Dichte und Dichteumfang bei Scannern

Wer sich einen Scanner kauft, egal ob Filmscanner, Flachbettscanner oder Kombigerät, findet auf der Verpackung bzw. in den Herstellerangaben als erstes in der Regel die optische Auflösung als Markenzeichen bzw. Kaufentscheidungsmerkmal. Auf unserer Webseite Auflösung wird darüber ausführlich geschrieben und vor allem gewinnt man die Erkenntnis, dass die Herstellerangaben zum Teil nur wenig mit der tatächlichen Auflösung zu tun haben.

Als zweites Qualitätsmerkmal von Scannern findet man, zumeist etwas kleiner geschrieben, den Dichteumfang des Scanners; Während man mit der Auflösung jedoch direkt was anfangen und sich etwas Konkretes darunter vorstellen kann, ist der Dichteumfang ein Zahlenwert, den nur professionelle Anwender richtig interpretieren können, auch wenn der Laie kapiert, dass der Dichteumfang im unteren einstelligen Bereich liegt und der Scanner umso besser ist je größer der Zahlenwert ist. Ich vergleiche das mal mit den Merkmalen eines Autos: Während sich ein jeder unter der Angabe 100 PS ein Mega-Gespann aus 200 Pferden vorstellen kann, können sich die wenigsten unter der Drehmomenent-Angabe 170 Nm etwas vorstellen.

Nun ist der Dichteumfang bei Filmscannern jedoch nicht etwa ein eindeutiger Zahlenwert für dessen Umgang es klare Vorschriften gibt. Nein, jeder Hersteller verwendet diese Leistungsangabe auf eine andere Weise. Während der eine Hersteller den tatsächlichen Dichteumfang angibt, nennt der andere die maximale Dichte als gleichwertiges Merkmal, und wieder ein anderer gibt den Dichteumfang als Gesamtspektrum an, das sich gar nicht mit einem einzigen Scan erzielen lässt.

Der folgende Artikel soll dem technisch und physikalisch Interessierten Licht ins Dunkel von Dichte, Dichteumfang, Maximaldichte und Minimaldichte bringen. Ohne zu stark ins Wissenschaftliche abzudriften leite ich diese Begriffe und deren Bedeutung aus physikalischen Gegebenheiten her und stelle deren Bedeutung anschaulich dar. Auch wer den physikalischen Hintergrund überspringt soll durch Lektüre der darauf folgenden Kapitel eine klare Vorstellung davon gewinnen, was es mit diesen Begriffen rund um die Dichte zu tun hat, und was welche Zahlenwerte in der Praxis bedeuten.

Reflexion, Absorption und Transmission

Ehe wir uns dem Begriff der Dichte zuwenden müssen wir zunächst einige physikalische Grundlagen behandeln, die jedem aus dem Alltag bekannt sind. Es geht darum, was passiert, wenn Lichtstrahlen auf ein Medium bzw. einen Gegenstand treffen, speziell um die Effekte der Reflexion, Absorption und Transmission. Betrachten wir dazu ein einfaches Beispiel, das jeder aus dem heißen Sommeralltag her kennt: Ein Auto steht im Freien geparkt und Sonnenstrahlen treffen direkt aufs Fahrzeug, siehe nachfolgende Abbildung, bei der wir speziell die vordere Windschutzschreibe betrachten.

In der Abbildung erkennen wir drei Sonnenstrahlen, die auf die Frontscheibe treffen. Der Strahl mit der Nummer 1 wird vom Glas reflektiert. Wir kennen diesen Effekt, da wir zum Teil selbst von einer Autoscheibe außen geblendet werden, wenn die Sonne im entsprechenden Winkel auftrifft. Wir erleben auch diesen Effekt, wenn wir hinter einem Auto herfahren und die Sonne in dessen Heckscheibe so eintrifft, dass sie uns blendet. Man spricht in diesem Fall von Reflexion, zu deutsch Spiegelung. Treffen Lichtstrahlen auf eine Glasscheibe, wird ein Teil derer reflektiert. Physikalisch wird derjenige Anteil des gesamten einfallenden Sonnenlichtes, der reflektiert wird, mit Hilfe des sogenannten Reflexionsgrades bemessen. Der Reflexionsgrad ρ berechnet sich aus dem Verhältnis reflektierter Intensität I_R zu einfallender Licht-Intensität I₀.

Als Intensität bezeichnet man diejenige Strahlungsleistung, die durch eine bestimmte Fläche hindurch fließt. Mehr dazu siehe auf unserer Seite über Fotometrie. Man braucht sich mit diesem Begriff nicht weiter zu beschäftigen, um den Reflexionsgrad zu verstehen. Man merke sich einfach, dass der Reflexionsgrad denjenigen Anteil des einfallenden Lichtes bezeichnet, der vom Medium (von der Glasscheibe) reflektiert wird.

Betrachten wir nun den Lichtstrahl Nummer 2 in obiger Abbildung. Er trifft auf die Autoscheibe auf und wird von dieser absorbiert, d.h. quasi verschluckt. Wir kennen auch diesen Effekt aus dem Alltag, denn eine Windschutzscheibe heizt sich bei einfallender Sonnenstrahlung auf. Wir können auf der Frontscheibe zwar nicht wie auf der Motorhaube Spiegeleier braten, aber wir spüren eine deutliche Erwärmung, wenn wir unser Auto in praller Sonne stehen lassen. Verschluckt ein Medium wie eine Glasscheibe einfallende Energiestrahlen so spricht man in der Physik von Absorption. Den Quotienten aus absorbierter Lichtstrahlung I_A zu der gesamten einfallenden Lichtstrahlung I₀ bezeichnet man als Absorptionsgrad α. Er gibt an welcher Anteil der auf die Windschutzscheibe auftreffenden Lichtstrahlen von dieser verschluckt wird.

Schließlich betrachten wir in obiger Abbildung den Lichtstrahl Nummer 3. Er driftet durch die Windschutzscheibe hindurch und trifft irgendwo im Fahrzeug-Inneren auf. Den Effekt solcher Lichtstrahlen kennen wir natürlich vom Alltag insofern, dass es im Fahrzeuginnenraum hell ist, man spricht ja schließlich von Fenstern... In der Physik spricht man bei Lichtstrahlen, die von einem Medium durchgelassen werden, von Transmission. Der Quotient aus durchgelassener Lichtintensität I_T zur gesamten einfallenden Lichtintensität I₀ wird als Transmissionsgrad τ bezeichnet. Der Transmissionsgrad gibt also an, welcher Anteil des einfallenden Lichtes vom Medium durch dieses hindurchgelassen wird.

Nun haben wir die drei Kennzahlen Reflexionisgrad ρ, Absorptionsgrad α und Transmissionsgrad τ kennengelernt. Der Wertebereich jeder dieser Kennzahlen liegt zwischen 0 und 1. Ein Reflexionsgrad von 0 bedeutet zum Beispiel, dass überhaupt kein Licht reflektiert wird, während ein Reflexionsgrad von 1 bedeutet, dass sämtliches Licht vom Medium reflektiert wird. In der Natur tauchen die Extrem-Zahlenwerte 0 und 1 praktisch nie auf, vielmehr Zahlenwerte wie 0,0001 oder 0,9999.

Ein Lichtstrahl, der auf ein Medium trifft, wird von diesem also entweder reflektiert (gespiegelt), absorbiert (verschluckt) oder transmittiert (durchgelassen). Demzufolge ist die Summe aus Reflexionsgrad ρ, Absorptionsgrad α und Transmissionsgrad τ stets 1, was nebenstehende Gleichung nochmals mathematisch wiedergibt. Fassen wir die wichtigen Ergebnisse dieses Unterkapitels zum Abschluss nochmals zusammen:

Licht wird beim Auftreffen auf ein Medium entweder reflektiert, absorbiert oder transmittiert. Der Anteil der reflektierten, absorbierten und durchgelassenen Strahlung wird mit den Quotienten Reflexionsgrad, Absorptionsgrad und Transmissionsgrad beschrieben.

Abschließend möchte ich der Vollständigkeit halber noch erwähnen, dass man obige Summenformel noch um einen Dissipationsgrad erweitern könnte. Uns interessiert im Folgenden aber ohnehin nur noch die Lichtdurchlässigkeit eines Materials, also dessen Transmissionsgrad. Reflexion, Absorption und evtl. noch Dissipation fassen wir zur Lichtundurchlässigkeit zusammen.

Opazität (Lichtundurchlässigkeit)

Im vorigen Kapitel haben wir die Grundbegriffe Reflexion, Absorption und Transmission kennengelernt. Auch wenn wir diese physikalischen Phänomene vielleicht zum ersten Mal im Leben formelmäßig beschrieben haben, sind uns die Effekte und Begriffe aus dem Lebensalltag bekannt und geläufig. In diesem Kapitel müssen wir uns einen neuen Begriff aneignen, der sicher 99% aller Leser gänzlich unbekannt ist; Es geht um die Lichtundurchlässigkeit eines Stoffes, die als Opazität bezeichnet wird; Aber der Reihe nach.

Im vorigen Kapitel haben wir gelernt, dass der Transmissionsgrad τ angibt, welcher Anteil des einfallenden Lichtes von einem Medium durchgelassen wird. Ein Transmissiosngrad von 1 bedeutet, dass 100% der einfallenden Lichtmenge durchgelassen wird; ein Transmissionsgrad von 0 hingegen bedeutet 0% Transmission, also überhaupt nichts wird durchgelassen. Der Transmissionsgrad ist also ein Gradmesser für die Lichtdurchlässigkeit eines Stoffes. Nehmen wir den Kehrwert des Transmissionsgrades, dann erhalten wir einen Gradmesser für die Lichtundurchlässigkeit oder Trübung eines Mediums, und genau diese wird als Opazität bezeichnet. Das zugehörige Adjektiv ist opak und stammt vom lateinischen Wort opacus (zu deutsch schattig).

Die Opazität O berechnet sich also aus dem Kehrwert des Transmissionsgrades τ. Ein zu 100% lichtdurchlässiger Stoff (τ=1) hat demnach eine Opazität O=1. Lässt ein Stoff nur 10% der einfallenden Lichtmenge durch, ist sein Transmissionsgrad τ=0,1 und die Opazität demnach der Kehrwert O=1/0,1=10. Lässt ein material nur 1% der einfallenden Lichtintensität durch sich hindurch, ist sein Transmissionsgrad 0,01, seine Opazität hingegen 100. Die nachfolgende Tabelle zeigt diesen Zusammenhang für eine Reihe von Zahlenwerten gegenübergestellt.

Transmissionsgrad τ (Lichtdurchlässigkeit)	Durchgelassener Lichtanteil	Opazität (Lichtundurchlässigkeit)	Farbe (Diarahmen)
1	100%	1
0,1	10%	10
0,01	1%	100
0,001	0,1%	1.000
0,0001	0,01%	10.000
0,00001	0,001%	100.000

Tabelle 1: Zusammenhang zwischen Transmissionsgrad und Opazität

Die Tabelle zeigt in der letzten Spalte noch Diarahmen-Symbole, die die zur jeweiligen Opazität zugehörige Farbe symbolisieren soll. Ein Dia mit der Opazität 1 lässt sämtliches einfallende Licht hindurch; dieser Fall ist mit einem ungerahmten Diarahmen symbolisiert, d.h. das einfallende Licht trifft auf kein Hindernis und dringt ungestört hindurch. Eine Opazität von 10 bzw. kleiner entspricht einer extrem hellen Filmfläche (weißes Bild). Hellgraue Bildelemente haben eine Opazität im Bereich von 100; bis 1000 gehen die dunklen Grautöne, und im Zehntausenderbereich liegen bereits Schwarztöne, die sich in ihrer Dunkelheit kaum noch unterscheiden lassen. Fassen wir unsere Erkenntnisse dieses Kapitels nochmals zusammen:

Die Opazität ist ein Maß für die Lichtundurchlässigkeit eines Stoffes. Die Opazität hat einen Minimalwert von 1, wenn der Stoff 100% lichtdurchlässig ist, und der Wert der Opazität geht gegen unendlich je undurchlässiger der Stoff ist.

Dichte, Dichteumfang, Minimaldichte, Maximaldichte

Nachdem wir nun im vorigen Kapitel den Begriff der Opazität und deren Bedeutung gelernt haben, ist es nur noch ein kleiner Schritt, um den Begriff der Dichte (englisch density) zu verstehen. Die Dichte berechnet sich nämlich direkt aus der Opazität, indem man deren Zehner-Logarithmus nimmt, siehe nebenstehende Formel. Welchen Vorteil die Verwendung des Logarithmus hat erkläre ich weiter unten, zunächst aber einmal zu einigen Zahlenwerten und deren Berechnung.

Eine Opazität von 1 bedeutet, dass 100% des einfallenden Lichtes durch das Material hindurchgelassen wird. Der 10er-Logarithmus von 1 ist 0, d.h. so ein Material hat die Dichte 0, siehe in der nachfolgenden Tabelle die erste Zeile. Einer Dichte von 0 entspricht ein Material, dass dem Licht keinen Widerstand bietet, also nichts absorbiert und auch nichts reflektiert. In einem Scanner entspricht das einem leeren Diarahmen (siehe Rahmensymbol in der ersten Zeile). Ein Diarahmen mit einem ganz hellen Bild lässt mit einer Opazität von 10 ungefähr 10% des einfallenden Lichtes durch; die entsprechende Dichte berechnet sich zu 1. Einer Opazität von 100 (1% des Lichtes wird transmittiert) entspricht eine Dichte von 2, u.s.w. Die Dichteskala ist also linear und beginnt mit dem Wert 0. Halten wir die Definition der Dichte nochmals fest:

Die Dichte berechnet sich aus dem Logarithmus der Opazität. Ein vollkommen lichtdurchlässiges Material hat eine Dichte von 0. Je größer die Dichte eines Material ist desto lichtundurchlässiger ist es. Ab einer Dichte von 5 kann man von einem quasi völlig lichtundurchlässigen Material sprechen.

Transmissionsgrad τ (Lichtdurchlässigkeit)	Durchgelassener Lichtanteil	Opazität (Lichtundurchlässigkeit)	Dichte	Farbe (Diarahmen)
1	100%	1	0
0,1	10%	10	1
0,01	1%	100	2
0,001	0,1%	1.000	3
0,0001	0,01%	10.000	4
0,00001	0,001%	100.000	5

Tabelle 2: Zusammenhang zwischen Transmissionsgrad, Opazität und Dichte

Nun kennen wir den Begriff der Dichte als Maß für die Lichtundurchlässigkeit eines Stoffes. Kommen wir nun zu den Begriffen Maximaldichte, Minimaldichte und Dichteumfang. Betrachten wir dazu das folgende Bild. Es handelt sich um einen Wasserfall auf Mauritius, den ich schräg gegen die Sonne aufgenommen habe. Da die Sonne nicht von hinten kommt erscheinen die Felsen sehr dunkel und die Wolken am Himmel extrem hell. Die hellste Stelle des Bildes befindet sich irgendwo in den weißen Wolken, die dunkelste Stelle im Felsen auf der linken Seite. Wenn ich nun dieses Dia in einen Diarahmen einrahme und Licht von einem Projektor oder Scanner hindurchlasse, werde ich feststellen, dass an den Stellen bei den hellen Wolken ca. 10% des einfallenden Lichtes und bei den Stellen an den dunklen Felsen ca. 0,3% des einfallenden Lichtes durchgelassen wird. An der hellsten Stelle hat mein Dia also eine Dichte von ungefähr 1; diesen Wert bezeichnet man als Minimaldichte D_min. An der dunkelsten Stelle hat mein Dia ein Dichte von ungefähr 2,5; diesen Wert bezeichnet man als Maximaldichte D_max. Aus der Differenz zwischen Maximaldichte D_max und Minimaldichte D_min lässt sich der Dichteumfang D des Bildes berechnen. Unser Bild hat also einen Dichteumfang von D = D_max- D_min = 2,5 - 1 = 1,5.

Veranschaulichen wir uns nochmals unsere Zahlenwerte: Wenn wir ein ungerahmtes Dia verwenden ist es vollkommen lichtdurchlässig, was einer Dichte von 0 entspricht; Rahmen wir obiges Bild in einen Diarahmen, dann ist das Dia je nach Bildhelligkeit an unterschiedlichen Stellen unterschiedlich lichtdurchlässig. In den Bereichen der hellen Wolken lässt es noch am meisten Licht durch; das Dia hat hier eine Minimaldichte von ungefähr 1,0. In den Bereichen der dunklen Felsen lässt es am wenigsten Licht durch; das Dia hat hier seine Maximaldichte von ungefähr 2,5. Dazwischen gibt es praktisch alle Abstufungen zwischen 1,0 und 2,5. Aus der Differenz von Maximaldichte und Minimaldichte ergibt sich für das Dia der Dichteumfang von ca. 1,5. Würden wir in das Dia ein schwarzes Metallplättchen einrahmen, wäre es quasi völlig lichtundurchlässig; seine Dichte hätte dann einen Wert von 5 oder noch höher. Fassen wir diese Erkenntnisse nochmals in einem grauen Kasten zusammen:

Ein Bild hat an seiner hellsten Stelle seine Minimaldichte D_min und an seiner dunkelsten Stelle seine Maximaldichte D_max. Der Dichteumfang des Bildes berechnet sich aus der Differenz von Maximaldichte und Minimaldichte. Bei Filmen bzw. Fotos spricht man anstatt von Dichteumfang oft auch von Kontrastumfang.

Die ganze Herleitung der Definition der Dichte mit Transmission, Opazität, Logarithmus etc. braucht man sich nicht zu merken. Wichtig ist, dass man die Begriffe Dichte, Minimaldichte, Maximaldichte und Dichteumfang unterscheiden kann. Und wichtig ist, dass man einige Anhaltswerte für Dichte-Werte kennt: Man merkt sich am Besten, dass eine Dichte von 0 für völlige Transparenz steht während eine Dichte von 5 aufwärts für völlige Undurchlässigkeit (Schwärze) steht. In den Bereichen zwischen 0 und 1 befinden sich sehr helle Weiß-Töne, zwischen 1 und 2 helle Grau-Tonwerte, zwischen 2 und 3 mittlere Grau-Ton-Werte, zwischen 3 und 4 dunkle Grau-Töne und zwischen 4 und 5 dunkle Schwarz-Töne.

Offen bleibt noch die Frage, warum man mit der logarithmischen Dichte und nicht direkt mit der Opazität umgeht. Anschaulich lässt sich sagen, dass man mit einer linearen Dichteskala für jeden Grau-Bereich (siehe vorigen Absatz) eine Dichte-Ziffer hat. Ein Dichteumfang von 1,5 wie im obigen Bild entspricht dann eben 1,5 solcher Bereiche. Mit einer Maximaldichte von 2,5 und einer Minimaldichte von 1,0 tut man sich leichter als mit einer Maximal-Opazität von 316 und einer Minimal-Opazität von 10 bzw. einer Differenz von 306. Einer Dichte-Differenz von 1 entspricht ungefähr 3 Blendenstufen bei einer Kamera, unabhängig in welchem Dichte-Bereich wir uns befinden. Bei der Opazität entspricht eine Differenz von 50 bei kleinen Werten eine komplett anderen Bild, bei sehr großen Werten hat sie praktisch keine Auswirkung.

Dichteumfang bei Scannern

Im vorigen Kapitel haben wir anhand eines Beispiels (siehe Abbildung 2) gelernt, dass eine Vorlage von seiner hellsten bis zu seiner dunkelsten Stelle einen gewissen Dichteumfang hat. Bei Filmmaterial, Fotos oder Digitalbildern spricht man auch vom Kontrastumfang des Bildes. Schlagen wir nun noch die Brücke zum Dichteumfang von Filmscannern und Flachbettscannern. Ein Scanner verarbeitet Lichtsignale, die auf seinem CCD-Chip bzw. seiner CCD-Zeile auftreffen. In der Abbildung 3 ist das Innenleben eines Scanners schematisch dargestellt: Eine Lichtquelle (zum Beispiel ein Set aus roter, grüner und blauer LED) durchstrahlt eine Filmvorlage (ein Dia oder ein Negativ), und dahinter treffen die durchgelassenen Lichtsignale auf den CCD-Elementen auf. Dazwischen ist wie in einer Kamera (Objektiv) eine mehr oder weniger aufwändige Optik geschaltet. Die Zeichnung macht deutlich klar, warum man bei Filmmaterial von Durchsichtsvorlagen spricht. Das Dia hat einen gewissen Kontrastumfang, zum Beispiel 0, wenn es ungerahmt ist, 0,5 bis 3,5 bei normalen Dias oder gar 5, wenn es quasi lichtundurchlässig ist. Was aber misst der CCD-Sensor bzw. das komplette System in einem Scanner bestehend aus Lichtquelle, Optik und CCD-Zeile?

In einem idealen Scanner reicht der Messbereich von einer Minimaldichte 0 bis zu einer unendlich großen Maximaldichte; der Dichteumfang wäre unendlich. So einen Scanner gibt es natürlich nicht. Vielmehr deckt ein Scanner einen gewissen Dichtebereich ab, siehe nachfolgende Abbildung 4: In der Abbildung 4 zeigt der obere Balken eine Dichteskala von 0 bis 5. Wir haben gelernt, dass eine Dichte von 0 praktisch vollkommener Transparenz entspricht, während eine Dichte von 5 praktisch Lichtundurchlässigkeit bedeutet. Im Balken darunter ist der Dichteumfang eines preisgünstigen Scanners eingezeichnet. Er reicht von 1 bis 4. Das bedeutet, dass dieser Scanner nur Dias verarbeiten kann, die Bildinformationen im Bereich von 1 bis 4 haben. Extrem überbelichtete Bilder haben Dichten im Bereich von 0,5 bis 1,0. Diese kann unser Scanner NICHT mehr voneinander unterscheiden. In Abbildung 4 habe ich diesen Sachverhalt durch den linken hellgrauen Balken (L = Lichter) dargestellt. Alles was unterhalb der Minimaldichte des Scanners liegt wird gleich behandelt. Zwischen dem hellsten Weiß und einem sehr hellen grau innerhalb einer Wolke macht der Scanner also keinen Unterschied.

Gleiches gilt für sehr dunkle Bildbereiche: Ist ein Bild stark unterbelichtet oder enthält es große Schattenpartien, dann liegen diese Bildbereiche im Dichtebereich zwischen 4,0 und 5,0. Der Scanner kann diesen Bereich jedoch nicht mehr differenzieren. Alles was dunkler als das Dunkelgrau an der Maximaldichte 4 ist wird gleich behandelt. Der Scanner kann also zwischen einem dunklen Schwarz und einem sehr dunklen Grau nicht mehr unterscheiden. In der Abbildung 4 habe ich deshalb den einheitlichen Dichtebereich zwischen 4 und 5 mit S für Schatten gekennzeichnet.

Betrachten wir Abbildung 5, um diesen Sachverhalt nochmals näher zu verdeutlichen. Unser Scanner habe eine Minimaldichte von 1 und eine Maximaldichte von 4, also einen Dichteumfang von 3. Dieser Scanner soll nun drei Bilder scannen, ein sehr helles überbelichtetes Bild, ein normales Bild und ein zu schwach belichtetes Bild. Den Kontrastbereich des überbelichteten Bildes verdeutlicht der erste Balken mit einer Minimaldichte von 0,5 und einer Maximaldichte von 3. Unser Scanner kann in diesem Bild die extrem hellen Bildpartien nicht voneinander unterscheiden. Alle Bildpartien, die im Kontrastbereich zwischen 0,5 und 1 liegen, werden gleich behandelt und nicht mehr untereinander abgestuft.

Den Kontrastbereich des normal belichteten Bildes zeigt der zweite Balken mit einer Minimaldichte von 1,3 udn einer Maximaldichte von 3,7. Unser Scanner kann dieses Bild in allen Bereichen perfekt scannen, d.h. er kann den vollen Kontrastbereich des Bildes wiedergeben; Nicht so jedoch beim stark unterbelichteten Bild, das der dritte Balken zeigt: Mit einer Minimaldichte von 2 und einer Maximaldichte von 4,5 übersteigt es den Dichteumfang unseres Scanners. Der verwendete Scanner kann also die extrem dunklen Bildpartien im Bereich zwischen 4 und 4,5 nicht mehr voneinander unterscheiden und macht sie alle gleichfarben.

Fazit: Der Dichteumfang eines Scanners sollte so groß wie möglich sein, damit er den Kontrastumfang unterschiedlicher Vorlagen vollständig wiedergeben kann. Ein Scanner mit einem zu geringen Dichteumfang schneidet die extrem hellen Lichter von sehr hellen Vorlagen bzw. die sehr dunklen Schatten von sehr dunklen Vorlagen ab bzw. kann sie nicht voneinander unterscheiden.

Ein Scanner hat eine bestimmte Minimaldichte und eine bestimmte Maximaldichte sowie den sich daraus ergebenden Dichteumfang. Innerhalb dieses Bereiches kann er alle Farbtöne einer Vorlage vollständig erfassen; Farbtöne außerhalb des Dichtebereiches werden vom Scanner nicht erkannt bzw. abgeschnitten.

Dem aufmerksamen Leser dürfte jetzt auch klar geworden sein, dass es bei einem Scanner nicht alleine auf den Dichteumfang sondern auch auf die Minimaldichte bzw. Maximaldichte ankommt. Ein Dichteumfang von 3,0 ist zum Beispiel nur dann akzeptabel, wenn er im Bereich zwischen 0,5 und 3,5 liegt. Liegt er hingegen zwischen 1,5 und 4,5 ist der Scanner für helle Vorlagen völlig ungeeignet. Im anderen Extremfall könnte so ein Scanner keine dunklen Fotos ordentlich scannen, wenn sein Dichteumfang zwischen 0,0 und 3,0 läge.

Ein Top-Filmscanner wie zum Beispiel die Nikon-Geräte haben einen Dichteumfang von über 4 und können damit einen großen Dynamikbereich von sehr hellem bis sehr dunklen Filmmaterial erfassen. Einige andere Fabrikate geben als Dichteumfang die Maximaldichte an; der Dichteumfang reduziert sich bei diesen Geräten um die Minimaldichte. Warum die Hersteller keine präzisen Angaben machen liegt wahrscheinlich an der Marketing-Strategie. Der unerfahrene Käufer vergleicht verschiedene Dichte-Zahlen und denkt je größer desto besser. Derjenige, der diesen Artikel gelesen hat, weiß nun was die unterschiedlichen Herstellerangaben tatsächlich bedeuten.

Zusammenhang zwischen Dichteumfang und Blendenstufen

In unserer obigen Herleitung haben wir Dichtewerte bzw. den Dichteumfang als Zahlenwert kennengelernt, der einen niedrigen einstelligen Wert hat. Bei Diascannern wird der Dichteumfang als solcher Wert, z.B. 3,8 oder 4,2 angegeben. In der Fotografie werden jedoch weniger solche Dichtewerte als vielmehr Begriffe wie Objektkontrast oder Blendenstufen verwendet. Im möchte im folgenden kurz den Zusammenhang zwischen den Begriffen herstellen.

In der Tabelle 2 ist der Zusammenhang zwischen durchgelassenem Lichtanteil, der Opazität und der Dichte aufgetragen. Aufgrund der logarithmischen Berechnung der Dichte bedeutet eine Dichtedifferenz einer Verzehnfachung der durchgelassenen Lichtmenge. 3 Dichtepunkte bedeuten gar eine Vertausendfachung der Lichtmenge.

Beim Fotografieren verwendet man genormte Blendenwerte; eine Stufe von einer Blende zur nächsten (zum Beispiel von Blende 5,6 auf 4) zeichnet sich dadurch aus, dass sich die Lichtmenge, die auf den Film bzw. auf den CCD-Chip trifft, verdoppelt. Man spricht daher auch von einem Objektkontrast von 1:2.

Einer Verdopplung der Lichtmenge entspricht also ein Kontrastverhältnis von 2, was wiederum eine Dichtedifferenz von ungefähr 0,3 ergibt. 10 Blendenstufen entsprechen einer 2¹⁰-fachen Verdopplung der Lichtmenge, also einem Kontrastverhältnis von 1024; dies entspricht ungefähr 3 Dichten (1000-fache Lichtmenge). Die nebenstehende Tabelle 3 zeigt den Objektkontrast zur zugehörigen Blendenstufe sowie den dazu entsprechenden Dichteumfang. Der Dichteumfang erhöht sich von Blendenstufe zu Blendenstufe um den Wert 0,3. Dies ist ein gerundeter Wert, denn das Kontrastverhältnis von 1:1024 bei 10 Blendenstufen entspricht bei korrekter Berechnung D = log(1024) = 3,01. Der Dichteumfang erhöht sich also bei korrekter Berechnung pro Blendenstufe um 0,301. Merken wir uns aber ganz einfach folgendes:

Ein Dichteumfang von 0,3 entspricht einem Kontrastverhältnis von 1:2, was in der Fotografie genau einer Blendenstufe entspricht.

Moderne Top-Digitalkameras können ein Kontrastverhältnis von 1:1024 erfassen, haben also einen Dichteumfang von 3,0, was 10 Blendenstufen entspricht. Dazu jedoch mehr im nächsten Kapitel.

Dichteumfang von einigen Medien und Geräten (Praxis)

Nun haben wir genügend Theorie und Grundlagen über die Begriffe Dichte, Minimaldichte, Maximaldichte, Dichteumfang, Kontrastverhältnis, Objektkontrast und Blendenstufen gelernt, so dass wir das Gelernte auf die Praxis anwenden können. Zunächst möchte ich mit einigen Zahlenwerten für unterschiedliche Medien (Filme, Vorlagen) und Geräte (Scanner, Kameras) beginnen, damit man eine Vorstellung bekommt, in welchem Wertebereich sich wichtige Vorgänge im Bereich der Fotografie und des Scannens abspielen.

In der nebenstehenden Tabelle 4 habe ich den Dichteumfang von Vorlagen und Geräten sowie die der Dichte entsprechenden Blendenstufen aufgelistet. Die nachfolgende Abbildung 6 veranschaulicht die gleichen Informationen grafisch anhand unserer schon bekannten Dichteskala von 0 bis 5. Während in der Tabelle 4 der Dichteumfang nur größenmäßig aufgelistet ist, ist dieser in Abbildung 5 auch bereichsmäßig dargestellt, d.h. in der Abbildung erkennt man nicht nur den Dichteumfang sondern auch die jeweils zugehörige ungefähre Minimaldichte und Maximaldichte. Aber interpretieren wir nun zuerst den Dichteumfang von Fotomaterial. Aufsichtsvorlagen haben einen sehr geringen Dichteumfang von maximal 1,5 (5 Blendenstufen); das ist einleuchtend, denn Papier vermag keine hohen Kontraste vermitteln. Ein Diafilm hat hingegen einen Kontrastumfang von ungefähr 2,4, das entspricht 8 Blendenstufen. Der um ca. 0,9 größere Dichteumfang gegenüber einem Papierfoto bedeutet, dass ein Dia 10 mal lichtempfindlicher ist als ein Papierfoto. Auch dies ist einleuchtend, vermag man mit einem Diaprojektor doch bei einem dunklen Dia den Projektionsraum in totale Dunkelheit zu versetzen während der Raum bei einem sehr hellen Dia doch stark erleuchtet wird.

Der Dichteumfang eines Negatives beträgt ungefähr 3,6, was 12 Blendenstufen entspricht. Ein Negativfilm hat also einen weitaus größeren Objektkontrast als ein Diafilm. Auch dies ist denjenigen Fotografen bekannt, die schon mit beiden Filmen analog fotografiert haben, denn bei einem Diafilm wirken sich Belichtungsfehler viel gravierender aus als bei einem Negativfilm. Mit anderen Worten: Ein Negativfilm verzeiht dem Fotografen mehr Fehler als ein Diafilm.

Moderne Digitalkameras haben einen Kontrastumfang von 7 bis 10 Blenden, was einem Dichteumfang zwischen 2 und 3 entspricht. Einen Objektkontrast von 10 oder leicht höher erreichen jedoch nur professionelle digitale Spiegelreflexkameras; kompakte Low-Price Einsteigermodelle liegen im Bereich von 7 oder eher darunter.

Kommen wir zu Flachbettscannern, Filmscannern und Trommelscannern. Was müssen diese Geräte leisten, um die jeweiligen Vorlagen perfekt zu scannen? Bildlich gesprochen muss der jeweilige Balken des Scanners in Abbildung 6 denjenigen Balken der zu scannenden Vorlage einschließen. Bei einem Flachbettscanner ist dies eine einfache Aufgabe. Um Aufsichtsvorlagen mit einem Dichteumfang von maximal 1,5 zu digitalisieren, reichen ganz einfache Flachbettscanner, die oftmals einen Dichteumfang von nicht einmal 2 erreichen.

Flachbettscanner haben einen sehr geringen Dichteumfang (oftmals kleiner 2), da die zu scannenden Aufsichtsvorlagen einen Dichteumfang von kleiner 1,5 haben.

Wer sich wundert, warum viele Flachbettscanner mit integrierter Durchlichteinheit so schlechte Ergebnisse beim Scannen von Dias und Negativen liefern, findet die Antwort im Kontrastumfang von Filmmaterial. Während der Kontrastumfang typischer Flachbettscanner im Bereich von 2,0 für Papiervorlagen völlig ausreicht, werden für Dias und Negative Dichteumfänge von 3 bis 4 benötigt, um den vollen Bildkontrast zu erfassen. An dieser Aufgabe scheitern Flachbettscanner mit Durchlichteinheit oft völlig. Die Lichter werden dann ausgefressen, die Schatten laufen zu, d.h. helle Stellen im Bild sind alle gleich hell und dunkle Stellen im Bild sind alle gleich dunkel, auch wenn es eigentlich auf dem Original signifikante Nuancen in den Lichtern und Schatten gibt.

Filmscanner haben von Haus aus einen größeren Dynamikumfang. Bereits preisgünstige Einsteigermodelle haben einen Dichteumfang von knapp 3, während die Top-Modelle einen Dichteumfang von über 4 erreichen. Damit lässt sich der volle Dynamikumfang von Dias und Negativen erfassen, und eine sehr gute Bildqualität ist das Resultat. Toppen lassen sich diese Ergebnisse nur noch von sündhaft teuren Trommelscannern, deren Dichteumfang zum Teil bis 5 reicht.

Filmscanner haben einen Dichteumfang im Bereich von 3 bis 4 und sind daher in der Lage den hohen Kontrastumfang von Dias und Negativen vollständig zu erfassen.

Achtung! Objektkontrast ist nicht gleich Motivkontrast!!!

Die obige Abbildung 5 scheint einen komplizierten Sachverhalt, nämlich unterschiedliche Kontrastverhältnisse von Vorlagen/Filmen und Kameras/Scannern, ganz einfach zu machen. Aber ich möchte noch auf einige Effekte und Vorgehensweisen hinweisen, die das ganze doch etwas komplizierter machen als es zunächst scheint. Zum Beispiel suggeriert die Übersichtsgrafik in Abbildung 6 im vorigen Kapitel, dass eine Digitalkamera, deren Maximaldichte bei 3,5 liegt, keine Motive erfassen kann, die noch dunkler sind, als zum Beispiel eine Dichte von 4 haben. Dem ist aber nicht so!

Veranschaulichen wir uns zunächst einmal, wie man mit einer Digitalkamera eine ganz normale, harmlose Landschaft fotografiert. Abbildung 7 zeigt den Objektkontrast einer einfachen Digitalkamera im Bereich zwischen 1 und 3,5 dargestellt. Die zu fotografierende Landschaft habe einen Motivkontrast von 1,3 bis 3,0. Das Motiv lässt sich also ganz normal mit einer Standard-Belichtung auf den Film bzw. auf den Chip bringen. Das Motiv scheint also ideal auf unsere Digitalkamera zugeschnitten zu sein, bzw. umgekehrt. Wie kommt diese Kamera jedoch mit einem sehr dunklen Motiv zurecht, das zum Beispiel bei Dämmerung oder Dunkelheit fotografiert wird?

Betrachten wir dazu die Abbildung 8. Unser Nachtmotiv liege in einem Dichtebereich zwischen 2,5 und 4,0, also eigentlich jenseits unserem Kamerabereich. Da der Motivkontrast mit einem Wert von 1,5 jedoch deutlich geringer ist als unser Objektkontrast der Kamera mit 2,5 lässt sich unser Nachtmotiv ganz einfach durch eine längere Belichtung auf unseren CCD-Chip bringen ohne wertvolle Details abzuschneiden. 2 Blendenstufen in einem lichtstärkeren Objektiv sind dazu notwendig bzw. es muss mit Hilfe eines Statives vier Mal länger belichtet werden. Wir erkennen also, dass es auf die Größe von Objekt- und Motivkontrast ankommt.

Abschließend möchte ich bei Digitalkameras noch den Hinweis geben, dass der Objektkontrast einer Digitalkamera keineswegs eine konstante Größe ist. Moderne Digitalkameras haben die Möglichkeit, durch Erhöhung der ISO-Zahl von 100 auf 200 oder 400 mit dunkleren Motiven zurechtzukommen, ohne länger belichten zu müssen. Dazu werden Elemente des CCD-Sensors zusammengeschaltet und das Rauschen erhöht sich. Solche Effekte verringern zwangsläufig auch den Objektkontrast, weshalb seriöse Digitalkameratests den Objektkontrast immer in Verbindung mit einer ISO-Zahl angeben bzw. für unterschiedliche ISO-Zahlen den jeweiligen Objektkontrast einzeln angeben.

Moderne Digitalkameras erreichen einen Objektkontrast zwischen 7 (Einsteigermodelle) und 10 (Profimodelle). Bei höheren ISO-Einstellungen verringert sich der Objektkontrast deutlich.

Achtung! Der Dichteumfang von Filmscannern steht nicht immer komplett zur Verfügung!!!

Gleiches gilt natürlich auch für Filmscanner: Der Dichtebereich des Scanners muss größer sein als derjenige des Dias oder Negatives, um alle Details der Vorlage vollständig zu erfassen. Allerdings lässt sich bei Scannern ein dunkler Motivkontrast nicht so ohne weiteres durch längere Belichtung in den Kontrastbereich des Scanners verschieben, denn wenn der Scanner sehr dunkle Bildbereiche nicht nuancieren kann, hilft auch eine längere Belichtung nicht weiter.

Auch ist es eine entscheidende Frage, ob ein Scanner seinen vollen in den Technischen Daten angegebenen Dichteumfang innerhalb eines Scans erreichen kann; Gibt ein Hersteller zum Beispiel den Dichteumfang für einen Scanner mit 4,2 an, dann sollte man erwarten dürfen, dass in einem Bild, dass sowohl extrem helle Details als auch extrem Dunkle Details enthält, all diese Details sauber erfasst und abgestuft werden. Leider ist dem nicht so. Ein Dichteumfang von 4,2 kann nämlich auch bedeuten, dass zwar bei extrem dunklen Bildern alle Schatten-Details und bei extrem hellen Bildern alle Lichter-Details erfasst werden, bei Bildern, die sowohl extrem helle als auch extrem dunkle Partien enthalten, jedoch nicht mehr alle Details erfasst werden. Diese nicht präzisen auf keiner Norm basierten Hersteller-Angaben führen leider dazu, dass es bei Scannern eigentlich nur ein Entscheidungskriterium gibt: Testen, Ausprobieren, Erfahrungsberichte.

Die Angabe des Dichteumfanges bei Scannern basiert auf keiner Norm. Ein hoher Dichteumfang bedeutet nicht, dass dieser innerhalb eines Scans ausgeschöpft werden kann. Aussagekräftig sind daher eher Erfahrungswerte und Testberichte.

Trommelscanner zeichnen sich gerade dadurch aus, dass sie einen sehr hohen Dichteumfang haben und sie diesen hohen Kontrastbereich innerhalb eines Scans voll ausnutzen können. Eine Gegenlichtaufnahme, die also sehr helle Details und viele Nuancen in den Schattenbereichen hat, kann mit Hilfe eines Trommelscanners in all ihren Einzelheiten digitalisiert werden. Diese Leistung bezahlt man natürlich mit einem Gerätepreis, für den man sich auch schon einen Mittelklassewagen kaufen kann.

Ich möchte diesen Sachverhalt anhand der beiden Abbildungen 9 und 10 nochmals verdeutlichen. Dargestellt ist der Dichteumfang von 4,0 von zwei Filmscannern, in Abbildung 9 ein Top-Gerät und in Abbildung 10 ein weniger gutes Gerät. Beide Geräte haben einen Dichteumfang von 4,0 laut Herstellerangabe, das Gerät Nummer 1 vermag diesen jedoch innerhalb eines einzigen Scans auszuschöpfen. Beide Geräte haben keine Probleme mit einem extrem hellen oder extrem dunklen Motiv; der jeweilige Kontrastumfang wird vollständig im Kontrastumfang des Filmscanners erfasst, bei der dunklen Aufnahme durch eine etwas längere Belichtung entsprechend hineingeschoben.

Anders sieht die Sache mit einem Motiv aus, das sowohl sehr helle als auch sehr dunkle Bildpartien hat, also selbst einen Kontrastumfang von 4,0 hat. Der Top-Scanner in Abbildung 9 kann den kompletten Motivkontrast in einem Scan erfassen und stellt somit sowohl die hellen als auch die dunklen Bildpartien mit ausreichend Zeichnung dar. Alle Informationen der Vorlage sind digitalisiert und können im Bildbearbeitungsprogramm entsprechend herausgestellt werden. Der schlechtere Filmscanner in Abbildung 10 kann zwar Dichten sowohl im unteren Bereich von 0,5 als auch im Maximalbereich bis 4,5 erfassen, jedoch nicht beides auf einmal. Er schneidet daher aus der kontrastreichen Vorlage einen mittleren Bereich der Größe 3,0 heraus, die helleren Lichter sowie die dunkleren Schatten werden einheitlich schwarz. Der Scan enthält nicht mehr alle Bilddetails, die Lichter werden ausgefressen, die Schatten laufen zu. Abbildung 10 zeigt dies durch die Magenta-farbenen Pfeile, die den linken bzw. rechten Teil des Motives einfach links bzw. rechts liegen lassen.

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