PHOTOKOLLEGIUM 4: Theorie und Grundlagen der digitalen Fotografie

Von Jost J Marchesi

Die ersten stürmischen Jahre der Digitalfotografiesind Geschichte; verklungen die müßigen Diskussionen, was nun wohl bessersei - die chemische oder die digitale Fotografie. Das ist Grund genug, alle Bereiche der Fotografie in der neuen Reihe PHOTOKOLLEGIUM in sechs Bänden zusammenzufassen.

Die aktualisierten Inhalte der
früher separat erschienenen Reihe digital-
PHOTOKOLLEGIUM sind im Gesamtwerk als Bände 4 bis 6 enthalten. Diese befassen sich mit Theorie und Grundlagen der digitalen Fotografie, Aufnahme und Bildbearbeitung sowie Farbseparation/Farbdruck und Colormanagement.

Vermittelt werden die Grundlagen, die es Auszubildenden an Foto- und Fachhochschulen ermöglichen, die notwendige Technik so zu lernen und anzuwenden, dass Bilddaten problemlos, korrekt und nahtlos in den Workflow der digitalen Produktion einfließen. Nach wie vor ist die Qualität
eines gedruckten Bildes in erster Linie von der fotografischen Aufnahme abhängig - darüber sind sich alle im Druckvorstufenbereich Tätigen einig. Trotz hochmoderner Computertechnik ist es weder sinnvoll noch wirklich möglich, eine technisch miserable Aufnahme zu einem hochprofessionellen
Resultat aufzubereiten. Qualität beginnt immer noch beim seriösen Handwerk - unabhängig davon, ob mit analogen oder digitalen Methoden gearbeitet wird.

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Verlag Photographie
• Erscheinungsdatum: 4. Okt. 2012
• ISBN: 9783943125573

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CTP-Belichter

22 Prinzip der Digitalisierung

Digitalisierung des Definitonsbereichs

Bei einem fotochemisch erstellten Bild werden die verschiedenen Graustufen durch unterschiedliche Silbermengen gebildet. Die Feinheit der Struktur, und damit die Größe der kleinsten Bildeinheit, wird durch die relativ ungleichmäßige Anhäufung von Silberpartikeln (Körnigkeitsstruktur) gebildet und diese ist bekanntlich abhängig von der Filmempfindlichkeit und der Entwicklung. Sollen Bilder dagegen in elektronischen Datenverarbeitungsanlagen (Rechnern) gespeichert und dort verarbeitet werden, müssen sie zuerst in eine mathematisch erfassbare, nummerische Form überführt werden. Im Gegensatz zur nicht definierten Anzahl Bildpunkten bei der fotochemischen Verarbeitung, benötigen elektronisch arbeitende Rechner eine endliche Anzahl geografisch eindeutig identifizierbarer Bildpunkte, die jeweils in einer ebenfalls endlichen Anzahl Tonwertstufen definiert sind. Für die computergerechte Aufbereitung muss ein Bild daher zuerst in einen geografischen Definitionsbereich aufgeteilt werden. Sinnvollerweise verwendet man dazu eine Art Gitternetz aus rechteckigen Feldern. In dieser Matrix sind die einzelnen Felder – ähnlich dem Muster eines Schachbretts – durch eine einfache Codierung geografisch bestimmt. Das erste Feld oben links könnte die geografische Codierung A1, das zweite Feld A2 usw. erhalten. In unserem einfachen Beispiel sind die einzelnen Bildelementfelder mit A1 bis Y33 codiert. Die geografische Zuordnung jedes einzelnen, meist quadratischen, gleich großen Bildelements (als picture element oder Pel bzw. Pixel bezeichnet) ist dadurch eindeutig und unmissverständlich. Man nennt diese geografische Aufteilung der Bildmatrix Digitalisierung des Definitionsbereichs oder (in Anlehnung an den praktischen Vorgang) allgemein als Scanning.

Jedes dieser Bildelemente kann nur aus einem einzigen Helligkeits- bzw. Farbwert bestehen. Sind die Bildeinzelheiten des ursprünglichen Bildes oder der Aufnahmeszene feiner als die Größe eines einzelnen Pixels, so besteht der Helligkeits- bzw. Farbwert des Pixels aus der Mischung der im Original an dieser Stelle vorkommenden Helligkeits- und Farbwerte.

Links:

Bildmatrix, Aufteilung des analogen Bildes in ein definiertes Gitternetz. Jedes Feld der Matrix bildet ein Pixel, dessen geografische Lage eindeutig bestimmt ist. In unserem Beispiel wird das Bild in eine Matrix (Bitmap) mit 25 × 33 Bildpunkten (A1 bis Y33) unterteilt.

Rechts:

Digitalisierter Definitionsbereich mit 25 × 33 Bildpunkten (825 Pixel)

Die prozentuale Flächendeckung aller Pixel der Bildmatrix werden bei der Digitalisierung des Definitionsbereichs in einer mathematischen Matrix festgehalten. Hier die Werte unseres Beispiels mit dem Schiefen Turm von Pisa.

Erklärung des Abtasttheorems

Beim Scannen oder bei der direkten elektronischen Bildaufnahme wird gewissermaßen die prozentuale Flächendeckung jedes einzelnen Pixelfeldes gemessen und zusammen mit der geografischen Codierung des betreffenden Pixels in einer mathematischen Matrix gespeichert.

Nyquist-Theorem

Bei der Digitalisierung des Definitionsbereichs stellt sich die Frage, in wieviele Abtastintervalle ein Bild unterteilt werden muss, damit eine möglichst genaue Wiedergabe aller Bildeinzelheiten erreicht wird. In unserem Beispiel mit dem Schiefen Turm von Pisa (er steht heute tatsächlich so schief!) erkennt man deutlich, dass die Aufteilung in nur 25 × 33 Bildpunkte natürlich viel zu gering ist. Man erkennt auf dem digitalisierten Bild das Sujet nur knapp und auch nur, wenn man beim Betrachten die Augen zukneift, um dadurch die Auflösung des Auges merklich zu reduzieren. Die Strukturfeinheit des Originalbildes im Zusammenhang mit der Rastergröße des gedruckten Bildes verlangt eine viel höhere Anzahl Pixel.

Wie groß die Auflösung beim Erfassen des Bildes sein muss, soll Gegenstand unserer Diskussion sein: Von der herkömmlichen Silberfotografie her sind wir uns nicht gewohnt darüber Gedanken zu verschwenden; es ist uns klar, dass ein Kleinbilddia vermutlich zuwenig Bilddaten für die Produktion eines Großplakats haben wird, dass aber umgekehrt, ein 4 × 5 inch Dia mehr als genug Daten für eine ganzseitige Anzeige enthält. Eine Übermenge an Daten belastet uns bei der herkömmlichen Fotografie nicht. Anders bei der digitalen Produktion: hier heißt die Losung nicht «soviel wie möglich», sondern «gerade soviel wie notwendig». Mehr Bilddaten als notwendig schadet zwar der Bildqualität nur bei starkem Herunterrechnen, belastet aber unsere Speicher und den Zeitaufwand für die Bildbearbeitung. Wieviel ist aber «gerade soviel wie notwendig»? Es leuchtet ein, dass die Anzahl Abtastpunkte umso größer sein muss, je feiner das Bild strukturiert ist und je enger der Druckraster gewählt wird.

Genauere Auskunft auf die Frage gibt das Abtasttheorem nach Nyquist (Harry Nyquist: 1924 «Certains Factors Affecting Telegraph Speed» und 1928 «Zeit- und Frequenzdarstellungen von Signalen»). Dieses Theorem (Lehrsatz) beschreibt die mathematische Rekonstruierbarkeit einer periodischen Struktur aus einer Folge von Abtastwerten. Betrachten wir dazu den nebenstehenden Ausschnitt aus einer periodischen Linienstruktur. Würden wir einen Pixel gerade so groß wählen wie die Liniendicke der Vorlage, wäre eine perfekte Rekonstruktion nur dann möglich, wenn der Beginn der Linie gerade mit dem Beginn der Pixelmatrix übereinstimmt (Fall A). Beginnt die periodische Struktur dagegen um eine halbe Pixelbreite verschoben (Fall B), empfängt jeder Pixel nur gerade die Hälfte der Linie, was für den Pixel einer Flächendeckung von 50 % gleichkommt. In diesem Fall würde eine Struktur aus schwarzen Linien als gleichmäßige Graufläche registriert.

Links:

Erfolgt die Abtastung mit zwei Bildpunkten pro Linie (Faktor 2), resultiert eine einwandfreie oder zumindest genügende Wiedergabe.

Rechts:

Diagonal verlaufende Linien verlangen eine hohe Abtastauflösung, um einen sichtbaren Treppeneffekt zu vermeiden.

Links:

Erfolgt die Abtastung mit einem Bildpunkt pro Linie (Faktor 1), ist die Qualität der Wiedergabe von der zufälligen Struktur des Originals abhängig. Im schlechtesten Fall hat die Abbildung keinerlei Ähnlichkeit mit der Vorlage.

Rechts:

Auch runde Formen verlangen eine hohe Abtastauflösung.

Links:

Erfolgt die Abtastung mit 1,5 Bildpunkten pro Linie (Faktor 1,5), ist die Qualität der Wiedergabe ebenfalls von der zufälligen Struktur des Originals abhängig. Allerdings ist auch im schlechtesten Fall noch eine gewisse Ähnlichkeit mit der Vorlage zu erkennen.

Rechts:

Höchste Auflösung verlangen Schriften. Allerdings verwendet man in der Praxis meistens Outline-Beschreibungen (Postscript- oder TrueType-Schriften), deren Qualität nur von der Auflösung des Ausgabegeräts abhängig ist. Wenn dagegen Schriftzüge oder Logos gescannt werden, ist dies nur mit allerhöchster Auflösung und anschließender Umwandlung in eine Outline-Grafik qualitativ genügend.

Folgt man den Untersuchungen von Nyquist, so kommt man zum Schluss, dass die Abtastrate bei der Digitalisierung von Bildern, welche bei der Ausgabe für Druckzwecke gerastert werden, doppelt so groß sein muss, wie die Druckrasterweite. Wird mit einer zu geringen Feinheit (zu große Pixelgröße, zu geringe Auflösung) abgetastet bzw. digitalisiert, entstehen bei Linienstrukturen interferenzartige Störungen, sogenannte Moiré-Effekte. Dieses Phänomen bezeichnet man auch als Aliasing.

Scanauflösung 300 ppi; 1359 × 1332 Pixel (Faktor 2); Dateigröße 1,8 MB

Scanauflösung 225 ppi; 1020 × 1000 Pixel (Faktor 1,5); Dateigröße 1 MB

Für die Bestimmung der notwendigen Abtastauflösung (Scanauflösung) muss auch noch unterschieden werden, ob es sich bei der Vorlage um eine Halbton- oder eine Strichvorlage handelt.

Scanauflösung für Halbtonbilder

Bei Halbtonvorlagen sind die spätere Rasterweite im Druck, der Vergrößerungsmaßstab, aber auch die Strukturfeinheit der Vorlage maßgebend. Wenn wir hier von Scanauflösung sprechen, meinen wir nicht nur die Auflösung beim Scannen eines fotografischen Aufsichts- oder Durchsichtsbildes, sondern ebenso das Erfassen einer zu fotografierenden Szene mittels digitaler Kamera. Es hat sich in der entsprechenden Software eingebürgert, bei der Einleseauflösung von dpi zu sprechen. Dpi bedeutet Dots per inch. Sprachlich ist das nicht ganz korrekt. Diese Auflösungsmaßeinheit stammt ursprünglich von Laserbelichtern. Dort ist die Bezeichnung Dots (Punkt) korrekt. Beim Scannen oder bei der digitalen Fotoaufnahme angemessener ist die Bezeichnung ppi (Pixel per inch). Gemeint ist bei der Bilderfassung aber in beiden Fällen dasselbe. Entsprechend dem metrischen System in Europa spricht man hierzulande auch von dpcm oder ppcm. Die Umrechnung erfolgt mit dem Faktor 2,54 (1 inch entspricht 2,54 cm). Folgt man den Erkenntnissen von Nyquist, so hat die Scanauflösung doppelt so groß zu sein, wie die später im Druck verwendete Rasterfeinheit. Man spricht vom Nyquist-Faktor oder Qualitätsfaktor (QT) 2. Die Druckrastergröße wird entweder in Line per inch (lpi) oder in Linien pro Zentimeter (lpcm) angegeben. Soll ein Bild beispielsweise für diesen Lehrgang auf gestrichenes Papier gedruckt werden, verwendet man einen Kunstdruckraster in der Größe von 60 lpcm oder 150 lpi. Die Digitalisierung des Bildes hat demnach mit 120 ppcm bzw. 300 dpi zu erfolgen. Diese Auflösung muss nur noch mit dem Vergrößerungsfaktor m multipliziert werden. Soll die Wiedergabe doppelt so groß sein wie das zu scannende Bild, ist demnach eine Scanauflösung von 600 ppi gefordert.

Halbtonbilder ohne feine Einzelheiten, bei Druckrasterweiten über 133 lpi oder wenn weniger hohe Qualitätsansprüche gefordert werden, können mit entsprechend niedriger Auflösung abgetastet werden, wobei der Wert der Rasterweite des endgültigen Drucks nicht unterschritten werden darf. Sehen Sie dazu die Bildbeispiele auf folgender Doppelseite.

Ausführliche Praxistests haben gezeigt, dass bei der Scanauflösung für den Ein- oder Vierfarbendruck von Rasterbildern mit einer Rasterweite von über 133 lpi ein Qualitätsfaktor von mindestens 1,5 eingerechnet werden sollte. Bilder mit geometrischen Objekten (z. B. gerade Linien, sich wiederholende Muster) werden besser mit dem höheren Qualitätsfaktor 2 erfasst, ebenso, wenn die Druckrasterweite kleiner als 133 lpi ist. Der Grund, weshalb bei gröberem Druckraster ein höherer Qualitätsfaktor gefordert wird, liegt in der Tatsache, dass fehlerhafte Ausgabe-Rasterpunktdichten bei kleinen Rasterweiten deutlicher erkennbar sind als bei Rasterweiten über 133 lpi.

Diese Empfehlungen beziehen sich auf den konventionellen Rasterdruck. Beim Einsatz des frequenzmodulierten Rasterdrucks (wie ihn beispielsweise vierfarbig gedruckte Tageszeitungen zur Verbesserung der Druckqualität oft verwenden, siehe Band 2 und 3) ist mindestens Qualitätsfaktor 2 (oder höher) zu empfehlen.

Unsere Bildbeispiele auf dieser und der nächsten Doppelseite zeigen die unterschiedliche Druckqualität bei einer Druckrasterweite von 152 lpi und den Qualitätsfaktoren 2; 1,5; 1 und 0,5 bei zwei unterschiedlichen Bildsujets.

Etwas unklar sind die Anforderungen, wenn ein Bild ausschließlich zur ungerasterten Halbtonausgabe auf einem Drucker (zum Beispiel Tintenstrahldrucker oder Sublimationsdrucker) für den fotorealistischen Ausdruck verwendet wird. Solche Drucker arbeiten mit Ausgabequalitäten von 240 bis 1440 dpi. Die Ausgabequalität ist dabei von viel mehr Faktoren als nur der Scanauflösung abhängig. Grundsätzlich gilt bei Sublimationsdruckern die Empfehlung, mit derselben Auflösung (unter Einrechnung des Vergrößerungsmaßstabes m) ein Bild zu erfassen, wie es nachher ausgedruckt wird (QF 1). Bei manchen Ausgabesystemen kann aber oft kaum ein Qualitätsunterschied festgestellt werden, wenn das Bild mit geringerer Auflösung erfasst worden ist. Bei vielen fotorealistischen Tintenstrahldruckern kann man aufgrund der streuenden Spritztechnologie von einer Auflösung ausgehen, die einem Druckraster mit 38 lpi und einem Qualitätsfaktor von 2 entspricht.

Scanauflösung 150 ppi; 680 × 666 Pixel (Faktor 1); Dateigröße 460 KB

Scanauflösung 75 ppi; 340 × 333 Pixel (Faktor 0,5); Dateigröße 115 KB

Scanauflösung 300 ppi; 1359 × 1332 Pixel (Faktor 2); Dateigröße 1,8 MB

Scanauflösung 225 ppi; 1020 × 1000 Pixel (Faktor 1,5); Dateigröße 1 MB

Für die Ausgabe auf einen Dia- oder Farbpapierbelichter (zur Erstellung von Farbdias oder Farbprints aus dem digitalen Datensatz) ist der Qualitätsfaktor 1 zu wählen und die Scanauflösung sollte genau der Ausgabeauflösung mal allfälligem Skalierungsfaktor entsprechen. Dabei errechnet sich die Auflösung des Ausgabegeräts aus der maximal adressierbaren Anzahl Pixel geteilt durch die größte Seitenlänge des Ausgabematerials.

Scanauflösung für Strichbilder

Bei reinen Strichvorlagen sind sowohl die geringste Linienstärke wie die Auflösung des Ausgabegeräts wesentliche Kriterien für die notwendige Abtastfeinheit. Die Scanauflösung muss aber auch hier in den seltensten Fällen die Auflösung der Ausgabe um mehr als Faktor 1 übersteigen, da sonst nur unnötig viele Bildpunkte erfasst werden. Grundsätzlich kann man als Regel für die Scanauflösung annehmen, dass diese der Auflösung des Ausgabegerätes entsprechen soll (selbstverständlich ergänzt um den allfälligen Skalierungsfaktor). Allerdings macht es keinen Sinn, die Scanauflösung auf mehr als 1200 ppi auszudehnen, selbst wenn zur Ausgabe ein Laserbelichter mit der Auflösung von 2400 dpi verwendet wird. Ausführliche Tests haben nämlich ergeben, dass die dabei vom Auge noch erkennbaren Unterschiede derart gering sind und in keinem Verhältnis zu der entsprechend angewachsenen Datenmenge stehen.

Ist die Ausgabe für einen Laserdrucker mit der Auflösung von 600 dpi gedacht, erfolgt nicht der geringste Qualitätsgewinn, wenn das Bild beispielsweise mit 1200 ppi statt mit den notwendigen 600 ppi gescannt wurde.

Digitalisierung des Wertebereichs

Mit der Definition der Bildmatrix ist das Bild erst in einzelne Bildelemente, Pixel unterteilt, deren notwendige Auflösung wir nun für verschiedene Verwendungszwecke kennen. Trotz dieser Aufteilung gilt das Bild immer noch als analog. In unserem Bildbeispiel des Schiefen Turms weist beispielsweise die Fläche des Pixels N 15 eine Flächendeckung von 28 % auf, der Pixel H 28 14 % usw. Mit diesen prozentualen Flächendeckungswerten kann der Computer rechnerisch noch nichts anfangen. Aus diesem Grund ist bei der Digitalisierung ein zweiter Schritt notwendig, bei dem die unendliche Anzahl möglicher Helligkeitswerte eines jeden Pixels in eine bestimmte, genau definierte Anzahl Stufen überführt wird.

Bei der Bilderfassung bzw. beim Digitalisieren wird der Helligkeitswert eines Pixels durch eine analoge elektrische Spannung dargestellt. Dunkle Helligkeitswerte entsprechen dabei einer niedrigen Spannung (zum Beispiel 0 Volt), helle Werte einer hohen Spannung (zum Beispiel 5 Volt) oder umgekehrt. Bei der Digitalisierung des Wertebereichs, auch Sampling genannt, wird in einem sogenannten A/D-Wandler die kontinuierlich variierende analoge Spannung in eine Folge von Stufen mit jeweils einem bestimmten numerischen Wert umgewandelt. In wieviele Stufen die Helligkeitswerte zwischen Weiß und Schwarz umgesetzt werden, ist abhängig von der Ausführung des A/D-Wandlers.

Es stellt sich dabei die Frage, wieviele Stufen mindestens notwendig sind,