Scanner (Datenerfassung)

Modernes Spiral-CT-Gerät

Ein Scanner (von engl. to scan = abtasten, untersuchen) ist ein Datenerfassungsgerät, welches ein Objekt auf eine systematische, regelmäßige Weise abtastet oder vermisst.

Seine Hauptidee ist es, mit relativ begrenzten Messinstrumenten, durch eine Vielzahl von Einzelmessungen ein Gesamtbild des Objekts zu erzeugen.

Im Scanner werden die analogen Daten der physikalischen Vorlage mit Hilfe von Sensoren aufgenommen und anschließend mit A/D-Wandlern in digitale Form übersetzt. So können sie z. B. mit Computern verarbeitet, analysiert oder visualisiert werden.

Erfunden wurde der Scanner 1951 von Rudolf Hell in Form eines Klischographen.

Scannertypen

3D-Scanner

Dreidimensionale Vorlagen lassen sich nur mit einem 3D-Scanner einlesen. Man verwendet diese Geräte meistens zum Katalogisieren oder Archivieren vom Objekten. Der Nachteil ist dass die Abtasteinrichtung fest montiert werden muss.

Buchscanner

Diascanner

Dieser Scannertyp ist im professionellen Bereich einzuordnen, dessen Einzugsgebiet auf das Einlesen von Diapositiven und -negativen beschränkt ist. Er besitzt spezielle Vorrichtungen zum Einschub der Dias. Die Qualitätsanforderungen an Diascanner sind sehr hoch angesetzt. Sie haben Auflösungen bis zu einigen Tausend dpi. Außerdem arbeiten die Geräte mit einem speziellen Ausleuchtungsverfahren um die sonst üblichen Streu- und Nebeneffekte beim Einscannen der stark reflektierenden Vorlagen zu eliminieren. Der Nachteil liegt einzig und allein daran, dass diese Geräte nur für Dias zu gebrauchen sind und, dass der Anschaffungspreis relativ hoch ist (ca. 5.000€). Für den Heimgebrauch gibt es auch Diaaufsätze, die mit dem normalen Flachbettscanner betrieben werden. Diese Geräte sind viel billiger, haben aber eine viel schlechtere Bildqualität.

Dokumentenscanner

Für die Erfassung größerer Mengen von Schriftgut werden Flachbettscanner mit Stapeleinzug, Einzugsscanner oder spezielle Hochgeschwindigkeitsscanstraßen als Dokumentenscanner eingesetzt.

Durchlichtscanner

Durchlichtscanner für transparente Vorlagen wie Filmscanner, Diascanner, Röntgenbildscanner

Einzugsscanner

Der Einzugsscanner ist genau so aufgebaut wie ein Faxgerät. Das heißt die lichtempfindlichen CCD-Sensoren sind fest im Gerät eingebaut. Die Vorlage wird an den lichtempfindlichen CCD-Sensoren entlang geführt. Der offensichtliche Nachteil der Einzugsscanner ist die ausschließliche Verarbeitung von Einzeldokumenten. Bücher lassen sich leider nicht einscannen. Außerdem kann es beim Einzug glatter Vorlagen, wie z. B. Fotos, zu unangenehmen Randverzerrungen kommen. Einzugscanner sind daher von den Flachbettscanner abgelöst worden und sind im Verkauf nicht mehr zu finden.

Filmscanner

Flachbettscanner

Der Flachbettscanner arbeitet mit dem gleichen Prinzip wie ein Kopiergerät. Die Vorlage bleibt also immer am gleichen Platz und die lichtempfindlichen Sensoren werden während des Abtastens unter der Glasscheibe entlanggeführt. Beim Flachbettscanner, dem heute gebräuchlichsten Bilderfassungsgerät, wird die Vorlage auf die Glasplatte gelegt. Diese Methode erlaubt es, nebst Fotos und Bildern auch sperrige Vorlagen wie Bücher abzutasten. Um ein scharfes Bild zu erreichen, muss die Vorlage ganz flach auf der Glasplatte aufliegen. Das bereitet aber bei gewissen Vorlagen Probleme. Kostengünstige Flachbettscanner können Vorlagen bis zu A4 abtasten.

Großformatscanner

Bei Vorlagengrößen von mehr als A2 spricht man von Großformatscannern, die in der Regel als Flachbett oder Trommelscanner angeboten werden.

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 dieser zwei erheblichen Nachteile ist der Handscanner längst vom Markt verschwunden.

Réseauscanner

Scanner für Anwendungen in der Photogrammetrie wie Réseauscanner

Scanner in der Medizintechnik

Scanner wie in der Computertomografie, PET und Röntgenbildscanner

Trommelscanner

Dies ist der älteste Scannertyp und liefert die exaktesten Ergebnisse. Auflösung (ca. 12.000 dpi), Tempo und Qualität sind bis heute unerreicht. Beim Trommelscanner wird die Vorlage auf eine rotierende Trommel befestigt, die sich schraubenförmig um das Beleuchtungs- und Abtastungssystem bewegt. Da die Lichtquelle und das Abtastungssystem immer in der gleichen Lage zum Papier sind, kann mit einfachen Mitteln eine hervorragende Qualität erreicht werden. Zusätzlich haben Trommelscanner anstelle der normalen CCD-Sensoren hochempfindliche Photo-Multiplexer zum Einlesen der Daten. Zwei Nachteile der Trommelscanner sind, dass sie viel kosten und sehr groß sind.

Wie arbeitet ein Scanner?

Scanner arbeiten in der Regel nach folgendem Prinzip: Die Bildvorlage wird beleuchtet und das reflektierte Licht wird über eine Stablinse, welche das reflektierte Licht bündeln und das Streulicht eliminieren soll, an einen optoelektronischen Zeilensensor geleitet (schneller Scan, englisch: fast scan). Die analogen Lichtsignale werden pixelweise durch Analog-Digital-Wandlung in Digitalsignale umgewandelt, während gleichzeitig entweder die Vorlage oder die Sensoroptik schrittweise senkrecht zur Sensorausdehnung bewegt wird (langsamer Scan, englisch: slow scan).

Bei der Abtastung mit einem Flächensensor kann die gesamte Vorlage oder flächenhafte Teile der Vorlage gleichzeitig gescannt werden.

Durch erneuten Scanvorgang nach Verschiebung der Sensoren im Subpixelbereich kann die Bildauflösung und unter Umständen auch die fotografische Auflösung erhöht werden.

Scan mit Farbfiltern

Bestimmte Farbwerte werden durch getrenntes Abtasten der Primärfarben (meist rot, grün und blau) mittels Vorschalten von Farbfiltern und gegebenenfalls durch softwaremäßige, additive Farbmischung ermittelt. Dieses Filterverfahren benötigt für jede Primärfarbe einen Scandurchlauf, wenn alle Sensorelemente für den Scan eingesetzt werden. Alternativ werden auch Bayer-Sensoren oder andere Farbsensoren eingesetzt, bei denen alle Sensorelemente mit jeweils einem festen Farbfilter in einer bestimmten Farbreihenfolge versehen werden. Dadurch kann der Scan in einem Durchlauf durchgeführt werden (siehe auch CCD).

Scan mit farbigen Lichtquellen

Beim Einsatz von mehreren farbigen und schaltbaren Lichtquellen wird nur ein Scandurchlauf benötigt, da die Farbtrennung durch die Lichtquellen selbst gegeben ist. Die Sensoren messen während einer Messung zum Beispiel mit der Beleuchtung durch preisgünstige Leuchtdioden nur das Licht einer bestimmten Wellenlänge (siehe auch CIS). Alternativ können auch farbige Lichtquellen mit kontinuierlichem Lichtspektrum eingesetzt werden.

Scan mit weißer Lichtquelle

Im Prismenverfahren wird die Vorlage mit weißem Licht beleuchtet. Das reflektierte Licht wird durch ein Prisma geführt, das die Farbanteile aufgespaltet. Diese werden von nebeneinanderliegenden optischen Sensoren erfasst. Auch bei dieser Technik ist nur ein Scanvorgang erforderlich.

Scannereigenschaften

Die Qualität eines Scanners ist je nach Einsatzzweck abhängig von:

Abtastauflösung auch Abtastfrequenz oder Ortsfrequenz
Rasterfrequenz
Ausgabefrequenz (Ausgabeauflösung)
Dichteumfang (Dynamik)
Tonwertumfang (Graustufen)
Farbtiefe
Scan-Geschwindigkeit

Einfache Scanner mit Einzelblatteinzug verarbeiten ca. zehn Seiten pro Minute. Hochleistungsscanner mit einer Mechanik zum Umblättern erfassen pro Minute 40 Seiten eines Buches.

Qualitätsmerkmale

Die Qualität von Scannern kann häufig mittels eines sogenannten Hohlraum-Effekts (englisch cavity effect) abgeschätzt werden. Dabei werden Würfel aus schwarzer Pappe mit circa zehn Zentimetern Kantenlänge und einem Loch von circa fünf Millimetern Durchmesser auf der Lochseite gescannt. Die Lochseite kann dadurch modifiziert werden, dass sie außen aus weißer Pappe besteht. Das Loch stellt näherungsweise einen Hohlraumstrahler dar, der praktisch kein sichtbares Licht emittiert. Im Scan dürfte daher an der Stelle des Loches kein Signal vorhanden sein.

In der Praxis treten jedoch dennoch Signale auf, die im Wesentlichen zwei Ursachen haben:

Letzteres kommt dadurch zustande, dass Licht aus der Umgebung des Loches in den Bildwandler des Scanners gestreut wird und stellt den Hohlraum-Effekt dar. Das Rauschen ist im wesentlichen ortsunabhängig und hat daher einen konstanten Pegel.

Die folgenden acht Beispielbilder illustrieren diese Effekte. Die ersten vier stellen Originalmessungen dar, wohingegen die nächsten vier Bilder mit einer Gammakorrektur versehen sind $\gamma =0,1$ . Auf der linken Seite ist jeweils ein guter Scan und auf der rechten Seite ein schlechter Scan dargestellt. Die oberen Bilder zeigen einen gelochten Würfel vollständig aus schwarzer Pappe und die unteren einen mit einer weißen gelochten Außenfläche.

Guter Scan mit $\gamma =1$	Schlechter Scan mit $\gamma =1$
Schwarze Pappe	Schwarze Pappe
Weiße Pappe	Weiße Pappe

Guter Scan mit $\gamma =0,1$	Schlechter Scan mit $\gamma =0,1$
Schwarze Pappe	Schwarze Pappe
Weiße Pappe	Weiße Pappe

In den unteren beiden rechten Bildern sind deutliche Bildfehler zu erkennen. Im oberen rechten Bild, das mit schwarzer Pappe gescannt worden ist, ist im Loch deutlich das Bildrauschen zu erkennen. Im unteren rechten Bild ist dieses Rauschen in der Bildmitte noch erkennbar, wird aber durch Falschlicht überstrahlt, das zur Lochmitte hin schwächer wird.

Siehe auch

Weblinks

Linkkatalog zum Thema Scanner bei curlie.org (ehemals DMOZ)