Farbtrennung
Zunächst brauchen wir etwas Vorwissen aus dem ersten Kapitel, Lektion 2. Dort sprachen wir von den Zapfen in unseren Augen, die für genau drei Farbbereiche Rot, Grün und Blau des sichtbaren Lichtes empfindlich sind. Gleichzeitig werden die Grundlagen der additiven Farbmischung aus der zweiten Lektion von Kapitel Eins benötigt. Die Aufgabenstellung für dieses Kapitel ist es, zu erläutern, wie mithilfe eines Scanners das gesamte Lichtspektrum einer beliebigen Bildvorlage in die drei Farben Rot, Grün und Blau aufgespalten wird. Bei der Digitalisierung einer Bildvorlage müssen also Lichtanteile voneinander abgetrennt werden. Man nennt diesen Prozess deshalb auch "Farbtrennung".
Monitor
Da das Ergebnis der Farbtrennung zunächst auf einem Monitor zu sehen ist, sei kurz das Prinzip der Monitordarstellung erklärt. Dass wir das Prinzip der additiven Farbmischung schon kennen, kommt uns dabei zugute. Wir wissen: Rot, Grün und Blau addieren sich zusammen zu Weiß oder in verschiedenen Kombinationen zu anderen Mischfarben. Dies macht sich ein Monitor zunutze. Dieser ist nämlich in viele kleine Einheiten unterteilt, so genannte "Dots". Die Dots können in den Farben Rot, Grün und Blau leuchten und sind die kleinsten adressierbaren Einheiten eines Monitors. Immer drei Dots RGB bilden ein "Pixel". In der Praxis sind in herkömmlichen CRT-Monitoren Phosphorschichten in diesen drei Farben vorhanden, die durch Elektronenstrahlen zum Leuchten gebracht werden können. Da die Dots sehr klein sind, mischt unser Auge das Zusammenspiel nebeneinander liegender Dots additiv zu einem Gesamtfarbeindruck. Hier eine Ansicht von stark vergrößerten Dots und rechts unten deren Originalgröße:
Farbkanal
Ein Dot kann mal heller, mal dunkler leuchten. Die Informationen für jeden einzelnen Dot sind innerhalb einer RGB-Datei in drei "Farbkanälen" gespeichert. Einer für die roten Dots, einer für die grünen und einer für die blauen. Die Kanäle kann man sich z.B. in "Adobe Photoshop" anzeigen lassen:
Farbtiefe
Bauen wir uns nun das folgende Gedankenmodell: Zuerst denken wir uns an einem Dot eine Mess-Skala für die einzelnen Helligkeitswerte, die er von sehr hell bis dunkel annehmen könnte. Oberes Ende - viel Lichtenergie, unteres Ende - keine Lichtenergie. Ein sehr helles Dot ist dann bis zum oberen Ende der Skala gefüllt, ein mittelhelles bis zur Hälfte. Leuchtet ein Dot gar nicht, bleibt es leer und wegen der schwarzen Monitorfläche wäre es am Monitor schwarz.
Je nachdem, welchen Umfang die gedachte Skala hat, so hoch oder niedrig ist die so genannte "Farbtiefe". Die Farbtiefe ist demnach ein Vorrat an möglichen Helligkeitswerten. Eine sehr umfangreiche Skala bedeutet hohe Farbtiefe, eine sehr kleine Skala eine niedrige. Die Farbtiefe wird in Bit angegeben. Eine Farbtiefe von z.B. 8 Bit bedeutet: 2 hoch 8 = 256 mögliche Helligkeitsstufen. Da Schwarz (also Null) schon ein Helligkeitswert ist, steht am oberen Ende der Skala 255.
Scanner
Ein typisches Gerät zur Farbtrennung ist ein Scanner. Wesentliche Bauteile für die Farbtrennung sind die "CCD-Elemente" (Charge-Coupled-Device = ladungsgekoppelte Halbleiterelemente). Das sind sehr kleine zeilen- oder matrixartig angeordnete Lichtsensoren (Fotodioden), die mit einem Kondensator verbunden sind. Vor jedem Scanvorgang werden die Kondensatoren mit einer einheitlichen Spannung aufgeladen. Bei Lichteinfall entladen sie sich dann proportional zur Beleuchtungsstärke. So entsteht ein Muster aus unterschiedlichen Spannungswerten, das die Helligkeitsstufen der Bildvorlage darstellt.
Ein CCD-Element kann nur Helligkeitswerte unterscheiden. Für die Farbtrennung braucht es daher eines kleinen Tricks. So müssen wir uns vorstellen, dass vor dem CCD-Element Farbfilter montiert sind. Ein roter, grüner oder ein blauer. In der Praxis sind aber keine großen Filter befestigt, sondern ganz feine Farbfilterschichten auf die Sensor-Elemente aufgedampft. Die durch die Farbfilter getrennten Bildsignale werden letztlich in den drei Bildkanälen für Rot, Grün und Blau gespeichert.
Ideale Bildvorlage
Schauen wir uns nun an, was genau passiert, wenn das Licht der gescannten Vorlage durch einen farbigen Filter strahlt. Der Einfachheit halber nehmen wir eine ideale Vorlage, die dann auch in den Animationen der nächsten Lektionen zu sehen ist. Natürlich besteht eine reale Bildvorlage (z.B. ein schönes Urlaubsfoto) aus viel mehr Farbtönen. Uns geht es aber um die Darstellung des Prinzips und dazu eignet sich die ideale Vorlage besser:
Optische und interpolierte Auflösung
Die ideale Vorlage wird im Scanner zumeist durch eine bewegliche Leuchtstoffröhre beleuchtet. Das remittierte oder transmittierte Licht gelangt über Umlenkspiegel auf die CCD-Elemente. Je mehr CCD-Elemente zur Verfügung stehen, um so höher ist die optische Auflösung des Scanners. Im Gegensatz dazu errechnet der Scanner bei der interpolierten Auflösung nur zusätzlich Zwischenwerte aus tatsächlich optisch abgetasteten Bildpunkten.
Farbfilter
Wie funktioniert jetzt ein Farbfilter? Zum Beispiel hat ein roter Farbfilter die Eigenschaft, nur rote Lichtanteile transmittieren zu lassen und alle anderen Farbanteile zu absorbieren. Deshalb ist ein roter Farbfilter ja auch rot und nicht etwa grün oder blau.
Liegen hinter dem roten Farbfilter lichtempfindliche Fotodioden, gelangen die Helligkeitswerte der roten Lichtanteile in den Farbkanal für Rot. Das gleiche passiert auch mit den grünen und blauen Lichtanteilen. Wie genau die Farbtrennung funktioniert, schauen wir uns in den folgenden Lektionen an.
