Ausarbeitung

1. Grundlagen

1.1     " dpi " und " Pixel "

Dpi bedeutet " Dots per Inch ", was zu deutsch so viel heißt wie " Bildpunkte pro Zoll ". Dieser Begriff gibt in Verbindung mit einer Zahl, die Auflösung an, das heißt aus wievielen Bildpunkten das Bild besteht. Beim Scanner ist diese Zahl von zwei Faktoren abhängig: die Präzision des Schrittmotors in Scanrichtung und die Anzahl der CCD-Sensoren in der Scanzeile. In der Regel sind diese Werte nicht identisch, daher werden beide Werte angegeben, zum Beispiel 300*600 dpi. Bei der Digitalkamera wird die Auflösung in Pixel angegeben, zum Beispiel 4000*4000 Pixel, dies heißt dass das Bild aus 4000*4000 Pixeln also 16.000.000 Bildpunkten besteht. Die Anzahl der Pixel ist von der Leistung des CCD-Sensors anhängig.

1.2.1     Der CCD-Sensor

" CCD ist die Abkürzung für Charge Coupled Device. Auf Deutsch heisst das soviel wie: ladungsgekoppeltes Bauelement. CCD-Sensoren bestehen aus einem ein- oder zweidimensionalen Array von Speicherelementen. Verwendung finden sie hauptsächlich als Bildsensor bei Videokameras, Scannern und digitalen Fotoapparaten." [www.ccd-sensor.de]

1.2.2     Ladungsentstehung

Die Ladung entsteht im CCD-Sensor durch Lichtstrahlen, diese Photonen werden "[...]im dotierten Siliziumkristall absorbiert und erzeugen dort elektrische Ladungen (Photoeffekt). Durch umgebende Elektroden wird eine Ladungssenken/Ladungsbarrieren - Struktur gebildet, die die entstehende Elektronenwolke festhält [...]" [www.ccd-sensor.de]

1.2.3     Ladungstransport

"Die in den einzelnen Sensorzellen entstandenen - unterschiedlich großen - Ladungspakete (=Elektronenwolken) werden nach der Belichtung durch periodische Potentialänderungen an der Elektrodenstruktur - bei denen sich die Ladungsbarrieren bewegen - horizontal durch den Siliziumkristall geschoben." [www.ccd-sensor.de]

1.2.4     Verschiedene CCD-Sensor Systeme

Bei CCD-Sensoren unterscheidet man Vier verschiedene Systeme. Da ich es nicht besser erklären kann, hier ein Verweis auf die Übersicht auf der Seite www.ccd-sensor.de.

1.4     Der CIS-Sensor

Der CIS (Compact Image Sensor)- Sensor ist relativ neu auf dem Markt und basiert auf der C-MOS Technologie.
Der Vorteil gegenüber dem CCD-Sensor ist das er weniger Strom verbraucht und Platz spart, was wiederrum eine kompaktere und vor allem flachere Bauweise ermöglicht, außer dem ist er wesentlich billiger in der Produktion.
Nachteil des CIS-Sensores, bedingt durch die direkte Übertragung des reflektierten Lichtes mittels Stablinsen, ist der Verlust der Tiefenschärfe.

1.4     Interpolation

Unter "Interpolation" versteht man ein Verfahren mit dem man die Anzahl der Pixel bzw. den dpi Wert vergrößert. Zu den eigentlich vom CCD/CIS-Sensor gelesenen Bildpunkten werden zusätzliche Punkte dazu berechnet. Die Auflösung wird zwar theoretisch verbessert, feine Struckturen und kleine Details verschmilzen jedoch miteinander oder gehen sogar ganz Verloren. Daher sollte man beim Kauf einer Digitalkamera oder eines Scanners darauf achten das es sich bei der angegebenen Auflösung um die technische Auflösung handelt und nicht um die Interpolierte.

1.5     Farbtiefe

Die Farbtiefe ist davon abhängig mit wieviel Bit ein Bildpunkt gelesen wird. Das heißt wenn ein Bildpunkt mit einem Bit gelesen werden würde, hätte der Punkt entweder die Farbe schwarz oder weiß. Die Farbtiefe kann man mit 3 (für die 3 Farben aus denen das Bild besteht, Rot, Grün und Blau) hoch der Anzahl der Bit errechnet werden, also erreicht man mit 32 Bit ca. 1 Milliarde Farbnuancen.

2. Der Scanner

Es gibt eine ganze Reihe von verschiedenen Scannern (Trommelscanner, Handscanner, Flachbrettscanner, etc.). Der gebräuchlichste ist der Flachbrettscanner.
Der Flachbrettscanner besteht im wesentlichen aus 3 Komponenten, einer Auflagefläche für die einzuscannende Vorlage, einer Abtastvorrichtung, bestehend aus Lichtquelle, einem Optischem system aus Linsen und gegebenfalls Spiegeln (beim CCD-Sensor), den CCD- bzw. CIS-Sensoren, und außer dem noch dem Schrittmotor.
Der Scanner funkioniert im wesentlichen so, eine 2-Dimensionale Vorlage wird beleuchtet, und reflektiert das Licht. Je nach Dunkelheit bzw. Helligkeit des zu scannenden Bildpunktes mehr oder weniger stark. Die Reflexion wird dann auf denn Sensor geleitet, entweder mittels eines Spiegelsystemes, Stablinsen oder Glasfaser. Je nach Lichteinfall gibt dann der Sensor Strom an einen Analog-Digital-Umwandler ab, dieser digitalisiert die Stromstärke in einen Zahlenwert der dann an den Rechner weitergeleitet wird und dort verarbeitet wird.
Der Unterschied der verschiedenen heute noch gebrächlichen Flachbrettscanner Typen liegt nun darin wie sie die Farben digitalisieren und was für ein Sensor Typ verwendet wird (CCD oder CIS).
Die Auflösung ist beim Scanner von der Anzahl der Sensoren in der Breite und der Genauigkeit des Schrittmotors in der Länge abhängig, daher kommt es auch das die Auflösung beim Scanner in zu Beispiel 300*400 dpi angegeben wird. Und das sind die verschiedenen Typen:

1. Filterscanner
2. Fluoreszenslampenscanner
3. Prismenscanner

2.1     Der Filterscanner

Bei dem Filterscanner wird die Vorlage in 3 Durchgängen eingescannt. Je ein Durchgang für die 3 Grundfarben (Rot, Blau und Grün) Filterscanner deshalb weil die Vorlage mit weißem Licht bestrahlt wird, aber bei jedem Durchgang ein anderer Farbfilter dem CCD-Sensor vor geschoben wird. So bekommt der Rechner dann die Informationen die er braucht um das Bild zu erstellen. Das Problem bei diesem Typ ist dass er sehr langsam arbeitet und außerdem eine komplizierte Technik für die Filter benötigt.

2.2     Der Fluoreszenslampenscanner

Bei diesem Typ wird die Vorlage von drei verschieden farbigen (RGB) Fluoreszenslampen beleuchtet, die die entsprechenden Farbanteile reflektieren. Diese Methode ist zum einem einfacher als die obrige und die Scangeschwindigkeit ist auch noch schneller, denn die verschiedenen Farbanteile werden Zeilenweise abgetastet.

2.3     Der Prismascanner

Bei diesem Typ wird die Vorlage mit weißem Licht beleuchtet, dass Licht welches von der Vorlage reflektiert wird, wird dann durch ein Prisma geleitet welches das Licht in seine verschiedenen Spektralanteile zerlegt. Hinter dem Prisma sind dann drei Reihen mit CCD- bzw. CIS-Sensoren montiert die die verschiedenen Farbanteile auffangen. Dieses Verfahren ist das beste da keine Farbverfälschungen auftreten und auch nur ein Scandurchgang notwendig ist.

3. Die Digitalkamera

Die Grundliegende Funktion einer Digitalkamera ist die, dass das Licht durch ein Linsensystem auf den CCD-Sensor fällt und dann dort von den einzelnen Dioden in einzelne Bildpunkte zerlegt wird. Diese Bildpunkte werden dann nochmals in ihre RGB-Anteile zerlegt. Dafür gibt es verschiedene Methoden, die zwei gängigsten sind das 1-CCD-Chip System und das 3-CCD-Chip System. Dann hat man am Schluß für jeden Bildpunkt einen Wert und dieser wird dann auf einem Speicherchip oder einer Diskette gespeichert und im PC wird dann aus diesen Daten das Bild rekonstruiert.

3.1     1-CCD-Chip System

Das 1-CCD-Chip System besteht aus einem Farbfiltermosaik und einem CCD-Chip. Das system ist folgendermaßen aufgebaut: Vor dem CCD-Sensor ist das Farbfiltermosaik aufgebaut. Das Mosaik ist aus 1/6 roten, 1/6 blauen und 4/6 grünen Farbfiltern zusammen gestellt, der Grund dafür ist, dass das menschliche Auge viel empfindlicher auf das grüne Farbspektrum reagiert als auf den Rest des Spektrums. Da wegen des Filtermosaiks immer nur das Licht einer Farbe auf jedes Chipelement fällt, werden die restlichen Farbanteile rekonstruiert. Das geschieht mittels Farbinterpolationslogarithmus und den Werten der umliegenden Pixel. Dieses Verfahren heißt Farbinterpolation.

3.2     3-CCD-Chip System

Beim 3-CCD-Chip System wird das Licht mittels komplizierter Optik auf die drei verschiedenen CCD-Sensoren gelenkt. Jedem der Sensoren ist ein roter, blauer bzw. grüner Farbfilter vorgesetzt. Dadurch hat man für jedes Pixel einen bestimmten Wert. Die Werte aller drei Sensoren pro Pixel zusammen ergeben die eigentliche Farbe des Bildpunktes. Im Gegensatz zum 1-CCD-Chip System braucht man bei diesem Verfahren keine Farbinterpolation und man hat auch keinen Schärfeverlust oder Moiré-Effekt.

4. Typische Bildfehler

Auch hier gibt es schon ausgezeichnetes Informationsmaterial, auf welches ich hier verweißen möchte.