Auflösung, dpi, Halbton, lpi, Pixel, ppi, Rasterweite

Alternativer Titel: Welche Informationsmenge ist optimal für die Ausgabe eines Drucks ?

Der Begriff Auflösung wird mit unterschiedlicher Bedeutung verwendet: Er  bezeichnet

1. die Größe von Rasterimages,
2. die Genauigkeit von Scannern und
3. die Genauigkeit von Druckern.

Obwohl alle drei Bedeutungen miteinander in Bezug stehen, dürfen sie jedoch nicht ohne weiteres gleichgesetzt werden.

Benötigt werden diese Begriffe immer dann, wenn ein Bild gescannt, bearbeitet oder gedruckt werden soll.

1. Größe von Rasterimages

Das Rasterimage (digitales Bild, Cell array) ist ein rechteckiges Feld aus Bildpunkten. Seine Größe wird durch die Anzahl der Bildpunkte in X- und Y-Richtung bestimmt.

Ein Bildpunkt (auch Rasterpunkt oder Pixel = Picture Element) ist also die kleinste Einheit eines digitalen Bildes.

Pro Bildpunkt werden wahlweise 1, 8 oder 24 Bits für die Darstellung der Farbinformationen verwendet (Farbtiefe, Pixeltiefe). Dadurch können

• bitonale (schwarz-weiße) Bilder,
• Graustufenbilder oder
• Farbbilder

2. Genauigkeit eines Scanners

Ein Scanner digitalisiert Vorlagen und bildet daraus Rasterimages. Dabei wird über die Vorlage ein mehr oder weniger feines gedachtes Raster gelegt, an dessen Kreuzungspunkten jeweils ein Rasterpunkt ermittelt wird.

Das gesamte Rasterimage wird entweder auf einen Rechner übertragen, der es in einem graphischen File-Format abspeichert, oder es wird über eine Telefonleitung zu einem Empfänger übermittelt (Telefax).

Die Anzahl der gewonnenen Bildpunkte pro Inch wird in ppi (Pixels per Inch) gemessen.

Da für jeden Punkt der gewählten Hardwareauflösung ein Pixel gewonnen wird, verwendet man häufig statt der Maßeinheit ppi auch die Bezeichnung dpi (Dots per inch), obwohl dieses Maß eigentlich zu Druckern gehört.

Das schwierigste Problem beim Scannen ist, zu entscheiden, wie grob oder fein die Auflösung des Rasters zu wählen ist.

Im Gegensatz zum Drucken, das aus der Sicht des Anwenders weitgehend automatisiert werden kann, muß beim Scannen im allgemeinen jede Vorlage individuell behandelt werden. Deshalb ist zwangsläufig jeder Scan-Vorgang zeitaufwendig. In vielen Fällen sind sogar mehrere Versuche notwendig, um die optimale Geräteeinstellung herauszufinden, auch wenn die Scan-Software meistens unterstützend hilft.

Es muß also eine Strategie gewählt werden, die einen Kompromiß darstellt zwischen den zwei sich widersprechenden Zielen

• hohe Bildqualität,
• vertretbarer Speicherplatzbedarf.

Einseits soll beim Scannen eine möglichst hohe Bildqualität erreicht werden, um wegen des Zeitaufwands zukünftig weitere Scanvorgänge derselben Vorlage zu vermeiden.

Andererseits vergrößern sich bei einer Erhöhung der Bildgröße auch die Scan-Zeiten, der Speicherplatzbedarf auf den Datenträgern (Festplatte) und der Aufwand für alle späteren Verarbeitungsvorgänge incl. des Druckens.

Optimal wäre es, wenn beispielsweise für ein Bild, das in ein Poster integriert werden soll, bereits zum Zeitpunkt des Scannens die später geforderte Größe, Farbtiefe und Bildfäche bekannt wären.

Sofern diese Informationen nicht zum Zeitpunkt des Scannens vorliegen und der Scan-Vorgang später nicht wiederholt werden soll oder kann, bleibt als Kompromiß das Scannen mit einer möglichst hohen Auflösung und die Berechnung einer reduzierten Variante für die Weiterverarbeitung (z. B. das Drucken). Das Original dient dann zur Archivierung. Weitere Varianten für unterschiedliche Weiterverarbeitungsschritte können später nach Bedarf daraus berechnet werden, wodurch sich erneutes Scannen erübrigt.

Solche Varianten entstehen durch die Reduktion der Bildgröße oder die Reduktion der Farbtiefe. Eine zusätzliche Kompression kann bei Wahl eines geeigneten Verfahrens verlustfrei sein.

Einen etwas anderen Weg nutzt die Kodak Photo-CD. Aus einem gescannten Bild werden mehrere Varianten mit unterschiedlicher Bildgröße berechnet, die dann zusammen in einem File gespeichert werden (Photo-CD-Format PCD). Je nach Verwendungszweck kann dann später auf die eine oder andere Variante ohne weitere Berechnungen zugegriffen werden.

3. Genauigkeit eines Druckers

Die Genauigkeit eines Druckers ergibt sich durch den kleinsten Abstand zwischen zwei druckbaren Punkten. Diese Auflösung eines Druckers wird in dpi (Dots per inch) gemessen.

Beim Ausdrucken steht der Laser- oder Tintenstrahldrucker vor den gleichen technischen Problemen, wie sie vom Offsetdruck (Buchdruck, Zeitungsdruck, etc ) her bekannt sind:

Da für den monochromen Druck nur die eine - nämlich schwarze - Druckfarbe eingesetzt wird, können die verschiedenen Grautöne nicht wie beim Malen durch Hinzufügen eines weißen Farbstoffs gewonnen werden. Man bedient sich deshalb eines Tricks: Auf die weiße Grundfläche des Papiers werden mehr oder weniger große Punkte gedruckt. Für den Betrachter vermischen sich die schwarzen und weißen Farbanteile zu dem gewünschten grauen Farbeindruck (besser Helligkeitseindruck).

Zur Ausführung des Drucks muß aus dem ursprünglichen Bild eine Rastervorlage erzeugt werden. Dies geschieht beim Offsetdruck auf fotografischem Wege; beim Digitaldruck werden numerische Verfahren eingesetzt. Man bezeichnet diese Berechnung als Dithering oder Halftoning oder Screening. Das ursprüngliche Bild wird als Halbton (englisch Halftone) bezeichnet, da es kontinuierlich verlaufende unterschiedliche Graustufen- und Farbwerte aufweisend kann. Das entstehende Abbild wird als Strichbild bezeichnet, da es nur noch bitonale (schwarz-weiße) Werte enthält.

Je nach Wahl des Verfahrens enthalten die dadurch erzeugten Druckvorlagen Raster mit gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilten Rasterpunkten. Die gleichmäßig verteilten Rasterpunkte können auf Linien oder in rechtwinkligen Gittern angeordnet sein. Die Linien und Gitter wiederum können theoretisch in jedem beliebigen Winkel über das Blatt verlaufen, um Interferenzen mit dem Bildinhalt zu vermeiden.

Da das menschliche Auge schräg laufende Linien weniger deutlich erfaßt als vertikale oder horizontale, wird für die Druckfarbe Schwarz üblicherweise ein Winkel von 45 Grad gewählt. Der Winkel wird bei PostScript als Screen angle bezeichnet.

Die Anzahl der Rasterlinien bzw. Gitterlinien wird als Rasterweite bezeichnet. Bei PostScript wird der Begriff Screen frequency verwendet. Die Rasterweite wird pro Zoll (lpi = Lines per inch) oder pro cm (lpcm = Linien pro cm) gezählt.

Die eigentlichen Rasterpunkte können als gefüllte Kreise oder Ellipsen ausgebildet sein. Bei PostScript-Druckern wäre sogar jede beliebige gefüllte Fläche einsetzbar, da die sogenannte Spotfunktion frei definiert werden kann.

Um nun Rasterpunkte in verschiedenen Größen drucken zu können, muß die zu bedruckende Fläche in winzige Quadrate aufgeteilt werden. In jedes Quadrat wird dann ein Rasterpunkt gedruckt. Die quadratische Fläche selbst ist eine N x N-Matrix, in die Druckpunkte (Dots) konstanter Größe entsprechend der Auflösung des Druckers gesetzt werden. Je größer die Kantenlänge N einer Matrix, desto mehr verschiedene Graustufen können durch eine solche N x N-Matrix dargestellt werden. Exakt können N x N + 1 verschiedene Graustufen dargestellt werden. Quadrate in verschiedenen Graustufen unterscheiden sich durch mehr oder weniger gesetzte Punkte in einer solchen Matrix.

Ein solches Quadrat wird auch Ditherzelle genannt; PostScript verwendet die Bezeichnung Halftone Cell.

Beim Drucken wird also mit einem gröberen Raster als der eigentlichen Hardwareauflösung gearbeitet. Oft ist N = 5, sodaß z. B. ein 300 dpi-Drucker mit 60 lpi arbeitet.

Der nachstehende Bildausschnitt stammt von einem monochromen Laserdrucker, der auf eine Rasterweite von 20 lpi, einen Rasterwinkel von 0 Grad und elliptische Rasterpunkte eingestellt wurde.

Beim Farbdruck muß jeder Farbton eines Bildes durch Mischen aus den vier Grundfarben CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, Black) erzeugt werden.
Dazu werden vier Farbraster (Farbauszüge) mit verschiedenen Winkeln übereinandergelegt. Häufig werden bei PostScript-Druckern die Winkel 15 Grad für Cyan, 75 Grad für Magenta, 0 Grad für Gelb und 45 Grad für Schwarz verwendet.

Die in diesem Abschnitt beschriebenen Verfahren gelten - wie bereits oben ausgeführt - für Laser- und Tintenstrahldrucker. Sie gelten nicht für Thermosublimationsdrucker, die Halbtöne direkt ausgegeben werden können. Ein solcher Drucker kann in jedem Punkt eine von (theoretisch) 16.7 Millionen Farbnuancen darstellen. Bei dieser Drucktechnologie ist die Anzahl der Rasterlinien gleich der Hardwareauflösung (lpi = dpi).

Beispiele

Die folgenden Darstellungen zeigen jeweils den gleichen Bildausschnitt, der auf verschiedenen Druckern ausgegeben worden ist. Die Ausschnitte sind mit Hilfe eines Mikroskops fotografiert und anschließend gescannt worden.

• Laserdrucker, monochrom, 300 dpi (DEC LN03 R)

  
  
  

  
  
  
  

   

• Laserdrucker, monochrom, 400 dpi (QMS 3225)

  
  
  

  
  
  
  
• Laserdrucker, monochrom, 600 dpi (Apple LaserWriter 8500)

  
  
  

  
  
  
  

   

• Laserdrucker, monochrom, 600 dpi (Apple LaserWriter 16/600)

  
  
  

  
  
  
  

   

• Tintenstrahldrucker, CMYK, 300 dpi (HP 1600 CM)

  
  
  

  
  
  
  

   

• Tintenstrahldrucker, CMYK, 300 dpi (HP PaintJet XL 300 PS)

  
  
  

  
  
  
  

   

• Tintenstrahldrucker, CMYK, 300 dpi, (HP PaintJet XL 300)
  Rasterisierung durch GhostScript

  
  
  

  
  
  
  

   

Auflösung für die Druckausgabe

Nach dem bisher Gesagten stellt sich die Frage, welche Bildgröße bei einem Rasterimage für die Druckausgabe zu wählen ist. Muß das Rasterbild erst noch eingescannt werden, so wird dadurch festgelegt, welche Auflösung (gemessen in ppi) beim Scannen gewählt werden muß.

Zusätzlich ist zu brücksichtigen, daß bei Laser- und Tintenstrahldruckern es nicht sichergestellt ist, daß das Bildraster und das Druckraster deckungsgleich sind. Um Ungenauigkeiten zu vermeiden, wird ein Sicherheitsfaktor (Rasterfaktor) einkalkuliert, der die Scanauflösung erhöht und so dem Drucker eine bessere Berechnung des Druckrasters ermöglicht.

Die Auflösung des digitalen Bildes sollte deshalb ungefähr doppelt so groß sein wie die Rasterweite (gemessen in lpi) des Druckers. Ein Rasterfaktor K = 1.6 hat sich in der Praxis als ausreichend erwiesen.

Berechnung der Scan-Auflösung

Zur Berechnung der Scan-Auflösung RS ([ppi]) werden die folgenden Angaben benötigt:

• LS: die Kantenlänge der Scan-Vorlage ([cm]),
• LP: die Kantenlänge des Druckbereichs ([cm]),
• K: der Sicherheitsfaktor (Rasterfaktor), also das Verhältnis der Scan-Auflösung zur Rasterauflösung beim Druck,
• RP: die Rasterauflösung beim Druck ([lpi]).

Aus den ersten beiden Werten kann zuerst der Skalierungsfaktor berechnet werden, der das Verhältnis der gewünschten Ausdruckgröße zur Vorlagengröße beschreibt: S = LP / LS.

Die Scan-Auflösung RS wird dann berechnet als RS = RP * K * S.

Sofern auf die Rasterweite kein Einfluß genommen werden soll, gilt die folgende Faustregel: Bei Tintenstrahl- und Laserdruckern mit Standardauflösung (300 dpi) wähle man eine Rasterauflösung von 120 ppi, bei höheren Geräteauflösungen eine Rasterauflösung von 150 bis 250 ppi.

Das unten stehende Kapitel enthält Angaben über die standardmäßigen Rasterweiten verschiedener Druckertypen und die Möglichkeiten, sie zu verändern.

Reduktion der Bildgröße

Sofern ein Rasterimage mit zu hoher Rasterauflösung vorliegt, kann eine Analyse und Bearbeitung von Rasterimages durchgeführt werden.

Rasterweiten verschiedener Drucker

Die PPD-Files beschreiben die gerätespezifischen Eigenschaften eines PostScript-Druckers.

Die nachstehende Tabelle zeigt für einige ausgewählte Drucker die entsprechenden Standardwerte:

Informationen im PostScript-File

Der PostScript-Operator setscreen mit dem Parametern screen-frequency screen-angle spot-function erlaubt das Setzen der Einstellungen für das Druckraster.

Weitere Operatoren sind setcolorscreen und sethalftone.

Literatur

1. Zingg, Stefan:
   Praxis digitale Bildverarbeitung
   Teil 4: Halbtonvorlagen
   ITP Wolfram's, 1996
   ISBN 3-8266-1250-7
2. Pixels, Dots und Lines per Inch
   in der Zeitschrift MacUP, Heft 08/97, p. 126-127
3. GUM: The GIMP User Manual, Version 1.0.0
   Chapter 13: Pre-press and color in Gimp
   p. 135-154
4. Adobe Systems Incorporated
   PostScript Language Reference Manual, Second Edition
   Chapter 6.4: Halftones, p.309-320
   1990
   ISBN 0-201-18127-4
5. Schmidt, Hannelore:
   Wie scanne ich Richtig ?