Praktikum Sensitometrie Bestimmung des Signal Rausch Verhältnisses (SRV) eines Flachbett-Scanners Name: Name: Matr.: Nr.: Matr.: Nr.: Datum: 25. 04 2005 Prof. Dr. C. Blendl Stand: Februar 2005 1
1.1 Ziel des Versuchs In diesem Versuch soll das Eigenrauschen, bzw. das Signal zu Rausch-Verhältnis (en.: Signal to Noise Ratio: SNR) eines Flachbett-Scanners in Abhängigkeit der Dichte und der Scanauflösung (Anzahl der Pixel pro Flächeneinheit) bestimmt werden. Hierzu werden Graufolien verschiedener Dichten mit unterschiedlicher Auflösung gescannt und mit Hilfe des Histogramms in Adobe Photoshop ausgewertet. 1.2 Theorie Als Rauschen bezeichnet man den Effekt, wenn einzelne Pixel in ihren Pixelwerten für die Helligkeit (Helligkeitsrauschen) und den Farbwert (Farbrauschen) von dem Erwartungswert für eine Vorlage mit homogener Dichte abweichen. Abbildung 1: idealer und realer Signalverlauf In diesem Versuch wird das Farbrauschen nicht untersucht (zur Untersuchung des Farbrauschens müsste man im RGB-Modus scannen und anschließend die einzelnen Kanäle separat auswerten). Als Folge des Rauschens streuen die Tonwerte um den Erwartungswert. Das Histogramm, siehe Abbildung 2, zeigt, dass das Ergebnis der Digitalisierung um den Wert 68 schwankt. Rauschen kann bei allen Helligkeiten auftreten und störend wirken; im unten dargestellten Grauverlauf ist das Rauschen in den mittleren Grautönen am auffälligsten. Abbildung 3: kontinuierlicher Grauverlauf 2
Abbildung 2: Histogramm Die Kenngröße des Rauschens ist die Standardabweichung. Das Verhältnis des Signals zum Rauschen (SRV; en: Signal to Noise Ratio), mit dem Rauschen als Standardabweichung, ist eine Kenngröße, welche die Güte eines bildgebenden Systems beschreibt: je größer das SNR, desto fehlerfreier ist die Signalübertragung. Da hier das Eigenrauschverhalten des Scanners gemessen werden soll, müssen die verwendeten Folien/Filme möglichst rauschfrei sein. Das heißt, dass Kratzer sowie die Kornstruktur der Filme im Scan nicht sichtbar sein dürfen. Da der Fokus des Scanners unmittelbar über der Glasplatte liegt, werden die Folien in einer Höhe von ca. 8 cm unscharf gescannt (mit Hilfe der Scanbox). Dadurch erscheint das Bild der Folien/Filme nach dem Scan homogen. 2 Versuchsdurchführung 2.1 Arbeitsmittel - Scanner Umax Astra 6700 - PC mit Windows Betriebssystem - Adobe Photoshop - Scan-Box - Graufolien bzw. Röntgenfilme unterschiedlicher Dichte - Auswertung mit Excel 2.2 Scannen der Graufolien 1. Schritt: Bedingt durch das Betriebssystem muss sichergestellt werden, dass der Scanner vor dem Hochfahren des Rechners eingeschaltet wird. 2. Schritt: Um Verfälschungen des Ergebnisses zu vermeiden, sollte die Scannerglasplatte möglichst staubfrei sein. 3. Schritt: Die Scanbox wird so auf die Durchlichtmaske gestellt, dass von außen kein Streulicht einfallen kann. 4. Schritt: Die zu scannende Graufolie auf die Erhöhung der Box legen und die Durchlichteinheit des Scanners darauf platzieren. 5. Schritt: PC einschalten und einloggen: Benutzername und Passwort: chemie chemie 3
6. Schritt: Der Scan wird mit Adobe Photoshop durchgeführt; dazu Photoshop öffnen und unter: Datei Importieren Silverfast (Umax Astra SE) wählen 7.Schritt: Voreinstellungen in der Scan-Software: Allgemein: Scanmodus: Normal, Durchlicht, Positiv Rahmen: Graustufen, Filter: keine, Bildtyp: Standard 1. Als Auflösung sind für jede Folie nacheinander zu wählen: 2400, 1200, 600, 300, 150, 72 und 36 dpi. 2. Prescan durchführen 3. Für den Rahmen als feste Größe 5 x 5cm einstellen und mittig platzieren. 4. Die Folie wird nun gescannt, dazu Scan Grau anklicken. 5. Mit entsprechendem Namen das Bild als tiff-datei abspeichern. 6. Anschließend dieselbe Folie mit den anderen Auflösungen unter unbedingter Beibehaltung der Größe und Position des Rahmens scannen. 7. Selbe Vorgehensweise für die restlichen 10 Folien. Abbildung 3: Screen Shot eines Graufolien- Scanns 2.3 Erfassung der Messwerte Erstellen einer Exceltabelle für jede Folie mit folgenden Parametern: dpi, Pixelanzahl, log Pixelanzahl, Mittelwert, Standardabweichung, SNR. Wobei gilt: Pixel: Gesamtzahl der Pixel, die das Bild aufbauen Mittelwert: durchschnittlicher Helligkeitswert aller Pixel Standardabweichung: Stärke der Schwankung der Helligkeitswerte (=Rauschen) SNR: Quotient aus Mittelwert und Standardabweichung 4
Abbildung 4: Excel-Tabelle zur Bestimmung des SNR eines Scanners 1. Für jedes gescannte Bild im Photoshop unter dem Menü Bild das Histogramm wählen und Pixelanzahl, Mittelwert und Standardabweichung ablesen. Diese Werte in die Exceltabelle einfügen und das SNR berechnen. ACHTUNG: Cache-Stufe im Histogramm muss immer auf 1 stehen, da nur in dieser Stufe alle vorhandenen Bildpixel zur Berechnung des Histogramms benutzt werden; hierzu muss als Zoomstufe des Bildes mindestens 66,7% eingestellt sein, was mit Hilfe des Lupenwerkzeugs erreicht wird. Bei allen anderen Cache-Stufen wird zur schnelleren Histogrammdarstellung nur eine Auswahl von Pixeln verwendet. Abbildung 5: Histogrammdarstellung 3 Auswertung 1. Von jeder Dichte (der Vorlagen) ist die Abhängigkeit des SNR von der Pixelanzahl (log Pixel) zu bestimmen und in ein Diagramm einzutragen. 5
2. Von allen Vorlagen sind die SNR-Werte, gescannt mit einer Auflösung, doppellogarithmisch über der Dichte aufzutragen. 4 Diskussion der Ergebnisse 1 Warum nimmt mit zunehmender Dichte das SNR ab? 2.1 Welche Auswirkung auf das SNR ist zu erwarten, wenn die Pixelanzahl (und somit die Fläche) kleiner wird? 2.2 Woran kann es liegen, dass sich das Ergebnis in unserem Fall umgekehrt verhält? 3.1 Was für Ergebnisse liefert die Verkleinerung der zu scannenden Fläche? Dazu den Auswahlrahmen im Prescanfenster bei gleichbleibender Auflösung verkleinern. (Fläche des Rahmens z.b.: 5x5 cm; 2,5x2,5 cm; 1,25x1,25 cm) Wie verhält sich das SNR bezüglich der Fläche? 3.2 Warum sind auch hier die Ergebnisse anders als erwartet? Hinweis: Im Photoshop ein kleines Auswahlrechteck in die Mitte und an den äußeren Seiten des Bildes platzieren und dazu jedes Mal das Histogramm betrachten. Wie ändert sich der Mittelwert? Warum? (Hinweis: ein Flachbettscanner besitzt als Bauteil unter anderem ein Linsensystem.). Dieser Effekt kann mit einem Hochpassfilter minimiert werden; dazu im Photoshop im Menü Filter Eigener Filter wählen und eine Matrix erstellen, die einen benutzerdefinierten Hochpassfilter ergibt. 6