Messung der Auflösung von Scannern

Die Auflösung eines Scanners ist ein entscheidendes Kaufkriterium. Schließlich hängt davon ab, wie viele Details man aus einer Vorlage heraus holt, wie groß die resultierenden Bilddateien werden und wie große Abzüge/Ausdrucke man von einem Scan machen kann bzw. wie stark man Ausschnitte eines Bildes vergrößern kann.

Moderne Flachbettscanner und Filmscanner strotzen nur so vor beeindruckenden Auflösungswerten. Ohne viel Geld ausgeben zu müssen erhält man bereits Geräte mit Tausenden von dpi Scan-Auflösung. Doch was ist von solchen viel versprechenden nackten Zahlen zu halten? Sind das nur theoretische Herstellerangaben oder werden diese Werte auch in der Praxis erreicht? Manche Hersteller sprechen von optischer Auflösung, andere von interpolierter Auflösung; Was sind die Unterschiede?

Dieses Kapitel bschäftigt sich voll und ganz mit dem Thema Auflösung von Scannern. Neben theoretischen Grundlagen und Erläuterungen wird ein Messverfahren vorgestellt, wie man die tatsächliche Auflösung seines Flachbett-Scanners oder Dia-Scanners messen kann.

Was bedeutet die Angabe der Auflösung in DPI?

Es gibt unzählige Varianten, die Auflösung eines Scanners oder eines Druckers anzugeben. DPI (dots per inch), PPI (points per inch), LPI (lines per inch), Linienpaare pro Millimeter etc. hört man immer wieder wenn es um Auflösungsangaben geht. Was bedeutet so eine Angabe und was kann man damit anfangen?

Im Bereich der Filmscanner, Flachbettscanner und Drucker ist die gebräuchlichste Angabe der Auflösung DPI. Die Abkürzung DPI steht für Dots Per Inch, also übersetzt Punkte pro Zoll. Ein Drucker mit der Auflösung 600 dpi vermag demnach 600 Punkte auf der Strecke eines Inches zu drucken.

1 Inch = 2,54 cm

Was kann man sich nun unter 600 dpi genau vorstellen? Inch ist ein amerikanisches Längenmaß; 1 Inch entspricht 2,54 cm. Teilt man die Auflösung von 600 dpi durch 2,54 cm so erhält man eine Auflösung von 236 Punkten pro cm. Unser Drucker druckt also 236 Punkte auf einer Länge von 1 cm bzw. 23 Punkte pro Millimeter.

Welche Bedeutung hat nun die Auflösung eines Scanners oder eines Druckers in der Praxis außer der Tatsache, dass ein Scan/Druck umso besser ist, je höher die Auflösung ist? Als Richtlinie gilt: Um einen qualitativ hochwertigen Ausdruck eines Bildes zu machen sollte die Auflösung mindestens 300 dpi betragen. 300 dpi bedeutet also 300 Punkte pro Inch, also 118 Punkte pro cm. In einem Quadrat der Kantenlänge 1 Inch sind also 300 x 300 = 90.000 Bildpunkte enthalten. Das entspricht 13.950 Bildpunkten auf einem cm². Während die Auflösung eines Bildes für einen qualitativ hochwertigen Ausdruck mindestens 300 dpi betragen sollte, reichen exakt 72 dpi für eine saubere Darstellung eines Bildes auf dem Bildschirm.

Wenn ein Drucker nicht eine Auflsöung von 300 dpi sondern von 600 dpi oder noch höher hat entspricht dies einer geringen Qualitätssteigerung. Noch viel höhere Auflösungen machen jedoch kaum Sinn, da das Druckergebnis durch die höhere Auflösung kaum besser wird und der Druckprozess deutlich langsamer wird; Ganz anders sieht die Sache bei Filmscannern aus. Würde man ein Kleinbild-Dia der Größe 24 x 36 mm mit exakt 300 dpi einscannen, so könnte man einen qualitativ hochwertigen Ausdruck in genau diesem Miniformat fabrizieren. Natürlich will niemand seine Dias als Briefmarken ausdrucken sondern starke Vergrößerungen machen. Soll aus einem Kleinbild ein Din A4-Ausdruck (21x29,7cm) mit der optimalen Auflösung von 300 dpi erstellt werden, so ist eine Auflösung von ca. 2.500 dpi notwendig.

Der Grundsatz, dass ein gestochen scharfes Bild eine Auflösung von 300 dpi haben sollte, basiert auf dem Auflösungsvermögen des menschlichen Auges: Bei einem normalen Betrachtungsabstand von 25 Zentimetern kann das Auge maximal 6 Linienpaare pro Millimeter differenzieren. 6 Linienpaare pro Millimeter bedeuten jedoch 12 abwechselnd schwarze und weiße Linien pro Millimeter; ein Inch besteht aus ca. 25 mm, so dass auf einem Inch 12 x 25 = 300 Linien differenziert werden können. Eine höhere Auflösung kann das menschliche Auge bei normalem Betrachtungsabstand also nicht mehr erkennen.

Welche Auflösung hat ein Kleinbild-Dia oder -Negativ?

Über die Frage, wie viele Bildpunkte aus einem Kleinbild herauszuholen sind, streiten sich die Gelehrten, Experten, Fotografen, Scan-Operateure und viele, die mit dem Thema Fotografie und Bildbearbeitung zu tun haben. Es ist einleuchtend, dass die Anzahl der Bildpunkte auf einem Kleinbild-Dia von der Art des Filmes abhängt. Ein Film mit 200 ASA ist selbstverständlich grobkörniger als ein Film mit 50 ASA; Auch innerhalb der jeweiligen Filmschnelligkeit gibt es Unterschiede zwischen den einzelnen Filmen.

Ein sehr guter Film vermag theoretisch auf der Fläche eines Kleinbildes 40-60 Millionen Punkte zu unterscheiden. Um diese einzelnen Punkte jedoch auch gezielt unterschiedlich belichten zu können muss sich der Film in einer hervorragenden Kamera mit einem exzellenten Objektiv davor befinden. Einfache Standard-Objektive schaffen es kaum, mehr als 10 Millionen Bildpunkte (entspricht 2800 dpi) auf ein Kleinbild-Dia zu bringen. Profi-Objektive oder Festbrennweiten-Objektive knacken die 20 Millionen Punkte-Grenze (entspricht 4000 dpi).

Für eine normale Kamera-Ausrüstung genügt also ein Scan mit 2800 dpi um ca. 10 Millionen Bildpunkte aus einem Kleinbild herauszuholen. Wer eine sehr hochwertige Ausrüstung und exzellente Filme verwendet kann mit einem 4000 dpi Scan ca. 20 Millionen Bildpunkte aus einem Kleinbilddia herausholen. Wozu gibt es dann Scanner mit 4000 dpi und noch mehr Auflösung? Macht es überhaupt Sinn, in so hohen Dimensionen zu denken?

Die Antwort ist ein eindeutiges JA. Beim Scannen eines Bildes treten nämlich Störeffekte auf wie Aliasing, Interferenzen etc. Diese hängen alle mit der Zwischenwirkung von verwendeter Scanner-Auflösung und tatsächlicher Bildauflösung zusammen. Je höher die Scan-Auflösung ist desto geringer sind derartige Störeffekte. Es macht also durchaus Sinn, eine Vorlage, die an sich nur eine Auflösung von 2500 dpi hat, mit 4000 dpi einzuscannen.

Theoretische Auflösung versus praktische Auflösung

Wer sich die Datenblätter von Film-Scannern und Flachbettscannern anschaut, wird von gigantischen Auflösungszahlen nur so geblendet. Flachbettscanner, die früher im Bereich zwischen 300 und 600 dpi gearbeitet haben, geben heutzutage Auflösungen über 3000 dpi an. Filmscanner arbeiten heute mit Auflösungen von 4000 dpi und noch mehr - Bereiche, die früher alleine raumgroßen Trommelscannern vorbehalten waren. Selbst einfachste Diascanner haben schon Auflösungen von zum Teil bis zu 7200 dpi in ihren Datenblättern stehen.

Man lässt sich allzu gerne von diesen nackten Zahlen blenden. Manch ein Käufer eines Scanners kauft sich sein Gerät nur nach dieser scheinbar messbaren Größe, ohne sich tiefere Gedanken zu machen, was es damit wirklich auf sich hat. Ich möchte an dieser Stelle unbedingt eine sehr wichtige Tatsache betonen:

Die Hersteller-Angaben zur Auflösung sind theoretische Werte, die nur von sehr hochwertigen Scannern in der Praxis erreicht werden.

Es kommt leider nicht selten vor, dass ein Hersteller einen Scanner mit einer Auflösung von 7200 dpi auf den Markt bringt, in der Praxis aber nicht einmal die halbe Auflösung erzielbar ist. Das hört sich doch nach Betrug am Kunden an, nicht? Was kann man dann überhaupt mit der Hersteller-Angabe anfangen? Ist bei einem Scanner angegeben, dass z.B. in Transportrichtung 3000 dpi erreicht werden, so bedeutet dies, dass der Transportmotor den CCD-Sensor in 3000 Einzelschritten pro Inch vorwärts bewegt. Ob der Sensor jedoch so fein ist, dass er auf der Strecke von 1 Inch wirklich 3000 verschiedene Bildzeilen unterscheiden kann, ist damit nicht gesagt. Man kann dies mit Tintenstrahldruckern vergleichen; Ein Drucker mit 600 dpi Auflösung muss nicht zwangsweise bessere Ausdrucke liefern als ein Gerät mit nur 300 dpi; die höhere Auflösung kommt nämlich nur dann zum Tragen, wenn die einzelnen Nädelchen auch so präzise arbeiten, dass 600 Bildpunkte pro Inch einzeln geprintet oder ausgelassen werden können.

Um etwas Licht in das Dunkel der Herstellerangaben bezüglich der Auflösung von Scannern zu bringen, beschäftigen sich die folgenden Unterkapitel mit einer Messmethode für die Auflösung von Scannern. Mit dem im folgenden beschriebenen Test-Chart ist es für jeden möglich, die Auflösung seines Scanners selbst zu messen.

Bestimmung der Scanner-Auflösung mit Hilfe eines Testbildes

Um die tatsächliche Auflösung eines Scanners zu messen verwendet man eine genormte Vorlage wie das USAF-1951 Test-Target. Ein Auflösungstest bei einem Scanner funktioniert dann ähnlich wie ein Sehtest bei einem Menschen: Auf dem Test-Target sind Muster, die von Element zu Element immer kleiner werden. Je kleiner das Element, das der Scanner noch "lesen" kann desto höher die Auflösung des Scanners.

Beim in den folgenden Kapiteln beschriebenen USAF 1951 Chart bestehen die einzelnen Elemente aus horizontalen und vertikalen Linienpaaren, die eine bestimmte Größe haben und auf ganz bestimmte Weise angeordnet sind. Vermag der Scanner die einzelnen schwarzen Linien vom weißen Hintergrund noch zu unterscheiden gilt das entsprechende Element als aufgelöst und dem Element entspricht eine ganz bestimmte Scanner-Auflösung in DPI.

Im Folgenden wird der Aufbau und die praktische Anwendung eines USAF-1951 Test-Targets im Detail beschrieben.

Das USAF-1951 Test-Target

Das USAF-1951 Testbild beeinhaltet eine Vielzahl immer kleiner werdender Standardelemente um die tatsächliche Auflösung eines Scanners zu messen. Die einzelnen Elemente sowie der Aufbau des Test-Targets sind gemäß MIL-STD-150A genormt; es handelt sich dabei um eine amerikanische Militär-Standard-Norm.

Ein Element auf dem Testtarget besteht aus 3 horizontalen und 3 vertikalen Linien ganz bestimmter Länge und Breite sowie von ganz bestimmten Abstand. Die einzelnen Linien sind 5 mal so lang wie breit; der Abstand zwischen zwei Linien entspricht genau der Breite einer Linie. In der nebenstehenden Skizze des Elements sind sämtliche Maße als Wert/x angegeben. Dabei ist x die Auflösung in Linienpaare pro Millimeter. Unter einem Linienpaar versteht man immer eine schwarze plus eine weiße Linie. Beispiel: Ist x = 1, so beträgt die Auflösung 1 Linienpaar pro Millimeter. Ein Element hat dann die Länge L = 2,5/x = 2,5mm und die Breite L = 0,5/x = 0,5mm.

Das USAF1951 Testbild besteht aus mehreren Gruppen, die mit fortlaufenden Nummern -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4... durchnummeriert sind. Jede Gruppe besteht aus 6 der oben beschriebenen Elemente mit

In der Tabelle erkennt man für das erste Element der Gruppe 0 eine Auflösung von x = 1 lp/mm. Man erkennt wie die Auflösung von Element zu Element um den Faktor 2^1/6 steigt. Das erste Element der Gruppe 1 hat demzufolge die doppelte Auflösung, also x = 2 lp/mm; die Breite und Länge einer einzelnen Linie sind entsprechend halb so groß wie beim entsprechenden Element der Gruppe 0; Nun alten wir diese Ergebnisse als Faustregeln zum Merken fest:

Das erste Element der Gruppe 0 hat eine Auflösung von 1 Linienpaar pro Millimeter. Von Gruppe zu Gruppe verdoppelt sich die Auflösung; die Größe der einzelnen Elemente halbiert sich. Innerhalb einer Gruppe steigt die Auflösung von Element zu Element um den Faktor 1,12.

Noch ein Wort zu den einzelnen Gruppen auf einem USAF-1951 Testchart: Bei den von mir verwendeten Test-Targets hat die größte Gruppe auf dem Target den Index 0, d.h. auf der Diavorlage hat ein schwarzer Streifen des größten Elements die Maße 2,5 x 0,5 mm. Die kleinste Gruppe hat den Index 7; damit sind Scan-Auflösungen bis zu 11586 dpi messbar. Es gibt auch andere Test-Targets mit anderen bzw. mehreren Gruppen. Auf einem Testtarget mit der Gruppe -2 hat ein schwarzer Balken des ersten Elements die Dimensionen 10 x 2 mm.

Anwendung des USAF-1951 Test-Targets

In der Praxis braucht man sich um den theoretischen Hintergrund und den mathematischen Zusammenhang zwischen den einzelnen Elementen nicht zu kümmern. Aus dem im vorigen Kapitel erläuterten mathematischen Zusammenhang lässt sich für die einzelnen Elemente in den einzelnen Gruppen des Targets eine Tabelle für die Scanner-Auflösung anlegen. In der folgenden Tabelle ist die Auflösung x in Linienpaare pro Millimeter angegeben. Von Element zu Element (in einer Spalte abwärts) erhöht sich die Auflösung um den Faktor 1,12. Von Gruppe zu Gruppe (in einer Zeile nach rechts) verdoppelt sich die Auflösung.

Tabelle 2: Auflösung in Linienpaare / Millimeter

Wie kommt man nun von der Angabe der Auflösung in Linienpaare pro Millimeter in DPI (Dots Per Inch)? Wie oben beschrieben kann man 1 Inch in 25,4 mm umrechnen. Die Werte in der obigen Tabelle müssen also mit 25,4 multipliziert werden. Eine weitere Multiplikation mit dem Faktor 2 ist notwendig, da ein Linienpaar definitionsgemäß immer aus zwei Linien besteht. Mit dem Umrechnungsfaktor von 50,8 erhält man also folgende Tabelle:

Tabelle 3: Auflösung in DPI

Um die Auflösung eines Film-Scanners oder eines Flachbett-Scanners zu bestimmen scannt man also ein USAF-1951 Testbild mit der höchsten Auflösung des Scanners ein und betrachtet die einzelnen Linienelemente. Kann der Scanner die drei schwarzen Linien gegenüber dem weißen Hintergrund noch auflösen, so findet man in der Tabelle zu dem entsprechenden Element die zugehörige Auflösung in DPI. Manche Scanner haben eine unterschiedliche Auflösung in horizontaler und vertikaler Richtung. Anhand der horizontalen und vertikalen Liniengruppen innerhalb eines Elementes kann man die horizontale und vertikale Scanner-Auflösung getrennt bestimmen.

Das USAF1951-Testtarget mit seinen einzelnen Elementen und der Berechnung der Auflösung ist genormt. Keine Vorschrift gibt es jedoch für die Analyse des Testscans. Es ist oft schwierig zu beurteilen, ob ein Element noch aufgelöst ist oder nicht. Meistens bleibt man an zwei Elementen hängen; der Auflösungsunterschied zwischen zwei Elementen beträgt 12%. Im halben Bereich, also 6%, spielt sich demnach die Ungenauigkeit bzw. die Auslegungssache des Verfahrens ab.

Kurzanleitung zur Auflösungsbestimmung mit dem Test-Target

Um die obigen Erläuterungen und mathematischen Erklärungen auf einen klaren Nenner zu bringen gibt es im folgenden eine Kurzanleitung wie man mit Hilfe eines USAF-1951 Test-Targets die tatsächliche Auflösung seines Scanners bestimmt:

• Scannen eines USAF-1951 Test-Targets in der höchsten Auflösung des Scanners. Alle Korrekturverfahren und Filter abschalten. Abspeichern des Scans im unkomprimierten TIF-Format.
• Öffnen des Scans im Bildbearbeitungsprogramm und Auswahl des Zoom-Faktors auf 100% Originalgröße.
• Analyse der einzelnen Elemente: Die drei schwarzen Linien müssen sich vom weißen Hintergrund abheben. Achtung: Der Scanner kann horizontal eine andere Auflösung als in vertikaler Richtung haben.
• Ablesen des DPI-Wertes aus Tabelle 3 für das Element, das im Bildbearbeitungsprogramm noch scharf dargestellt wird.

Ein USAF-1951 Test-Chart ist in unserem Filmscanner-Shop als ungerahmtes Transparent erhältlich. Das Transparent kann entweder direkt auf eine Glasplatte gelegt werden (Flachbettscanner, Glasbühne bei Filmscannern) oder in ein Kleinbild-DiaRahmen eingerahmt werden.

USAF-1951 Target-Scans mit unterschiedlichen Scannern

Auf unseren Scanner-Testbericht-Seiten sind für zahlreiche Scanner USAF-1951 Testscans enthalten. Es gibt hochwertige Filmscanner, die exakt die spezifizierte Auflösung halten, und es gibt andere Geräte, die nicht einmal 50% der Datenblatt-Auflösung in der Praxis erreichen. Preisgünstige Flachbettscanner mit Durchlichteinheit erreichen in der Praxis oftmals nur 30% der Nominalauflösung.

Um verschiedene Geräte miteinander vergleichen zu können geben wir auf unseren Testbericht-Seiten immer die effektive Auflösung der Scanner mit an, also die gemessene Auflösung, die der Scanner auch tatsächlich in der Praxis erreicht.

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