Praktikum Sensitometrie

Praktikum Sensitometrie Bestimmung der Modulationsübertragungsfunktion eines Scanners Name: Name: Matr.: Nr.: Matr.: Nr.: Datum: 25. 04. 2005 Prof. Dr. C. Blendl Stand: 25. April. 2005 1

ISO 16067-1 Photographie - Elektronische Scanner für photographische Bilder Bestimmung des örtlichen Auflösungsvermögens Teil 1: Scanner für reflektierende Medien Einleitung: Ein Scanner ist ein opto-elektronischer Wandler, der Bildvorlagen in ein digitales Bildformat überführen kann. Neben der originalgetreuen Farbwiedergabe ist die Auflösung von feinen Details im Originalbild eine der wichtigsten Eigenschaften eines Scanners. Das optische Auflösungsvermögen ist abhängig von der Qualität der Optik, Anzahl der adressierbaren Photozellen auf dem CCD-Sensor und den elektronischen Bauteilen. Die ISO 16067-1 befasst sich mit Methoden, um die begrenzte optische Auflösung und die örtliche Frequenz Antwort SFR des Scanners auf eine geneigte Kante zu messen. Die "Edge Spatial Frequency Response (SFR) ist die Antwort eines digitalen Detektors (z.b. Photo-CCD bzw. TFT) auf die Abtastung der Kante. Zur Bestimmung wird eine Test-Vorlage gescannt, bzw. aufgenommen und das Ergebnis analysiert. Zur Analyse der SFR wird ein Algorithmus auf das digital entstandene Bild des Scanners angewendet. Die Pixelwerte nahe einer geneigten Schwarz-Weiss Kante werden dabei analysiert, um auf eine SFR zu schliessen. Der Gebrauch einer geneigten Kante erlaubt es, den Kanten-Gradienten zu vielen Phasen relativ zu den einzelnen Photoelementen zu messen, so dass die SFR bei örtlichen Frequenzen höher als die halbe Abtastfrequenz (Grenzfrequenz des Systems-Nyquist) bestimmt werden kann. 2

Darstellung des Abtastvorgangs eines CCDs entlang einer scharfen geneigten Kante: 1. Darstellung des eingescannten Testcharts 2. Vergrößerung der geneigten Kante im Original 3. Pixelraster des CCDs durch den Abtastvorgang 4. Darstellung der Modulation des Scanners auf zweifarbige Pixel 5. Digitales Bild der Kante nach dem Abtastvorgang Grundlagen: 1. Die Methode zur Messung kann sowohl für Farb- als auch für Graustufen-Scanner und digitale Photokameras genutzt werden. Gilt nur für continous tone print scanners - keine bi-tonalen Scanner (mit 1Bit Farbtiefe) 2. Die Testvorlage ist eine Auflicht-Vorlage; spektral neutral aus Photopapier. 3. Das Chart enthält Graustufen-Felder zur Bestimmung der Dichte-Funktion OECF und bitonale Elemente zur Messung der Auflösungsfähigkeit.. Die Opto Electronic Conversion Function (OECF) Transferfunktion stellt den Zusammenhang 3

zwischen der Eingangsdichte des Charts und dem digitalen Ausgangssignal des Scanners dar. Das optische Auflösungsvermögen wird durch die SFR des Scanners ermittelt. 4. Grundelemente der TESTVORLAGE: - 20 neutralgraue Felder einer Grautreppe mit bekannter optischer Dichte zur Messung der OECF - Ein um ca. 5 geneigtes Quadrat zur Messung der SFR an horizontalen und vertikalen Kanten (das Quadrat muss sich vom Hintergrund gut abheben) Test-Voraussetzungen und Bedingungen: - Temperatur 21-25 C, Luftfeuchtigkeit 30-70% - Für Farbscanner ist die Methode für jeden RGB-Kanal einzeln anwendbar (oder Luminanz- Kanal) - Der Scanner sollte linearisiert worden sein (Die Linearisierung des Scanners erfolgt durch die Ermittelung der OECF und Berechnung einer LUT) - Der Scanner sollte im Default Modus betreiben werden Durchführung des Versuchs: Alle Messungen dieses Versuchs werden mit einem Programm durchgeführt. Das Programm Sfrwin_auto 1.0 ist unter Windows ausführbar, um das örtliche Auflösungsvermögen von Scannern mit einer Auflichtvorlage zu bestimmen. Dabei werden die Werte der OECF ermittelt und eine Analyse der SFR erstellt. Alle Rechenvorgänge basieren auf Algorithmen, die in den Standards ISO 16067 und 12233 festgelegt worden sind. Testchart Format: Das Testchart ist eine Auflichtvorlage in der Größe 3x3 inch. Es hat drei wichtige Eigenschaften zur halb-automatischen Auswertung der SFR: 1. Vier Fadenkreuze zur Festlegung der ROI 2. Zwanzig Graustufenfelder zur Auswertung der OECF 4

3. Vier geneigte Kanten zur Auswertung der SFR Abbildung des Testcharts Scannen: Der Scanner muss im Default Modus betrieben werden. Das Testchart wird richtig herum eingescannt. Dabei ist auf die Ausrichtung der Beschriftung des Charts zu achten. Ein Bild des Charts das auf dem Kopf steht, kann nicht zur Analyse verwendet werden. Eine 180 Drehung durch ein Bildbearbeitungsprogramm entspricht einer Transformation der Pixel. Dadurch kann das Ergebnis einer SFR-Analyse verfälscht werden. Der gesamte Scan muß im durchgängigen single pass Modus laufen. Kommt es zu einem Datenstau aufgrund einer zu langsamen Verbindung (USB1 / parallele Schnittstelle) zwischen 5

Scanner und Computer muß der Vorgang abgebrochen werden. Alle Motor-Stops im Vortrieb des CCDs führen zu einer ungültigen Messung, da die Kante nicht mehr scharf und gerade abgebildet werden kann. Gescannt werden drei verschiedenen Auflösungen: 1. In einer Auflösung unterhalb der vom Hersteller als physikalische oder optische Auflösung angegeben Auflösung 2. In der vom Hersteller als physikalische oder optische Auflösung angegebenen Auflösung (Grenzfrequenz des Scanners) 3. In einer Auflösung oberhalb der vom Hersteller als physikalische oder optische Auflösung angegeben Auflösung Erstellen sie auf Laufwerk Y:\Sensitometrie einen neuen Ordner unter ihrem Namen. Die Dateien werden mit Angabe der Auflösung gespeichert. Installation: Entpacken sie die Datei Sfrwin_auto.zip und speichern sie die resultierenden Dateien in ihrem neuen Ordner. Nutzen sie keine alte, bereits installierte Version des Programms, da ihre Analyse sonst durch alte Datensätze verfälscht wird. Es entstehen die Anwendungsdatei sfrwin_auto.exe, die Bibliothek lvrt.dll, das Manual sfrwin_auto user s guide.pdf und der Ordner slantparam mit den vier editierbaren Dateien densityfile.dat, roidata.dat, imagesize.dat und numbins.dat. densityfile.dat enthält in drei Spalten die RGB-Dichtewerte der 20 Graustufenfelder (angeordnet im Uhrzeigersinn, von oben links an) roidata.dat kontrolliert die relative Größe der ROI zwischen den 4 Fadenkreuzen zur automatischen Bestimmung der ROIs der 20 Graustufenfelder und der 4 geneigten 6

Kanten imagesize.dat enthält die Größe des Charts zwischen den Fadenkreuzen (Nur bei Autopitch genutzt) numbins.dat enthält die Anzahl der Bins, Wert ist auf 4 gesetzt (nicht ändern) Starten des Programms: Achtung: Vor dem Start muß die Ländereinstellung des Computers auf Englisch(USA) umgestellt werden. Bitte umstellen unter: Start Einstellungen Systemsteuerung Regions- und Sprachoptionen Man startet das Programm mit der Anwendungsdatei sfrwin_auto.exe. Es öffnet sich ein Benutzerdialogfenster: Starfenster aus sfrwin_auto.exe In diesem Dialogfenster werden Einstellungen für die Skalierung der X-Achse bezüglich der örtlichen Frequenz im SFR-Koordinatensystem vorgenommen. Außerdem stellt man Optionen zur OECF Messung und SFR Messung ein. 1. Pitch: Um die Achse der Auflösungsfähigkeit bezüglich der Abtastfrequenz korrekt zu 7

skalieren, muß der Sampling Pitch des eingescannten Bildes im mm angeben werden. Beläßt man den Wert auf 1.0000 mm, wird die Achse in cycles/pixel skaliert, obwohl die Bezeichnung cycles/mm lautet. ( Autopitch wird genutzt) Das Rechenbeispiel zeigt die Umrechnung von dpi nach cycles/mm: 300 ppi :1 inch 300 ppi : 25, 4mm = 11,811 pixel / mm 1pixel = 0,0846 mm Pixel-Pitch bei 300ppi(dpi) 11,811 pixel / mm 11,811 pixel / mm 5,906 Linienpaare / mm 5,906 cycles / mm 2. Auto Pitch: Automatische Skalierung der Achse erfolgt bei der Option Auto Pitch. Wenn Auto Pitch gewählt wurde, greift das Programm auf den Wert der Datei imagesize.dat bezüglich der Originalgröße des Charts zurück. 3. LUT: Zur Bestimmung der SFR wird immer eine LUT aus einer OECF Messung verwendet. Die Option Do not apply a LUT verwendet eine lineare Kennlinie als Scanner OECF und ist deshalb nicht zu empfehlen. Mit der Option New Density file for LUT wird anstatt der Standard-LUT aus der Datei densityfile.dat eine neue LUT aus einem Dialogfenster heraus geladen. Das Format der selbst erstellten LUT muss dem Format der Standard-LUT entsprechen. 4. Die vier Häkchen entscheiden über die ROI der SFR-Messung. Die Messung muss für die slow- und fast-scan Richtung durchgeführt werden. Deshalb sollten mindestens eine horizontale und eine vertikale Kante gemessen werden. 5. Durch Betätigung des Buttons Acquire Image öffnet sich ein Dialogfenster, in dem das zu analysierende Bild des Charts ausgewählt wird. Die Datei muss als *.bmp oder *.tif im RGB Modus vorliegen. Die Bilddatei darf keiner Komprimierung unterzogen werden. Es sind keine JPEGs oder andere Dateiformate erlaubt. 8

ROI Auswahl und Bearbeitung: Nachdem die Bilddatei des Targets ausgewählt wurde, öffnet sich das Fenster zur ROI Auswahl und ein kleines Bedienfeld. Durch Klicken der Lupe wird die Ansicht vergrößert und mit Shift- Klicken verkleinert. Mit dem Auswahlwerkzeug kennzeichnet man die ROI zur halb-automatischen SFR- Bestimmung. Dazu zieht man den Kursor vom oberen linken zum unteren rechten Fadenkreuz. Der gesamte Bereich zwischen den Fadenkreuzen muss markiert sein. Dabei ist auf große Genauigkeit zu achten. In diesem Fenster kann es zu Artefakten kommen. Farbe und Darstellung können stark variieren. Nach der erfolgreichen Markierung der ROI betätigt man den Continue Button. Das darauf folgende Fenster zeigt alle ROIs zur Bestimmung der OECF und der SFR. Markiert werden zwanzig quadratische Graufelder a 64x64 Pixel zur Messung der OECF und vier rechteckigen Felder zur Bestimmung der SFR. Es ist hier darauf zu achten, dass alle ROIs ihre korrekte Position eingenommen haben. OECF Messfelder sollten in der Mitte der zwanzig Graustufenfelder und SFR Messfelder entlang aller vier Kanten des geneigten Quadrates positioniert sein. 9

Korrekte ROI Positionierung im Target Sollten die ROIs nicht an ihrem korrekten Ort markiert worden sein, klickt man auf Adjust. Es öffnet sich ein Dialogfeld zur Justierung der Positionen. Wenn sich alle ROIs an korrekter Position befinden, klickt man auf Continue. Darstellung der SFR: Nachdem Continue geklickt wurde, wertet der PC die Bilddatei des Testcharts aus und erstellt vier Graphen der SFR. Es werden die SFR für slow-scan und fast-scan in horizontaler und vertikaler Richtung abgebildet. Zusätzlich werden die Referenzwerte der Datei densityfile.dat mit den RGB Signalwerten des Scanners verglichen und die OECF errechnet. Durch Betätigung des Buttons Enlarge Graph wird die Darstellung der SFR vergrößert. Durch Betätigung des Buttons View LUT wird die Darstellung der OECF gezeigt. Durch Betätigung des Buttons Save File können die Ergebnisse der Analyse gespeichert werden. Es ist möglich die Daten in einer Excel kompatiblen Datei zu speichern. 10

Darstellung der Ergebnisse innerhalb von sfrwin_auto Hintergrundinformationen: MESSUNG DER OECF ( Opto Electronic Conversion Function ) - OECF und Auflösungs-Messungen sollten mit der gleichen Testvorlage vorgenommen werden - Der Scan Modus darf zwischen den beiden Messungen nicht verändert werden - Mindestens 4 Testmessungen müssen durchgeführt werden - Das digitale Ausgangssignal wird anhand einer 64x64 Pixel Fläche in jedem Graufeld an der gleichen Position gemessen 11

- Die Werte werden gemittelt und die OECF bestimmt - Die OECF wird zur Auflösungsmessung benötigt EDGE SFR TEST MESSUNG: - Die Örtliche Frequenz Antwort SFR wird durch die Analyse eines Scans einer scharfen geneigten Kante an einem S/W Übergang bestimmt. (Die Pixel nahe der Kante sind hier von Interesse) - Gescannt wird eine vertikale Kante für fast-scan und eine horizontale Kante für slow-scan. - Die Messung erfolgt an einem geneigten Quadrat, wobei die gescannten Pixel entlang der Kanten mit einem math. Algorithmus analysiert werden. (siehe Annex B ISO 16067-1) - Der Algo. kann anhand eines rechteckigen Ausschnitts einer geneigten Kante die SFR ausgeben. - Bei RGB wird der Algorithmus jeden Farbkanal einzeln ausrechnen. - Die Daten werden linearisiert durch Umkehrung der OECF und Umrechnung der Dichten zum Reflexionsgrad. - Für jede Pixel-Linie senkrecht zur Kante wird dieser differenziert durch seine Ableitung -0,5 / +0,5. Das bedeutet, dass die Ableitung für Pixel X gleich -0,5 des Wertes links davon und +0,5 des Wertes rechts davon ist. Der Ableitungsschwerpunkt steht dann für den Ort des S/W Übergangs. (Trennung) - Die gemittelte LSF ( Line Spread Function ) wird aus allen Linien errechnet. - Die LSF wird mit einem Hamming Window multipliziert, um eine Rauschreduktion zu erzielen. - Dann wird die Diskrete Fouriertransformation DFT auf die gefilterte LSF angewendet. Die SFR entspricht der Größenordnung der transformierten Line Spread Function LSF. 12

Ergebnisse: - Auflösungsmessungen sollten für slow -und fast-scan Richtungen gemacht werden. - Berichtet werden muss Hersteller / Model und die Abtastfrequenz in slow -und fast-scan Richtung. - Treiber Datum und Version - Graustufen oder RGB-Modus - Scan-Geschwindigkeit - Helligkeit-, Kontrast-, Unscharfmaske -und Gamma Korrektur Einstellungen Präsentation: Ergebnisse der OECF in tabellarischer -und graphischer Form: 1. Tabelle mit Spalten: Nummer der Graufläche, Eingangs-Dichte, Ausgangssignal-Wert (Bei RGB sind es 3 Werte) 2. Graph: Auftragen der Dichte gegen die digitalen RGB-Ausgabewerte des Scanners (x-achse: Reflexionsdichte ; y-achse: Wert) Ergebnisse der Auflösungs-Messung: 1. Die SFR Werte werden als Graph gezeichnet, wobei die Modulation gegen die örtliche Frequenz aufgetragen wird. Die Darstellung der SFR Werte erfolgt immer getrennt zwischen slow -und fast-scan. 3. Der Frequenzgehalt der Kante soll angegeben werden in cycles / mm gegen die Modulation. Bei einer Modulation der Kante unterhalb von 0,2 ist die Messung ungültig. 4. Bei der Darstellung der Graphen soll die X-Achse in zwei Intervalle eingeteilt werden: 1. Von 0 cycles / mm bis zur halben Abtastfrequenz (Grenzfrequenz bzw. Nyquist-Frequenz) 2. Von der halben Abtastfrequenz bis zur vollen Abtastfrequenz, da es in diesem Bereich zu Unterabtastung kommen wird. (hier entsteht Aliasing ) 13

siehe Beispiele: Beispiel einer Darstellung durch Excel und der Kennzeichnung wichtiger Werte: Beispiel einer Opto Electronic Conversion Function eines Scanners. Starke Schwankungen lassen auf eine fehlerhafte Analyse schließen. 14

OECF Darstellung mit Tonwertkorrektur ( Epson Perfection 2400 Photo) 1 0.9 0.8 0.7 0.6 Rot Grün Blau 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 Digitaler Ausgabewert des Scanners 15