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Funktionsweise eines Scanners

Was ist Scannen

Beim Scannen von Texten, Bildern, Dias und Ahnlichem läuft der Vorgang des Kopierens ab. Mit dem Unterschied das die Kopie nicht auf Papier sondern auf dem PC Bildschirm dargestellt wird. Und erst danach kann man das gescannte Bild oder den Text wieder ausdrucken. Allerdings ist die Zwischenstation, der Bildschirm bei neueren Geräten nicht mehr so wichtig sie ist per Kabel direkt mit dem Drucker verbunden und kann innerhalb einer Sekunde genau den Teil eines Bildes drucken der gerade gescannt wird. Eine Ausnahme ist allerdings der 3D - Scanner der seine Objekte mit anderen Techniken darstellen kann. (siehe 2.4). Die Leistung von Scannern wird in dpi angegeben (siehe 3.1)

Ein Scanner tastet Vorlagen mit lichtempfindlichen CCD-Sensoren ab und wandelt die daraus gewonnen Signale in digitale Daten um. Dazu zerlegt er die Vorlage in eine Matrix von Bildpunkten und erfasst jeden Bildpunkt einzeln.
"Ein Flachbett-Farbscanner erfasst jeweils eine Scannzeile nach der anderen über ein bewegliches Spiegelsystem und eine Linse. Dabei wird das einfallende Licht von der Linse auf den Zeilensensor gerichtet. Sind die Daten für eine Zeile erfasst, bewegt ein Schrittmotor das ganze optische System eine Zeile weiter. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis die ganze Vorlage abgetastet ist."
Aber der Farbscanner braucht mindestens 3 Messwerte, nämlich rot, grün und blau. Die heutigen Scanner arbeiten mit der Singel-Pass-Technologie, bei der in einem einzigen Durchgang alle notwendigen Daten erfasst werden. Diese Scanner sind mit sogenannten trilinearen Sensoren ausgerüstet. Dies sind Zeilensensoren, die aus drei parallelen Scannzeilen bestehen, wobei je eine Zeile mit einem Rot-, einem Grün-, und einem Blaufilter bestückt ist.

2.0 Scannertypen

2.1 Flachbettscanner

Flachbettscanner sind die heute in Büros und Privathaushalten die meist eingesetzten Scanner. Ihre Abtastungsfläche hat meist die Größe eines Din - A4 Blattes. Sie ähneln vom Aussehen stark den normalen Kopiergeräten und haben auch am meisten mit ihnen gemeinsam. Beide haben eine Glasplatten unter der ein "Lichtstrahl" die Texte bzw. Bilder "durchleuchtet" und beide haben eine Klappe um möglichst wenig Lichteinfall von außen zu gewährleisten. Der Flachbettscanner hat z.B. dem Einzugsscanner gegenüber den Vorteil das man mit ihm auch sperrige Dinge wie Buchseiten oder Auszüge  von Zeitschriften ohne größere Probleme einlesen kann. Flachbettscanner können je nach Ausstattung schwarz - weiß , farbig sowie diverse Graustufen Scannen. . Durch diese aufwendige Mechanik sind diese Scannertypen teurer als Einzugsscanner .Der Einstiegspreis für einen guten Flachbettscanner für den Hausgebrauch mit etwa 600 * 1200 dpi liegt bei rund 180 DM bis 250 DM. Für das Professionelle scannen zu Hause z.B. komplettes digitalisieren der Fotoalben o.ä. ist ein Scanner der Preisklasse mit rund 800DM - 900 DM fällig. Einen Scanner der in großen Firmen in kurzer Zeit viel in sehr guter Qualität Scannen muss, kostet ganz schnell auch mal über 10 000 DM.

2.2 Trommelscanner

Trommelscanner sind der älteste Scannertyp und liefern die exaktesten Ergebnisse. Auflösung, Tempo, und Qualität sind bis heute unerreicht. "Beim Trommelscanner wird die Vorlage um eine Trommel herumgewickelt und bewegt sich schraubenförmig unter dem Beleuchtungs- und Abtastsystem. Da Lichtquelle und Detektor immer in der gleichen Lage zum abtastenden Bildpunkt sind, kann so mit einfachen Mitteln hervorragende Qualität erreicht werden. Als lichtempfindliches Element arbeitet im Inneren des Trommelscanners ein 'Multiplier', an dem die Vorlage während des Scannvorgangs sowohl horizontal als auch vertikal vorbeiwandert. Fotozellen fangen die Reflexionen auf und verarbeiten sie zu computerverträglichen Daten. Trommelscanner erfassen Vorlagen sehr schnell und in höchster Qualität." Ihr Einsatzgebiet liegt ausschließlich im Bereich der professionellen Druckwerkherstellung. Nachteile sind neben der aufwendigen mechanischen Verarbeitung noch der hohe Preis (100 000 Mark) und die enorme Größe, da man schon einiges an Platz braucht um sie zu nutzen. Die ersten professionellen Trommelscanner wurden 1970 eingesetzt, es war damals eine große Sensation das man eine Grafik oder einen Text in so kurzer Zeit in so guter Qualität einlesen konnte.

2.3 Handscanner

Wie es der Name sagt, muss man den Handscanner von Hand über die Vorlage ziehen. Ein Nachteil ist, dass man den Scanner sehr gleichmäßig über die Vorlage ziehen muss. Ein Zweiter, dass die Handscanner nicht so breit sind und man daher um eine A4 Seite einzuscannen, zuerst die linke, dann die rechte Hälfte einscannen muss. Wegen diesen zwei ganz hauptsächlichen Nachteilen ist der Handscanner ganz von der Bildfläche verschwunden. Ein Handscanner ist in der Anschaffung zwar sehr billig aber um nicht mit einem Einzugs- oder Flachbettscanner zu vergleichen. Ein Handscanner kann eine Auflösung bis zu 400 dpi erreichen. Die Handscanner die heute noch viel in gebrauch sind, sind z.B. die in großen Warenhäusern und ähnlichen. Allerdings in einer leicht abgewandelten form. Dort erkennen sie nur den Strichcode, den wir alle von z.B. den Milchtüten von Lidl kennen. Diese Handscanner haben gleich einen kleinen Rechner eingebaut um anzuzeigen wie viel etwas kostet oder was es ist.

2.4 3D Scanner

Die 3D Scanner für den Hausgebrauch sind noch nicht soweit entwickelt das sich eine Anschaffung schon lohnt nur weil man einfach so ein Ding haben will oder weil ein Gesteinssammler seine Steinchen alle in 3D im PC haben möchte. Der Nachteil aller 3D Scanner ist es das der Scannkopf immer fest installiert ist. Dies kann vor allem bei 3D Scannern die mit Tageslicht auskommen zu Verfälschungen mangels Beleuchtung kommen. Die 3D Scanner finden Ihr Haupteinsatzgebiet bei der Autozubehörherstellung oder ähnlichem um alle Teile zu katalogisieren.

Industrie 3D Scanner

2.5 Einzugsscanner

"Technisch gesehen besteht diese Gruppe aus einer Leiste von CCD-Sensoren (Charged Coupled Device), die allerdings nicht beweglich, sondern feststehend ist. Die Vorlage wird nicht von der Leseeinheit abgetastet, sondern durch einen Motoreinzug an den CCD-Sensoren vorbeigeführt. Das heißt die Vorlage wird wie in einem Faxgerät eingezogen und über die Scannertrommel, die in starrer Position bleibend, geführt. Mit den Einzugsscannern lassen sich bis zu A4 große Vorlagen in einem Abtastvorgang einlesen." Der offensichtliche Nachteil der Einzugsscanner bleibt allerdings die ausschließliche Verarbeitung von Einzeldokumenten, denn Bücher und Kataloge lassen sich nicht verarbeiten. Ansonsten basiert der Einzugsscanner auf dem Prinzip des Faxgerätes es wird immer nur ein bestimmter Bereich angesehen und in Stromimpulse umgewandelt und wieder zusammengesetzt. Die Daten die der Einzugsscanner produziert sind die Gleichen wie beim Fax also kann man mit diesem Scanner auch faxen. Bildränder können allerdings aufgrund der Ungenauigkeit verzerren, wegen dieser bekannten Nachteile ist die Produktion solcher Scanner auch fast ganz eingestellt worden. Und weil der Flachbettscanner (siehe 2.1) ihn abgelöst hat. Der einzige Pluspunkt des Einzugsscanners war der geringe Preis.

2.6 Diascanner

Diese Scannerart ist im professionellen Bereich einzuordnen, das einzige was man mit einem solchen Gerät manchen kann ist das einlesen von Dia Negativen und Positiven. Allerdings haben diese Scanner eine sehr  gute Qualität. Das erklärt sich unter anderem daraus das die Scanner mit einer Auflösung von mehreren 1000 dpi arbeiten. Ein weiterer Nachteil allerdings ist der hohe Preis eines solchen Gerätes (ab 5000 DM). Zumal man auch mit einem Flachbettscanner Dias in leider nur schlechter Qualität Scannen kann. Für etwa 100DM - 200 DM gibt es "Aufsätze" für den Flachbettscanner die, die Diaqualität im Rechner verbessern sollen aber bei diesen Geräten stimmt das Preisleistungs- Verhältnis nicht, da sie kaum etwas bringen aber eben viel Geld kosten.

Alles rund ums scannen

3.1dpi

Dpi (Dots Per Inch) oder Rasterpunkte pro Zoll ist die Einheit der Detailauflösung, also der optischen Auflösung der Vorlage. Das interpolierte oder verbesserte dpi-Verfahren dient zur elektronischen Erhöhung oder Verbesserung der optischen Scannauflösung. Meist ist die mitgelieferte Scannersoftware mit dieser Funktion ausgestattet. Gescannte Bilder werden dadurch schärfer und kommen der Scannvorlage näher. Ziel ist es den dpi Wert des Scanners mit dem dpi Wert des Druckers anzugleichen. Zum Beispiel ich habe einen 300 dpi Drucker und scanne ein Bild in Schwarz weiß mit 300 dpi kein Problem aber sobald Graustufen oder gar Farben hinzukommen, kommt die Schwierigkeit, dann wird jeder weitere Punkt mit 4 Bildpunkten berechnet und das Bild würde z.B. doppelt so groß. Also müsste man ein Bild nur mit 150 statt 300 dpi einscannen. Oder "wenn es um ein Zielbild mit 255 Graustufen ginge. Bei einem 300 dpi Scan müsste das Bild anschließend um den Faktor 16 verkleinert werden. Das entspricht einem Dpi-Wert von 18,75. Wird das Bild gleich mit 18,75 dpi eingescannt, sinkt nicht nur die Bearbeitungszeit, sondern auch die Größe der Bilddatei. nämlich statt 8,7 MByte nur 545 KByte."

3.2 Filter

Beim Farbfilterverfahren wird die Vorlage in drei Scandurchgängen mit weißem Licht beleuchtet, und in jedem Durchgang wird den CCDs (Charged Coupled Device) ein anderer Farbfilter vorgesetzt (Rot, Grün und Blau). So erhält man die Farbanteile jedes einzelnen Punktes für Rot, Grün und Blau. Dieses Additive Farbmodell entspricht der Darstellungsweise der Bildpunkte auf dem Monitor. Additiv bedeutet, dass 100 Prozent jeder Grundfarbe Weiß ergibt. Es gibt nur wenige Scanner, die mit diesem Verfahren arbeiten, dass auch sehr langsam ist. Vor der CCD-Zeile ist eine aufwendige Mechanik positioniert. Bei älteren Scannermodellen war noch für jede Beleuchtungsfarbe ein "Balken" zuständig so konnte der Scannvorgang mit 100 dpi schon mal bis zu 10 Min dauern.

3.3 Prismen

Im dritten Verfahren arbeitet der Scanner 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 Filter auftreten können. Scanner die mit dieser Technik ausgerüstet sind, sind momentan weit verbreitet. Dieses Verfahren ist zwar technisch aufwendiger dafür ist nur ein Scandurchgang erforderlich und somit zeitsparender solange man die dpi Zahl im Bereich bis 600 bleibt, bei werten über 600 dpi kann es auch schon länger dauern bis der Scannvorgan abgeschlossen ist. Ein durchschnittlicher Scanndurchgang eines A4 Blatts dauert bei modernen Scannern mit USB Anschluss etwas 11 sek. und mit normalen Dualkabel 55 sek.

3.4 Bestes Scan Ergebnis

Um ein gutes Scan Ergebnis zu haben sollte man sich vor dem scannen erst einmal überlegen was man scannen möchte also Bilder oder Texte, schwarz weiß oder Farbe, und was es sonst noch alles für Möglichkeiten gibt. Als nächstes sollte man sich dann überlegen mit wie viel dpi ich mein z.B. Bild einzulesen habe. Damit der Drucker auf den gleichen Nenner kommt um so nicht nur ein gutes Scan Ergebnis zu haben sondern auch einen guten Ausdruck des Bildes. Dafür gilt die folgende Formel:

"Länge * Breite (Ausdruck) * Dpi-Wert (Drucker)

Dpi-Wert (Scanner) = -------- ----- ------ ----- ----- ---------------

Länge * Breite (Vorlage) * / Anzahl Graustufen +1"

3.5 CCD (Charged Coupled Device)

Die CCD -Sensoren sind das Herzstück z.B. eines Flachbettscanners. Sie sind die einzelnen Teile die das zu scannende Objekt beleuchten und so das Objekt erfassen können. Das funktioniert so: "CCD -Sensoren sind elektrooptische Bauteile, die den ankommenden Lichtstrom in Form einer Ladung in einem Kondensator festhalten. Diese wird durch eine Treiberschaltung von Element zu Element bis zu Auslesestation am Ende der Zeile übertragen. CCDs sind auf einem Baustein herstellbar. Um so weiter diese Entwicklung Fortschritt desto mehr dieser CCD Sensoren konnte man auf eine Zeile einbauen. Durch dieses System wird der Aufbau eines Scanner sehr vereinfacht. Allerdings birgt dieses System auch Nachteile z.B. gegenüber dem Trommelscanner, da zu viele Einzelsensoren unterschiedliche Empfindlichkeiten und Kennlinien haben. Wie viele CCDs in einem Scanner verbaut sind ist gleichzeitig die Bestimmung von dem Maximalen dpi Wert. Hat ein Scanner z.B. auf einem Zoll 600 solcher Sensoren angeordnet, so kann der Scanner eine maximale Auflösung von 600 dpi erreichen. Die Bilder werden also von Punkt zu Punkt erfasst und wieder zusammengesetzt. Durch Mathematische Tricks allerdings gelingt es immer weiter den dpi Wert zu verbessern. (siehe Interpolation 3.6)

3.6 Interpolation

Bei der Interpolation handelt es sich eben um einen dieser Mathematischen Tricks um den dpi Wert eines Scanners zu verbessern. Die Interpolation hat sowohl ihre Vorteile als auch ihre Nachteile. Um den dpi Wert zu steigern wird zwischen zwei tatsächlich vorhandenen Punkten einfach einer dazu gerechnet. Das heißt, dass der Rechner sich das stück was zwischen den Beiden CCD Sensoren liegt einfach denkt, also wenn er eine blaue Fläche scannt einen blauen Punkt und so weiter. Dadurch wird das Bild wesentlich "feiner". Ein großer Nachteil ist allerdings das, die im Original sehr feinen Strukturen zusammenfließen oder klobig wirken können.     

 Stark vergrößerte Scannansicht. Mittlerer Punkt wurde vom Rechner erdacht.

3.7 Kalibrierung

Bei der Kalibrierung handelt es sich um den Vorgang den Farbwert des Originals auf dem Bildschirm darzustellen. Das heißt ihn genauso ohne verblassen verdunkeln oder gar Farbänderungen zu zeigen. Im Professionellen Einsatz in großen Firmen ist das kein Problem da sie Spezialgeräte zur Kalibrierung haben. Aber leider sind diese sehr teuer und somit scheiden sie für den Heimbedarf aus. Deswegen muss am heimischen PC immer noch zur Farbpalette zurück gegriffen werden. Allerdings arbeiten die Hardware Hersteller an Grafikkarten die diese Aufgabe ganz übernehmen und das Kalibrieren automatisieren. Auch entsprechende Software für schon bestehende Grafikkarten werden weiterentwickelt. Um ein perfektes Ergebnis auf dem Bildschirm zu haben ist eine 'Gradationskurvenkorrektur' von Nöten aber dafür braucht man leider auch wieder sehr teure Zubehörgräte, die für den normalen Haushalt nicht erschwinglich sind.

3.8 Texterkennung

Zur Texterkennung über einen Scanner gehört mehr als nur der Scanner, man benötigt spezielle Software. Diese betrachtet sich den eingescannten Text ganz genau und hat fast alle bestehenden Schriftarten in seinem Speicher nun fängt die Software an zu suchen ob dieser Umriss oder diese Füllung irgendwo in seiner Datenbank vorhanden ist. Wenn er eine Buchstaben erfasst hat wandelt er diesen sofort um so das man ihn mit einem ganz normalen Textverarbeitungsprogramm Bearbeiten kann. Der Vorteil liegt klar auf der Hand, Texte die man sich geliehen hat und diese sind nicht in "PC Form" werden eingelesen und sind zur Bearbeitung bereit. Nachteil ist allerdings das sich Fehler einschleichen können, z.B. durch einen Verschwommenen Original - Buchstaben oder eine undeutliche Schriftart wie z.B. Algerian.

3.9 Scannermodi

Im Prinzip wird immer zwischen drei Scannermodi unterschieden, das ist einmal der "Bilevel - Modus, der Graustufen - Modus und der Echtgraustufen - Modus.

Im Bilevel - Modus können nur schwarz und weiß eingelesen werden, also ist er nicht für Urlaubsfotos oder ähnliches geeignet, sondern mehr für z.B. das einlesen von Faxen, Strichzeichnungen oder Bilder mit nur sehr wenig Graustufen. Um z.B. feine Linien einzulesen ist ein dpi Wert zwischen 450 und 500 der Beste. Im Graustufen - Modus passiert eigentlich das gleich wie beim Bilevel - Modus nur mit den Unterschied das, das Ditheringverfahren noch zusätzlich zum Einsatz kommt. Dieses Verfahren rührt eigentlich vom Drucker da dieser eigentlich keine Graustufen drucken kann. Beim Drucker werden die Punkte immer weiter verkleinert und nicht so viel Tinte abgegeben. Beim Scanner hängt es jedoch davon ab wie viel Licht reflektiert wird. Wenn das Licht auf das Blatt geworfen wird reagieren die CCDs auf die Reflektion, da die schwarzen Stellen mehr reflektieren und weniger Licht durchlassen reagieren sie stärker und die grauen Stellen lassen mehr Licht durch reflektieren also dementsprechend auch weniger. Im Echtgraustufen - Modus kann zwischen 23, 64 oder 256 Graustufen ausgewählt werden. Allerdings wäre die Auswahl mit 256 Graustufen nicht zu empfehlen da das Menschliche Auge nur 64 Graustufen unterscheiden kann. Der unterschied zu den anderen Verfahren liegt darin das die Graustufen nicht errechnet werden sonder sofort vorliegen. Nach dem gleichen Prinzip arbeitet auch der Farbscanner nur mit dem Unterschied das er für die Farben noch mit anderen Farben auf das Objekt leuchtet. Diese Scanner haben dann meist die "True color" Qualität (d.h. 24 Bit Farbtiefe = 16,8 Mio. Farben).

Quellen

Alle Verwendeten Bilder stammen von:

http://www.stefan.notorix.ch Pauls Scanner Page)Author : Stefan Notorix

Alle genanten Preise der Scanner und Zubehörpreise stammen von:

Zeitschrift "Computerfoto" Ausgabe März 2001 Author : Christoph Kühne

Zeitschrift "PC Welt" Ausgabe 5/2001 Chefradakteur: Michael Klein

Allgemeine Information zum Thema Scanner

http://www.heimrefarate.at , Stichwort Scanner Author : Unbekannt

http://www.wissen.de , Stichwort Scanner, Kurzerklärung.

http://www.datacom.ch , Pauls Scanner Page,

sowie Band I und III des Buchs " Mit Desktop-Scannern zum perfekten Bild"

Author: Addiso Wesley ISBN: 3 8273 1492 5

Versicherung

Ich versichere, das ich diese Arbeit selbständig verfasst und alle Zitate oder Sinngemäß übernommenen Quellen kenntlich gemacht habe.