierbarkeit einer Vekorgrafik zu bewahren, sollte der Konvertierung in ein programmunabhängiges Vektorformat der Vorzug Seite 11 von 115

12 gegeben werden. Im Einzelfall liefert aber häufig das gezielt erzeugte Pixelbild das bessere Ergebnis (siehe Kapitel 7.3). Vektor in Pixel (a) Das Konvertieren einer Vektorgrafik in ein Pixelbild ist in der Regel ein einfacher Speicher- oder Exportvorgang. Zuerst ist das Speicherformat zu wählen. Danach müssen die Eigenschaften des zu generierenden Pixelbildes definiert werden (vgl. Kapitel 4). Die wählbaren Optionen sind vom Speicherformat, aber auch vom Programm abhängig (Abb. 1-9). So kann eine Vektorgrafik in ein Pixelbild beliebiger Größe, aber fest geschriebener Qualität aufgerastert werden. Ausschließlich Pixelbilder, die einen vektoriellen Ursprung haben, können Flächen oder Linien mit einer absolut homogenen Pixelstruktur, also Pixel gleicher Farbe und Helligkeit enthalten. Digitalfotos und gescannte Bilder haben diese Eigenschaft prinzipbedingt nicht (Kapitel 6.1 und 6.2). Um homogene Farbflächen zu erhalten, ist zweierlei zu beachten: Abb. 1-9: Definition der Exportoptionen in MS Visio (a) Das Bild muß mit einem beschränkten Farbumfang konvertiert werden, also mit einer Farbtiefe von 1bit für eine Schwarz-Weiß-Zeichnung oder 8bit für eine farbige Grafik, damit die im Vektorbild vorhandenen Farben (meist nicht mehr als 256) eindeutig erkannt und in gleichfarbige Pixel umgewandelt werden. Es ist in einem Format zu speichern, das diese Farbtiefen zuläßt (vgl.kapitel 5.1): GIF, PNG, TIF, BMP Der Buchstabe A in Abb. 1-8 wurde mit roter Füllung und schwarzer Kontur gezeichnet und in Originalgröße im PNG-Format mit 8bit Farbtiefe und einer Auflösung von 30 Pixel pro Zoll gespeichert (Abb. 1-9). Pixel in Vektor (b) Für das Umwandeln von Pixel- in Vektorinformation (Vektorisieren) ist ein besonderes Programm vonnöten. Corel TRACE und Adobe Illustrator (Abb. 1-10) sind Programme, die Strukturen im Pixelbild erkennen können und daraus eine Vektorinformation generieren. Wenn das Bild scharfe Kanten, klare Strukturen und wenig Farben aufweist, ist eine Vektorisierung mit gutem Ergebnis möglich. Abbildung 1-10 zeigt die Vektorisierung mit Adobe Illustrator, links das Original als Graustufenbild, rechts das Ergebnis. Für die Texterkennung als Sonderfall des Vektorisierens ist die OCR-Software Omnipage als besonders leistungsfähig zu nennen. Die aktuelle Version wandelt mit hoher Trefferquote gescannten Text in editierbaren Word-Text um. Abb. 1-10: Vektorisieren einer Schwarz-Weiß-Grafik mit Adobe Illustrator (b) Manche Scanner bieten das Vektorisieren oder die OCR-Texterkennung als Scanoption an (siehe Kapitel 6.2) bei Wahl der entsprechenden Scanoption bzw.speicherformats (z. B. WMF oder PDF) erfolgt während des Speichervorgangs eine Vektorisierung des Bildes. Das Ergebnis der Vektorisierung ist unter Umständen nicht steuerbar und wird nicht am Monitor angezeigt. Es kann erst nach dem Speichern in einem Bildbetrachter bewertet werden. Seite 12 von 115

13 2 Beschreibung von Farbe Um sich über Farben verständigen zu können, müssen sie objektiv vergleichbar gemacht werden. Dies geschieht durch Messung der Farben unter standardisierten Bedingungen und anschließender numerischer Kodierung in einem geeigneten System, dem Farbmodell (Abb. 2-1). Farbmodelle stellen verschiedene Methoden zur Farbdefinition zur Verfügung, wobei jedes Modell Farben anhand bestimmter Farbkomponenten definiert. Alle Farbmodelle sind dreidimensional: Es sind stets drei Parameter zur Angabe eines Farbwertes erforderlich. Es gibt geräteunabhängie und geräteabhängige Modelle. 2.1 Geräteunabhängige Farbmodelle HSB-Modell Im HSB-Modell wird jede Farbe durch die drei Größen Farbton (Hue), Sättigung (Saturation) und Helligkeit (Brightness) beschrieben. Mit ihm kann jede Farbe des sichtbaren Spektrums beschrieben werden. Es liegt der Farbmessung mit dem Spektralfotometer zugrunde, einem Spezialmeßgerät, das z.b. genutzt wird, um Monitore zu kalibrieren. CIE-Normfarbsystem Um verbindliche Standards für Farbe und Beleuchtung festzulegen, wurde 1931 von der Internationalen Organisation zur Farbnormierung (CIE) das geräteunabhängige CIE-Normfarbsystem entwickelt (Abb. 2-1). Auf der x-achse werden die Rot-Anteile einer Farbe eingetragen, auf der y-achse die Grün-Anteile. Alle Farbtöne werden in einer Ebene mit Weiß als Zentrum angeordnet. Voll gesättigte Farben liegen auf dem Rand des Farbbereiches, ihre spektrale Reinheit nimmt zum Mittelpunkt hin ab. Jede Gerade durch das Zentrum verbindet Komplimentärfarben. Abb. 2-1: CIE-Normfarbsystem [23] Die Helligkeit ist der dritte Parameter des Systems. Auf seine Darstellung auf der z- Achse wird meist verzichtet. Die zweidimensionale Darstellung (ohne Helligkeitswerte) wird häufig benutzt, um die unterschiedlichen Größen gerätespezifischer Farbräume anzugeben (Abb. 2-7). Ein Problem dieses Systems ist, daß die meßbaren Abstände zwischen den einzelnen Farben nicht mit den empfundenen Farbunterschieden übereinstimmen. Dieses Problem wurde 1976 mit der Entwicklung des Lab-Farbmodells gelöst. (vgl. [23], [25]) Lab-Farbmodell Auch das Lab-Modell ist geräteunabhängig und gibt alle sichtbaren Farben wieder. In ihm entsprechen Farbunterschiede, die vom Menschen als gleich groß empfunden werden, auch jeweils meßbar gleich großen Abständen. Es verwendet die Helligkeit (Lightness) sowie zwei Farbwerte, a für den Wert auf der Rot-Grün-Achse, und b für den Wert auf der Gelb-Blau-Achse (Abb. 2-2). Das heißt, die Komplementärfarben sind hier genau gegenüber angeordnet. Die Helligkeit nimmt von unten nach oben zu. Abb. 2-2: Das Lab-Modell [23] Seite 13 von 115

14 Alle farbwiedergebenden Systeme wie Scanner, Drucker, Monitore usw. arbeiten intern mit dem genormten Lab-Farbmodell. Auch bei der Farbmessung werden werden die Farben in Lab-Werten angegeben. Um Farben zu produzieren, also technisch zu erzeugen, kommen allerdings andere, geräteabhängige Modelle zum Einsatz. Das RGB-Modell wird zur Beschreibung von Farben herangezogen, die durch Licht entstehen: durch Überlagerung der drei Spektralfarben Rot, Grün und Blau. Das CMYK-Modell liefert die Beschreibung der Farben, wie sie für die Herstellung von Druckerzeugnissen notwendig ist: als Mischung der vier Prozeßfarben Cyan, Magenta, Yellow und BlacK, auch Körperfarben genannt. 2.2 Das additive RGB Modell Abb. 2-3: Farbmischung mit Licht Die Grundidee ist, daß es technisch möglich ist, durch Überlagerung von monochromem Licht der drei Grundfarben (Orange-)Rot, Grün und (Violett-)Blau einen hinreichend großen Teil des sichtbaren Farbspektrums zu reproduzieren. Da die Grundfarben Rot, Grün, Blau mit hundertprozentiger Intensität auf einen Punkt gestrahlt Weiß ergeben, bezeichnet man sie auch als additive Farben. Durch die Überlagerung von roten, grünen und blauen Farbanteilen in 256 ( also 2 8 ) verschiedenen Helligkeitsstufen sind in RGB-Bildern so insgesamt rund 16,7 Millionen verschiedene Farben darstellbar: R x G x B = 2 8 x 2 8 x 2 8 = 2 24 = 16,7 Millionen. Farbtiefe (Tonwertauflösung) Die Anzahl der darstellbaren Helligkeitsstufen einer Grundfarbe oder Tonwertspreizung) bzw. die sich hieraus ergebende Gesamtzahl möglicher Farben wird als Farbtiefe bezeichnet und in bit angegeben. Ein RGB-Bild besitzt also eine Farbtiefe von 8bit (Abb. 4-9) für jede Grundfarbe (Farbkanal), also insgesamt 24bit. Abb. 2-4: Farbdefinition in Corel Photo-Paint Farbdefinition Die Farbe eines Pixels im RGB-Modell wird beschrieben durch die drei Zahlenwerte für Rot, Grün und Blau, die die Helligkeit (Tonwerte) der Farbanteile in einem Intervall von 0 bis 255 angeben, z.b. Gelb entsteht durch die Überlagerung von maximalem Rot und maximalem Grün: RGB (Gelb) = (Abb. 2-4) RGB (Rot) = beschreibt das intensivste Rot des RGB-Farbraums. Weiß entsteht durch Überlagerung der drei Grundfarben höchster Intensität: RGB (Weiß) = Schwarz bedeutet die Abwesentheit von Licht: RGB (Schwarz) = In jedem Bildbearbeitungsprogramm kann man sich die Farbdefinition im aktuellen Farbraum des Bildes, aber auch umgerechnet in den geräteneutralen Farbmodellen HSB und Lab (Abb. 2-4) sowie in CMYK anzeigen lassen. Farbkanäle Betrachtet man die Gesamtheit der Farbinformation von nur einer Grundfarbe, so sieht man ein rotes, grünes bzw. blaues Bild mit je 256 Helligkeitsstufen von der intensivsten Grundfarbe zum Schwarz hin, die sogenannten Farbkanäle (Abb. 2-5). Abb. 2-5: Farbkanäle in Corel Photo-Paint Seite 14 von 115

15 In einigen Bildbearbeitungsprogrammen, z.b. in Photoshop (Abb.2-6) werden die Farbkanäle als Graustufenbilder dargestellt: helles Grau bedeutet viel Farbe, dunkles Grau wenig Farbe im jeweiligen Farbkanal. Ein Bild am Computer entsteht also durch Überlagerung der drei Farbkanäle. Diese können einzeln angezeigt und bearbeitet werden. Farbraum Der Farbraum ist eine konkrete Variante des Farbmodells mit einem vorgegebenen beschränkten Farbumfang (Gamut). (vgl. [23]). Der RGB-Farbraum ist kleiner als das natürliche Farbspektrum, d.h. es sind nicht alle Farben darstellbar, die das menschliche Auge wahrnehmen kann. Dennoch reicht er aus, um ein realitätsgetreues Abbild der Umwelt im Computer zu erzeugen. In der Prozeßkette der digitalen Bildbearbeitung findet das RGB-Modell bei all den Geräten Anwendung, die digitale Bilder mittels Licht erzeugen: in der Digitalkamera, im Scanner, bei Monitoren und Fernsehgeräten, bei Beamern bei Videokameras. Abb. 2-6: Farbkanäle in Photoshop Der RGB-Farbraum ist kleiner als der Lab-Farbraum, der das gesamte natürliche Farbspektrum umfaßt. Außerdem ist der RGB-Farbraum nicht standardisiert und geräteabhängig, da jedes Gerät seine Farben auf eine gerätetypische Weise produziert. Das bedeutet, es gibt Farben, die das menschliche Auge wahrnehmen kann, die aber am Monitor nicht darstellbar sind (Abb. 2-7). Es gibt Farben in der Natur, die mit keiner Kamera aufgenommen werden können, da auch sie in definierten RGB-Farbräumen (srgb oder Adobe RGB) arbeiten. Abb. 2-7: Darstellung von Gerätefarbräumen im CIE- Modell Alle bilderzeugenden Geräte besitzen also technisch bedingt unterschiedliche Farbräume ein Problem, dem sich das Farbmanagement (Kapitel 13) widmet. 2.3 Das subtraktive CMYK Modell Für Systeme zur permanenten Ausgabe von Farbinformation (z.b. auf Papier) eignet sich das additive Farbmodell nicht, da das Auge von den bedruckten Flächen nur die Anteile des weißen, darauffallenden Lichtes empfängt, die reflektiert werden. Hier muß für die Farbmischung das subtraktive Farbmodell angewendet werden, das die Grundfarben Cyan, Magenta und Yellow verwendet. Es handelt sich dabei um die Komplementärfarben zu Rot, Grün und Blau. ([18], S. 17ff) Soll beispielsweise ein grünes Blatt gedruckt werden, muss auf dem Papier Farbe sein, die alle Bestandteile des Lichts schluckt, die nicht grün sind, um nur das zurückzuwerfen, was grün ist. Wie man rechts sehen kann, sind das die Farben Cyan und Gelb, die zusammen Grün ergeben. Dabei absorbiert Cyan alle roten und Gelb alle blauen Bestandteile des Lichts; also weißes Licht minus rotes und blaues Licht gleich grünes Licht. (Abb. 2-9) ([8], S. 23) Abb. 2-8: Farbmischung beim 4c- Druck Seite 15 von 115

16 Theoretisch absorbiert eine Farbpigmentmischung aus reinem Cyan (-blau), Magenta (-rot) und Gelb das gesamte Licht und erzeugt damit Schwarz; daher werden sie auch als subtraktive Farben bezeichnet. In der Praxis ergibt die Mischung jedoch ein nur dunkles, schmutziges Braun und muß daher mit schwarzer Druckfarbe (BLACK) gemischt werden, damit ein tiefes Schwarz entsteht. Farbdefinition Im CMYK-Modus ist jedem Bildpixel je ein Prozentwert für jede der vier Druckfarben Cyan-Magenta-Yellow-Black zugeordnet. Den hellsten Farben (Lichtern) werden niedrige Prozentwerte zugeordnet Weiß = 0/0/0/0, während dunklere Farben (Tiefen) höhere Prozentwerte haben (Schwarz = 0/0/0/100). Farbseparation Abb. 2-9: Prinzip der Wahrnehmung von Druckfarben Der CMYK-Modus wird verwendet, wenn ein Bild für den Vierfarbdruck (4c-Druck) vorbereitet wird. Der dann notwendige Umwandlungsvorgang vom RGB- in den CMYK-Modus wird als Farbseparation bezeichnet. Sie findet entweder im Drucker statt oder wird vor dem Druck in einem Bildbearbeitungsprogramm durchgeführt. Auch ohne ausgeführte Separation können in den meisten Bildbearbeitungsprogrammen die CMYK-Werte einer Farbe angezeigt werden. Beispielsweise hat die RGB-Farbe Rot ( ) im CMYK- Modell die Farbwerte 0/100/100/0 (Abb. 2-10). Die rote Füllung des Buchstaben A in Abb. 1-9 würde der Drucker also aus 100% Magenta und 100% Yellow mischen. Die Separation führt bei jedem Drucker zu anderen Ergebnissen, da auch der CMYK- Farbraum nicht standardisiert ist. Das heißt, jeder Drucker hat einen eigenen Farbumfang, den er darstellen kann und mischt eine bestimmte, intern durch Lab-Werte exakt definierte Farbe eines digitalen Bildes auf eine individuell verschiedene Art und Weise, die zudem auch noch vom verwendeten Papier abhängig ist (siehe auch Kapitel 3.4). Abb. 2-10: CMYK-Werte der RGB- Farbe Rot Seite 16 von 115

17 3 Bildentstehung und Bilddarstellung 3.1 Bildentstehung im Scanner Funktionsprinzip Scanner sind Eingabegeräte. Sie lesen Informationen einer Vorlage durch Abtasten mit einer Leiste lichtempfindlicher Sensoren (CCD-Element). Diese tasten die Vorlage zeilenweise ab und messen in bestimmten Abständen die Helligkeit der Vorlage. Je nach optischer (horizontaler) Auflösung des Scanners liegen die Meßpunkte dichter oder weiter auseinander (Abb. 3-1). Jedes CCD-Element liefert bei jedem Schritt einen Lichtwert als Pixel an den Scanner. Die vertikale Auflösung wird je nach Scannertyp durch Transport der Sensorleiste entlang der Vorlage (bei Flachbettscannern) oder durch den Vorschub der Vorlage an der Senorleiste vorbei (wie bei Großformatscannern) realisiert. Dieses Konstruktionsprinzip führt dazu, daß alle Bildpunkte in vertikaler Richtung von derselben lichtempfindlichen Zelle erfaßt werden. Weicht die Empfindlichkeit nur einer Zelle vom Durchschnitt signifikant ab, werden Streifen sichtbar. (vgl. [22], [24]) Abb. 3-1: Vorlage mit Meßpunkten des Scanners [24] Die durch Farbfilter abgeschirmten oder für bestimmte Bereiche des Lichtspektrums empfindlichen Sensoren schlüsseln die gemessenen Helligkeitsunterschiede der Vorlage in die Grundkomponenten Rot, Grün und Blau auf. Moderne Scanner verwenden in der Zeile drei Reihen von Sensoren, jede Grundfarbe Rot, Grün, Blau eine. Die Grundfarbenanteile werden getrennt in die Farbkanäle des entstehenden Scans eingelesen für jede Grundfarbe steht ein Farbkanal zur Verfügung. Für die Wiedergabe des auf einem Bildschirm oder im Vierfarbdruck wird das Pixelraster des Scans (Abb. 3-2) in ein Monitor- oder Druckraster umgerechnet. Dies erledigen der Monitor mittels Grafikkarte einerseits und die Software zur Herstellung von Druckvorlagen (beispielsweise ein Bildverarbeitungs- oder Layoutprogramm) andererseits automatisch. Farbtiefe Abb. 3-2: Pixelstruktur des gescannten Bildes [24] Die Fähigkeit eines Scanners, möglichst viele Helligkeitsabstufungen einer Grundfarbe zu erkennen, bestimmt die Anzahl registrierter Farbtöne. Scanner können im allgemeinen mehr als 8bit pro Grundfarbe unterscheiden, was hauptsächlich für nachfolgende Tonwertkorrekturen gewünscht wird. Arbeitet ein Scanner mit einer Farbtiefe von 10 oder 12 bit pro Farbkanal (Abb. 3-3), können mehr Farben registriert werden, als ein Computermonitor je darstellen kann. Scannerauflösung Die so genannte optische oder physikalische Scanauflösung bezieht sich auf die Anzahl der Fotodioden auf dem CCD-Element, mit welchem die meist kürzere Seite der Vorlagenfläche abgetastet wird. Sind beispielsweise 5000 Senoren in einer Zeile angeordnet, kann ein so ausgestatteter A4-Scanner für die 21 cm Breite genau 5000 Bildpunkte erzeugen, was einer optischen Auflösung von 600dpi entspricht. Abb. 3-3: Wahl der Farbtiefe beim HP ScanJet 5400c Qualität Zu den wichtigsten Qualitätsmerkmalen eines Scanners gehört seine Auflösungsfähigkeit. Wird ein Scanner mit unterschiedlichen Werten für die horizontale und vertikale Auflösung beworben, so ist nur die kleinere Zahl (optische Auflösung) von Bedeutung, da sie die Anzahl der Senorelemente pro Inch angibt. Die größere Zahl gibt dagegen die Abtastfrequenz (physikalische Auflösung) an, ein Wert, der ohne großen technischen Aufwand leicht erhöht (verdoppelt) werden kann. Seite 17 von 115

18 Jeder Scanner besteht aus vier wesentlichen Komponenten: Vorlagenaufnahme (Mechanik), Lichtsensor (Optik und Elektronik), Farbfiltersystem (Mechanik, Optik und Elektronik) und A/D-Wandler (Elektronik). Das Zusammenspiel dieser Komponenten entscheidet über die Qualität der Geräte.(vgl. [24]) Sowohl die Güteklasse der Linsen, Spiegel und Gläser als auch das mechanische Niveau der Abtasteinheit haben aber einen großen Einfluss auf das erreichte Ergebnis, auch hinsichtlich der Auflösung. Die reale Auflösung eines Scanners kann schon einmal gut und gern um den Faktor zwei (und mehr) unter den beworbenen Werten liegen [22]. 3.2 Bildentstehung in der Digitalkamera Abb. 3-4: CCD-Flächensensor [23] Digitalkameras sind ebenfalls Scanner. Die Vorlagenaufnahme ist durch ein Kameragehäuse ersetzt, ansonsten enthalten sie diesselben Komponenten wie Scanner. Der Lichtsensor ist ein Flächensensor, bestehend aus einer Matrix von Fotodioden. Der älteste und am stärksten ausgereifte Typ ist der CCD-Sensor (Abb. 3-4) Die Bildentstehung in der Kamera erfolgt in mehreren Schritten (Abb. 3-6): Belichtung Durch die Optik trifft das Licht während der durch den Verschluß bestimmten Zeit auf einen lichtempfindlichen Sensor, der in diesem Sinne belichtet wird.. Der lichtempfindliche Sensor misst die Belichtung und leitet die dadurch gewonnene, noch nicht digitalisierte Information an den A/D-Wandler (Analog/Digital-Wandler) weiter. Abb. 3-5: Anordnung der Farbfilter im Bayer-Mosaik [23] Digitalisierung Der A/D-Wandler codiert die analoge Information (Lichtstärke) in diskreten Werten digital, in der Regel auf einer Skala von 0 bis 255. Das entspricht einer Tonwertbreite (Farbtiefe) von 8bit. Wird eine feinere Zeichnung des Bildes angestrebt, verwendet man höhere Farbtiefen, z.z. sind Farbtiefen von bis zu 16bit möglich. Entwicklung des Rohbildes (RAW-Daten) Die digitale Information wird zunächst kameraintern weiterverarbeitet und führt zu einem unentwickelten Graustufenbild, den sogenannten RAW-Daten. Diese sind nicht standardisiert. Jeder Kamerahersteller verwendet sein eigenes Verfahren zur Bildberechnung. Die einzige Kameraeinstellung, die bei der Erzeugung dieses Rohbildes verarbeitet wird, ist die gewählte ISO-Empfindlichkeit. Diese regelt die Verstärkung durch den Sensor selbst, weshalb sie für die interne Datenverarbeitung noch vor der Digitalisierung notwendig ist. Der Kamerasensor ist eigentlich farbenblind. Um Farben erfassen zu können, ist jedem Sensorelement ein Farbfilter (rot, grün oder blau) aufgedampft. Jedes Sensorelement erfaßt so die Helligkeitsinformation von nur einer Farbe. Die meisten Kameras verwenden für die Anordnung der Filter das sogenannte Bayer-Mosaik (Abb. 3-5).Dabei messen 50% der Sensoren grünes Licht und jeweils 25% rotes und blaues. Für die anschließende Interpolation ist die Farbe Abb. 3-6: Bildentstehungsprozeß in der Digitalkamera [23] Seite 18 von 115

19 Grün, welche in der Mitte des Spektrums liegt (vgl. Abb. 1-1), wichtiger als Rot und Blau, deshalb der hohe Grünanteil. Das auf dem Chip erfaßte Rohbild setzt sich also aus drei Teilbildern, den späteren Farbkanälen, zusammen. Jedes dieser Teilbilder hat Fehlstellen dort wo die andersfarbigen Filter das Licht blockiert haben (Abb. 3-7 links). Die RAW-Datei enthält für jeden Pixel nur die Farbinformation für einen der Farbkanäle. Deshalb ist die Dateigröße nur etwa ein Drittel so groß wie die der unkomprimierten TIF-Datei gleicher Farbtiefe, denn das TIF-Bild muss für jeden einzelnen Pixel die Farbinformation aller drei Kanäle speichern (Abb. 3-7 rechts). Berechnung des RGB-Bildes (Interpolation) Die fehlende Farbinformation wird durch Interpolation der Helligkeitswerte der benachbarten, optisch erfaßten Pixel berechnet. Der kamerainterne RAW- Konverter berücksichtigt dabei die Kameraeinstellungen wie Weißabgleich, kamerainterne Schärfung, Gradation, Farbraum u.a. Für die Interpolation kommen unterschiedliche Verfahren zum Einsatz. Bei der bilinearen Interpolation (Abb. 3-8) beispielsweise ergeben sich die RGB-Werte eines roten Pixels aus dem gemessenen Rotwert sowie den Mittelwerten der vier benachbarten Grün- und Blauwerte. Bei der bikubischen Interpolation werden 16 benachbarte Pixel berücksichtigt, sie ist aufwendiger, führt aber zu den besseren Ergebnissen. Aus der Kombination von Helligkeitswerten und Farbinformation entstehen so die drei vollständigen Farbkanäle ROT GRÜN BLAU des RGB-Bildes. Abb. 3-7: Farbinformation vor und nach der Interpolation des Bildes Das RAW-Bild mit der höheren Farbtiefe wird dabei in ein Standard-RGB-Bild mit 8bit pro Kanalkonvertiert. Komprimierung und Speicherung Nach der Berechnung des Farbbildes erfolgt im Regelfall das Speichern im JPG- Format. Dabei wird die Bildinformation noch in der Kamera auf der definierten Qualitätsstufe komprimiert. Einige Kameras speichern die RGB-Daten optional im unkomprimierten TIF- Format ab. Dabei entstehen deutlich größere Dateien. Für die schnelle Anzeige auf dem Kameradisplay oder am Rechner wird parallel ein gering aufgelöstes Vorschaubild (Thumnail) erzeugt. Hochwertige Kameras speichern die RAW-Daten in einem kameraeigenen Format ab: CR2 (Canon), NEF (Nikon), RAF (Fuji), DCR (Kodak), MRW (Konica- Minolta), ORF (Olympus), SRF (Sony). Die so gespeicherten Bilder sind nicht direkt verwendbar, sie müssen erst durch einen vom Kamerahersteller mitgelieferten RAW-Konverter gelesen und in RGB-Bilder konvertiert werden. Abb. 3-8: Prinzip der bilinearen Interpolation [23] 3.3 Bilddarstellung am Monitor Die Farbinformation eines Bildes wird mit Hilfe von Zahlentripeln in Form einer Datei gespeichert. Aus diesen Daten erzeugt die Grafikkarte ein elektronisches Signal, das der Monitor in sichtbare Information umsetzt. Das kleinste darstellbare Bildschirmelement ist ein Farbtripel. Dieses besteht aus drei Segmenten, die für die Darstellung einer Farbinformation stehen, aufgeteilt in die additiven Grundfarben des RGB-Farbsystems. Die Bildpunkte sind entweder rot, grün oder blau und variieren nur in der Helligkeit, nicht aber in der Größe. Weil jeweils ein rotes, ein grünes und ein blaues Pixel zu einer Dreiergruppe kombiniert sind, begünstigt das geringe Auflösungsvermögen des menschlichen Abb. 3-9: Farbtripel eines CRT- Monitors [22] Seite 19 von 115

20 Auges bei ausreichendem Abstand einen Verschmelzungseffekt. Das Gehirn interpretiert die separaten Farbanteile als Mischfarbe (vgl. [22], [24]) Bei der technischen Umsetzung dieses Prinzips kommen in der Hauptsache zwei Monitortypen zum Einsatz: der Röhrenmonitor (CRT- Monitor) und der Flachbildschirm (LCD-Monitor). Funktionsweise eines CRT Monitors Bei einem CRT-Monitor werden innerhalb der Bildröhre drei Elektronenstrahlen, die gleichzeitig auch in ihrer Intensität gesteuert werden können, zeilenweise über eine zum Leuchten angeregte Phosphorschicht gelenkt. Damit sich diese Elektronenstrahlen nicht gegenseitig beeinträchtigen, können sie durch die so genannte Lochmaske nur die ihnen zugewiesenen Positionen auf dem Bildschirm erreichen Die Entfernung der Farbtripel zueinander gibt letztlich die maximale Auflösung des Gerätes an, wobei ein Abstand von 0,26 mm als Mindeststandard (das entspricht einer Auflösung von 98dpi) und einer von 0,22 mm (das sind etwa 115dpi) als hochwertig angesehen werden kann. (vgl. [22],) Die Lochmaskenrasterung (Abb. 3-9) ist übrigens nicht mit dem quadratischen Pixelmuster eines digitalisierten Bildes kongruent, die Bildelemente eines Digitalbildes müssen deshalb vom Monitor in das eigene Raster umgerechnet werden. ([24], S. 26) Da das Rastermaß der Maske nichts mit der Zeilenzahl oder horizontalen Auflösung zu tun hat, ist es möglich, unterschiedliche Auflösungen in gleich hoher Qualität zu erzielen. (vgl. [19]). Da ein CRT-Monitor die darzustellenden Pixel glättet, fallen die Interpolationen nicht auf. Folglich erreicht man eine sehr gute Darstellungsqualität, solange die eingestellte Systemauflösung unter der realen Geräteauflösung liegt (vgl. [22]) Funktionsweise eines LCD-Displays Flachbildschirme bestehen im Wesentlichen aus einer Hintergrundbeleuchtung und einer davor platzierten Schicht, mit der gesteuert wird, an welcher Stelle wie viel von der Hintergrundbeleuchtung durchdingen darf. Diese Schicht kann man sich als eine Matrix von Lichtventilen vorstellen, die je nach Ansteuerung viel, wenig oder gar kein Licht durchlassen. Jeweils drei Lichtklappen in der Form eines schmalen Rechtecks bilden wieder ein Farbtripel in der Gesamtgröße einer quadratischen Fläche (Abb. 3-10). Die Menge der Farbtripel in horizontaler und vertikaler Richtung definieren die Auflösung des Flachbildschirms. Nur die durchgelassene Lichtmenge (pro Grundfarbe) innerhalb der Fläche ist steuerbar, nicht die Fläche selbst. ([22], S. 42) Damit besitzt ein LCD-Monitor prinzipbedingt nur eine feste (native) Auflösung. Sie wird in Pixel pro Gesamtbreite und zusätzlich in Pixel pro Gesamthöhe angegeben. Diese, und nur diese, führt zu einer sehr guten Darstellungsqualität. Alle anderen Systemauflösungen, die die Grafikkarten-/Monitorlogig zur Anzeige bringt, sind zumindest als ungünstig bis eher schlecht zu bezeichnen ([22], S. 42). Die Ursache hierfür liegt in der notwendigen Interpolation des Bildes auf die real vorhandene Pixelzahl des Monitors. Abb. 3-10: Farbtripel eines LCD- Monitors Vorteile von LCD-Displays sind eine geringe Stromaufnahme, Keine schädliche Strahlung, Absolut flimmerfreies, verzerrungsfreies Bild Pixelgenaues scharfes Bild (allerdings nur bei der nativen Auflösung, alle anderen Auflösungen müssen vor einer Darstellung der nativen Auflösungangepaßt werden und führen generell zu einer Bildunschärfe) Seite 20 von 115

21 Geringes Gewicht und geringe Einbautiefe. Nachteile Der Bildkontrast ist häufig geringer als bei CRT-Monitoren. Bildeindruck vom Blickwinkel beeinflußt Langsamere Schaltzeiten als CRT-Monitore, deshalb weniger für Bewegtbilder geeignet. Da die erzeugten Bildelemente sowohl bei CRT- als auch bei LCD-Monitoren sehr klein sind, werden die nebeneinander liegenden Farbanteile als Mischfarbe wahrgenommen. Es entsteht ein 24bit-RGB-Bild in der definierten Systemauflösung. Jeder Monitor hat eine eigene Gerätespezifik, um die Farbinformation eines Bildes zu interpretieren. Wer schon einmal ein und dasselbe Bild nebeneinander auf zwei verschiedenen Monitoren (z.b. an einem Zwei-Bildschirm-Arbeitsplatz) gesehen und sich über unterschiedliche Farbwiedergabe gewundert hat, weiß wovon hier die Rede ist. Um die technischen Möglichkeiten des Monitors auszureizen und eine möglichst verläßliche Farbwiedergabe zu erreichen, sollte man möglichst immer unter den gleichen Lichtverhältnissen arbeiten, seinen Monitor kalibieren und wenn möglich profilieren. Voraussetzung ist, daß in der Windows-Systemsteuerung eine entsprechend hohe Farbtiefe eingestellt wird, damit auch alle Farben des RGB-Farbraums dargestellt werden können. 3.4 Bildentstehung im Drucker Separation Datenaufbereitung vor dem Druck Während am Monitor, in der Digitalkamera und im Scanner das Bild mittels farbigen Lichts entsteht, das digital mit dem RGB-Modell beschrieben wird, besteht ein Druckbild aus einer Mischung von Farbpigmenten der vier Grundfarben Cyan Magenta Yellow Black (Prozeßfarben). Daher müssen alle farbigen Abbildungen, die im Vierfarbdruck reproduziert werden sollen, in ihre Anteile an den Druckfarben aufgeschlüsselt werden. Diese Umrechnung wird Modusumwandlung oder Separation genannt und kann von Bildbearbeitungsprgrammen vorgenommen werden. (vgl. [24], S. 28ff) Die Software rechnet dabei aus, wieviel von jeder einzelnen Druckfarbe benötigt wird, um die RGB-Farben so getreu wie möglich wiederzugeben. Das Ergebnis der Seperation vier Farbwerte pro Bildpixel wird wie beim RGB-Bild in Farbkanälen gespeichert. Drucktechnik Bei der Drucktechnik wird unterschieden zwischen Vollton- und Halbtondruckern. Halbtondrucker sind in der Lage, außer den Grundfarben (Vollton) auch echte Helligkeitsabstufungen (Halbtöne) zwischen der Grundfarben und Weiß zu drucken. Ausgabegeräte, die echte Halbtöne erzeugen können, sind u.a. Thermosublimationsdrucker sowie Fotopapier belichtende LED- oder Laserdruckwerke, wie sie in Fotoläden anzutreffen sind. (vgl. [22]) Abb. 3-11: Druckraster des 4c- Drucks [24] Seite 21 von 115

22 Volltondrucker dagegen arbeiten nur mit dem vollen Farbauftrag vorhandener Farbmittel. Drucker, die nur Volltöne ausgeben können, sind die meisten Laser- aber auch Tintenstrahlgeräte oder Thermotransferdrucker. Die optische Farbmischung eines Vierfarbdrucks erfolgt durch das Übereinanderdrucken von Rastern der vier Grundfarben, die gegeneinander verdreht sind (Abb. 3-11). Die Farbauszüge entsprechen den vier Farbkanälen. Die sich überlagernden Druckraster jeder Druckfarbe bestehen aus regelmäßigen Punktmustern, wobei die Abstände der Punkte stets gleich sind, ihre Größe aber variieren kann. Ausgeklügelte Winkelstellungen der Farbraster verhindern weitgehend, daß störende Interferenzmuster (Moirémuster) auftreten. Tonwertsimulation Die volle Bandbreite möglicher Mischfarben bei Volltondruckern ist durch unterschiedliche Kombinationen der Druckfarben gegeben, genauer durch ihre Helligkeit oder Intensität, die wiederum aus der Größe der gedruckten Rasterpunkte resultiert. Bei großen Rasterpunkten erscheint die Druckfarbe intensiver und ihr Anteil dominiert stark die entstehende Mischfarbe, während ein geringer Farbanteil oder eine helle Tönung durch kleine Rasterpunkte erzielt wird (Abb. 3-12). Abb. 3-12: Tonwertsimulation bei einem Graustufenbild [22] Druckerfarbraum Der Vierfarbdruck mit den Prozeßfarben Cyan, Magenta, Yellow und Black kann wie das RGB-System nicht alle Farben des sichtbaren Spektrums reproduzieren; sein Farbraum ist sogar noch kleiner als der RGB-Farbraum. Somit müssen nicht nur einige Farbtöne des sichtbaren Licht durch mischbare Farbtöne simuliert werden, auch die Farbdarstellung eines am Bildschirm angezeigten Bildes ist nicht 1:1 auf ein gedrucktes Bild übertragbar. Einige Farben erscheinen nach der Umwandlung in den CMYK-Modus blasser und weniger leuchtend. (vgl. [24]) Farbraum (sichtbares Spektrum) > Farbraum (Monitor) > Farbraum (Drucker) Da wie hier beschrieben die Entstehung eines Druckbildes grundsätzlich anderen Gesetzmäßigkeiten unterliegt, als die Entstehung eines digitalen Bildes, ergeben sich folgende Konsequenzen: Abb. 3-13:Tonwertsimulation bei einem Farbbild [3] 1. Die Farben eines Druckbildes entsprechen nie 100%ig dem digitalen Pixelbild, sie können nur mit mehr oder weniger guter Näherung erreicht werden. Damit ist die Druckqualität abhängig von der Gerätequalität (einschließlich dem verwendeten Papier), von der verwendeten Software und ihrer Fähigkeit, Farben zu managen und nicht zuletzt vom Anwender und seiner Bereitschaft, Farbmanagement zu betreiben. 2. Da die Farbvielfalt im Druck nicht durch echte Mischung der Grundfarben, sondern durch Tonwertsimulation erreicht wird,sollte die Druckerauflösung erheblich höher sein als die Bildauflösung eine Faustregel besagt, daß man eine gute Qualität erzielt, wenn die Druckerauflösung doppelt so groß ist wie die des zu druckenden Bildes [24]. 3. Die Farbpigmentpunkte sind annähernd rund und von unterschiedlicher Größe, zudem sind sie ungleichmäßig über die Fläche verteilt ( Abb. 3-13), das Druckbild gibt demzufolge nicht die Pixelstruktur des digitalen Bildes wider. 4. Die Punkte 1 bis 3 sind zubedenken, wenn ein Scan erfolgen soll, da nahezu jede Vorlage einen Druckprozeß durchlaufen hat. Seite 22 von 115