Digitalisierung: Scannen

Transkript

1 Grafikdesign für Bildschirmmedien, Andreas Naurath, UdK Berlin SS 07 Digitalisierung: Scannen Alexander Kordes Matr.-Nr

2 Die Stasi-Schnipsel

3 Die Stasi-Schnipsel

4 Die Stasi-Schnipsel

5 Die Stasi-Schnipsel

6 Die Stasi-Schnipsel

7 Was ist ein Scanner? 1951 von Rudolf Hell in Form eines Klischographen erfunden. hier: Eingabegerät für den Computer, das einen Text oder ein Bild abtastet und in digitale Informationen übersetzt durch eine Vielzahl von Einzelmessungen wird ein Gesamtbild des Objekts erzeugt

8 Scannen Wozu? Bilder (auch Strichzeichnungen, Grafiken) der eigenen Bearbeitung zugänglich machen gedruckte Texte einer Textbearbeitung (OCR) zuführen Dokumentenverwaltung (archivieren, vorher gfs. bearbeiten und/oder verteilen) Bilder archivieren Archivieren und Bearbeiten von Texten und Bildern

9 Funktionsweise Im Scanner werden die analogen Daten der physikalischen Vorlage mit Hilfe von Sensoren aufgenommen und anschließend mit A/D-Wandlern in digitale Form übersetzt. So können sie mit Computern verarbeitet, analysiert oder visualisiert werden. Hierbei werden im wesentlichen drei verschiedene Sensorik-Technologien unterschieden: PMT (Photomultiplier Tube) Adaptierte Technologie der Trommelscanner. CCD (Charge-Coupled Device) Die weitverbreiteste Technologie die für Arbeitsplatzsysteme genutzt wird. CIS (Contact Image Sensor) Integration von Scan-Funktionalitäten in weniger und kompaktere Elementen.

10 Sensorik - PMT (Photomultiplier Tube) Sensor-Technologie, die bei High-End Trommelscannern verwendet wird. Diese Technik ist sehr teuer und aufwendig zu betreiben und wird daher nur in der professionellen Druckwerkherstellung verwendet Photomultiplier: spezielle Elektronenröhre, um schwache Lichtsignale (bis hin zu einzelnen Photonen) zu detektieren und in ein elektrisches Signal umzuwandeln Je mehr schwache Lichtsignale aufgenommen und verarbeitet werden können, desto besser der Scan der Vorlage

11 Sensorik - CCD (Charge-Coupled Device) Zwei oder drei Spiegel bewegen sich in einem genau festgelegten Verhältnis zum CCD-Sensor beim Scannen wird der Lichtstrahl so auf diesen umgelenkt, dass die Länge der Strecke, die das Licht von der Lichtquelle zum CCD-Sensor zurücklegt, immer gleich lang ist. Um gleichzeitig die gesamte Breite der Vorlage abzutasten, ist der CCD-Sensor in einer sogenannten CCD-Zeile aufgebaut. Eine CCD-Zeile besteht aus einer Punktzeile, die aus einer Reihe lichtempfindlicher elektronischer Sensorpunkte besteht. Jeder dieser Sensorpunkte innerhalb der CCD-Zeile nimmt die Information über einen einzelnen Bildpunkt auf.

12 Sensorik CIS (Contact Image Sensor) Grundkomponenten des CIS-Scanners 1. LED-Lichtquelle (LIDE ) 2. Linse 3. Compact Image Sensor (CIS) Das Prinzip: Lichtquelle, Sensor und Optik sind ein einziges, festes Modul. Vorteil: Scanner ist kleiner und leichter verbraucht weniger Energie billiger in der Herstellung keine Spiegel und bewegte optische Teile Ausschluß von Verschleiß und Dejustage CIS ist so breit wie die Vorlagenplatte kein Verkleinern des Bildes, keine Verzerrungen. Nachteil: im Vergleich zu CCD-basierten Systemen, noch niedrigere Qualität

13 Digitalisierung Einfach: ein Scanner wandelt Licht in Nullen und Einsen um In anderen Worten: Scanner wandeln analoge in digitale Daten um: Spannungs-Werte eines analogen Signals werden mittels eines Analog- Digital-Wandlers (ADC) in kurzen Abständen gemessen und als Binär- Zahlen gespeichert Die Vorlage wird beim scannen von einem Feingebündelten Lichtstrahl abgetastet und über einen fotoelektronischen Lichtwandler, je nach Helligkeit der Vorlage, in unterschiedlichen Spannungswerte umgewandelt.

14 Auflösung Beschreibt die Detailgenauigkeit bzw. die Feinheit, in der Bilder eingelesen bzw. ausgegeben werden. Einheit: dpi = dots per inch = Bildpunkte pro Zoll (1 inch = 1 Zoll = 2,54 cm) selten, aber auch korrekt: ppi = pixels per inch (Pixel Grauwert oder drei Grundfarbwerte Je höher der dpi-wert, den ein Scanner erschließen kann, desto detailgetreuer ist das resultierende Bild. Eine Vorlage wird demnach Punkt für Punkt erkannt, jeder Punkt wird digitalisiert und auf dem Monitor dargestellt.

15 Interpolation Bezeichnung für eine mathematische Funktion; aus nebeneinander liegenden, tatsächlichen Punkten wird ein Zwischenpunkt errechnet Oder anders: Zu der Helligkeit zweier Punkte wird ein Zwischenwert errechnet und als weiterer Punkt dargestellt. relativ große Einbußen bei der Qualität des Scan-Resultats führen. Früher: preiswerte Scanner mit Auflösungen von 300x300 dpi Heute: Standard-Auflösung von 600 dpi in der X-Achse. Auflösung der Y-Achse zwischen 600 dpi- bzw dpi-scannern. Höhere Auflösungen aus den Werbebroschüren nennen dann die Werte, die durch die Interpolation erreicht werden, und nicht die technische Auflösung.

16 Farbscantechniken Das Bild wird beleuchtet, das reflektierende Licht wird dann an Photozellen bzw. Photomultiplierer weitergeleitet Das Bild reflektiert das Licht unterschiedlich stark, helle und dunklen Stellen können so unterschieden werden Hierzu werden Stablinsen benutzt, damit einfallendes Streulicht das Ergebnis nicht verfälscht Drei verschiedene Techniken werden zur Zeit angewandt: Filter Prismen Fluoreszenz-Lampen

17 Filter Die Vorlage wird in drei Scandurchgängen mit weißem Licht beleuchtet in jedem Durchgang wird den CCDs ein anderer Farbfilter vorgesetzt (Rot, Grün und Blau) (additives Farbmodell) So werden die Farbanteile jedes einzelnen Punktes für diese 3 Farben abgelesen Es ist ein sehr langsames Verfahren und die CCD-Zeile muss sehr exakt arbeiten, damit die Farbschichten nachher genau übereinander liegen. Daher ist diese Technik nicht weit verbreitet.

18 Prismen der Scanner arbeitet mit einer weißen Lampe, deren Licht - von der Vorlage reflektiert - durch ein Prisma führt und in seine Rot-, Grün- und Blau-Anteile zerlegt wird. Drei verschiedene Reihen mit CCDs fangen gleichzeitig die drei Farbanteile auf. Diese Technologie liefert gute Ergebnisse, da keine Verluste, Farbverfälschungen der Lampen oder der Filter auftreten können. Dieses Verfahren ist zwar technisch aufwendiger, dafür ist aber auch nur ein Scandurchgang erforderlich und ist somit zeitsparender.

19 Fluoreszenz-Lampen anstatt der Filter werden drei farbige Fluoreszenz-Lampen eingesetzt diese reflektieren den entsprechenden Farbanteil der Vorlage Wegen der zeilenweise Abtastung ist nur ein Scandurchgang notwendig. Mit der Farbtrennung durch RGB-Lichtquellen wird neben der Verringerung des Farbversatzes auch eine optimierte Scangeschwindigkeit erreicht.

20 Scannertypen Einzugscanner Flachbettscanner Exkurs: Buchscanner und Buchwippe Handscanner DIA-Scanner 3D-Scanner Trommelscanner

21 Einzugscanner Der Einzugsscanner ist genau so aufgebaut wie ein Faxgerät. Das heißt die Lichtempfindlichen CCD-Sensoren sind fest im Gerät eingebaut. Die Vorlage wird an den lichtempfindlichen CCD-Sensoren entlang geführt. Nachteil: ausschließliche Verarbeitung von Einzeldokumenten (Bücher lassen sich nicht einscannen) beim Einzug glatter Vorlagen (z.b. Foto), kann es zu unangenehmen Randverzerrungen kommen Reine Einzugscanner sind von den Flachbettscanner abgelöst worden und sind im Verkauf kaum noch zu finden.

22 Flachbettscanner Gebräuchlichste Bilderfassungsgerät gleiches Prinzip wie beim Kopierer, die lichtempfindlichen Sensoren werden während des Abtastens unter der Glasscheibe entlang geführt Um ein scharfes Bild zu erreichen, muss die Vorlage ganz flach auf der Glasplatte aufliegen Probleme bei gewissen Vorlagen Die zahlbaren Flachbettscanner können Vorlagen bis zu A4 abtasten.

23 Exkurs: Buchscanner und Buchwippe

24 Handscanner Führung der optischen Zeile erfolgt nicht automatisch, sondern per Hand durch den Benutzer per Software wird aus einzelnen Streifen die gesamte Seite zusammengesetzt Nachteil: Scanner muss gleichmäßig über die Vorlage gezogen werden (ungenau und aufwendig) Teilweise noch für den mobilen Einsatz gebräuchlich; für stationären Einsatz fast vollständig vom Markt verdrängt.

25 Dia-Scanner Vorwiegend dem professionellen Bereich zuzuordnen Einzugsgebiet ist auf das Einlesen von Diapositiven und -negativen beschränkt (spezielle Vorrichtungen zum Einschub der Dias) Hohe Qualitätsanforderungen (Auflösungen bis zu einigen Tausend dpi) spezielles Ausleuchtungsverfahren, um die sonst üblichen Streu- und Nebeneffekte beim Einscannen der stark reflektierenden Vorlagen zu eliminieren. Nachteil: nur für Dias zu gebrauchen hoher Anschaffungspreis Für den Heimgebrauch gibt es Diaaufsätze (billiger, aber schlechtere Bildqualität)

26 3D-Scanner können die Oberfläche beliebig geformter Körper bestimmen Verwendung von Luft-Ultraschall, hohe Genauigkeit Die exakte berührungslose Erfassung basiert auf Abstandsmessung durch den Nachweis von Laufzeiten kurzer Pulse, die von definierten Positionen aus ermittelt werden Rechner steuern die Datenaufnahme und errechnen relevante Parameter (Objektdurchmesser, Oberfläche, segmentales Volumen) Anwendungsbereiche: Medizin: z. B. Scan der Beine eines Patienten um Stützstrumpfe genau anzupassen werden Automobil-Branche: genaue Vermessung von Kleinteile

27 Trommelscanner einer der ältesten Scannertypen liefert die exaktesten Ergebnisse: Auflösung, Tempo und Qualität sind bis heute unerreicht Funktionsweise: die Vorlage wird um eine Trommel herumgewickelt, diese bewegt sich schraubenförmig unter dem Beleuchtungs- und Abtastsystem Lichtquelle und Detektor sind immer in der gleichen Lage zum abzutastenden Bildpunkt Als lichtempfindliches Element arbeitet im Inneren des Trommelscanners ein Photomultiplier (PMT), an dem die Vorlage während des Scan-Vorgangs sowohl horizontal als auch vertikal vorbeiwandert Fotozellen fangen die Reflexionen auf und verarbeiten sie zu Daten

28 Trommelscanner 2 Einsatzgebiet: ausschließlich im Bereich der professionellen Druckwerkherstellung Nachteile: komplexe mechanische Vorrichtung Preis hoher Bedienungsaufwand

29 Software Wenn der Scanner die Vorlage abgetastet und die Informationen an den Computer weitergeleitet hat, so ist seine Arbeit getan. Die ausgelesenen Informationen werden je nach Scan-Modi unterschiedlich interpretiert. Nachdem aus den Informationen ein Bild im Rechner erstellt wurde, kann dieses Bild in unterschiedlichen Formaten abgespeichert werden. Um die Farben von Farbbildern so abzutasten, dass das jeweilige Computer-System diese Farbe optimal darstellt, gibt es die Möglichkeit, den Scanner zu kalibrieren. Um die Integration von Scannern oder anderen Bildverarbeitungsgeräten zu vereinfachen, existiert der Industrie-Standard TWAIN. Das bekannteste Einsatzgebiet für Software bei der Weiterverarbeitung ist die Texterkennung oder auch OCR genannt.

30 Scan-Modi So viel wie nötig, so wenig wie möglich... Die 3 wichtigsten Scan-Arten sind: Schwarz/Weiß Mögliche Werte 2 1 = 2 Bit/Bildpunkt 1 Graustufen Farbe 2 8 = = (je 8 für Rot, Grün, "Blau; "True Color") Tipp: Schwarzweiß-Fotos sind (trotz ihres Namens) in Graustufen einzulesen. Auch Schwarzweiß-Zeichnungen sollten so eingelesen werden. Das ergibt eine höhere Qualität, allerdings auf Kosten der Dateigröße. 8

31 Bildformate Das Format, in dem Bilder gespeichert werden, ist signifikant für die Dateigröße.

32 Kalibrierung Originalbilder können oft nach dem scannen anders aussehen als auf dem Monitor, ausgedruckt wieder anders Kalibrierung Die wohl bekannteste Sofware liefert Kodak und wird als Colour Management System (CMS) vertrieben. Es nutzt eigene Farbdefinitionen für jeden Scanner, Monitor und Drucker und vergleicht sie mit festgelegten Standards. Elemente der Software sind verknüpft mit der Bildverarbeitungs-Software PhotoShop der Firma Adobe oder auch mit anderer Software. CMS wird immer mehr der Favorit von Grafikern.

33 TWAIN wichtiger Standard für die Bildverarbeitung. regelt die Kommunikation zwischen den bildverarbeitenden Geräten und der Software, die für die Weiterverarbeitung der eingescannten Bilder benutzt wird. Einzige Einschränkung: sowohl Software als auch das Gerät müssen TWAIN-kompatibel sein. Vorteil: Durch die direkte Kommunikation zwischen Gerät und Software entfallen zusätzliche Arbeitsschritte oder spezielle Hilfsprogramme. vereinfacht Arbeit mit bildverarbeitenden Geräten.

34 OCR (Optical Character Recognition) Deutsch: optische Zeichenerkennung Textseite wird als Ansammlung von Punkten gesehen Sie wird also vom Computer bzw. einem Textverarbeitungs-Programm nicht als Text erkannt Komplexer Prozess: Optical Character Recognition Dies geschieht in verschiedenen Schritten: Der Segmentierung des Textes (Text wird von Grafiken getrennt), dem Mustervergleich und der Feature Extraction

35 Mustervergleich "pattern matching" für jede (gängige) Schriftart und -größe ist ein Bild gespeichert Die "Bilder", die eingescannt werden, werden dann mit den gespeicherten verglichen

36 Feature extraction Identifizierung von Buchstaben durch Vergleich typischer Merkmale weitgehend schriftartenunabhängig Alle Zeichen werden identifiziert, indem bestimmte Eigenschaften überprüft werden Unterscheidungsmerkmal: jedes Zeichen besteht aus einer Anordnung von Kreisen und Linien: Gerasterter Buchstabe Charakteristik des Buchstabens

37 POWR (Pedective Word Recognition) Neuere Technologien: nicht nur einzelne Zeichen erkennen ganze Wörter Millionen Möglichkeiten werden untersucht, wie Punkte eines Wortes zu einzelnen Buchstaben zusammengesetzt sein können Jeder möglichen Interpretation wird dann eine Wahrscheinlichkeit zugewiesen POWR verwendet mathematische Algorithmen, die den Computer auf die beste Deutung hinführen, ohne jede mögliche Version einzeln zu prüfen

38 POWR (Pedective Word Recognition) Wenn Wahrscheinlichkeiten einzelnen Wörtern zugewiesen werden, werden alle Arten kontextueller Informationen in Betracht gezogen: Die Technologie gebraucht neuronale Netze und vorbestimmte Formen (aus der Forschung der KI, der Kognitionswissenschaften) Praxis: die Technik verbessert erheblich die Genauigkeit der Worterkennung bei allen Dokumentarten Alle möglichen Deutungen eines Wortes werden festgesetzt: Indem alle Quellen, von den niedrigen pixelbasierenden Informationen bis zu hochqualifizierten Kontextanhaltspunkten kombiniert werden

39 Scannen zur Bildschirmanzeige Ein Scan-Pixel mit einem bestimmten Farbwert wird einem Bildschirmpixel mit den gleichen Farbwert zugeordnet. Physikalisch handelt es sich hierbei um drei Bildschirmpunkte in den Grundfarben Rot, Grün und Blau. Für die Abbildung in Originalgröße reicht das Scannen mit 90 dpi (bei einer Bildschirm-Rasterweite von 0,28 mm). Details sind hierbei nicht mehr erkennbar. Für Bilder reicht dies jedoch im Allgemeinen aus.

40 Hintergrundbild Die ideale Scan-Auflösung bei gegebener Vorlagengröße und Bildschirmauflösung für den Fall, dass jedem Bildschirmpunkt ein Scanpunkt mit 24 Bit Farbtiefe (16,7 Mio. Farben) zugeordnet werden und das Bild den gesamten Bildschirm einnehmen soll, ist wie folgt: 5 x 3,75 cm 10 x 7,5 cm 20 x 15 cm 1024 x 768 Pixel 520 dpi 260 dpi 130 dpi 1600 x 1200 Pixel 810 dpi 405 dpi 200 dpi

41 Finito Schluss, Ende, Aus und Vorbei... Und ein schönes Wochenende!!!

42 Quellenangaben : : :48