Methodenbeschreibung Scan

Die RZ-Vergleichsskala und der Filterstreifen mit den 3 Einzelmessungen werden gemeinsam mit einem Flachbett-Scanner digitalisiert. As Scanner wird ein Epson Perfection V370 Photo eingesetzt. Das ist ein einfacher Scanner im unteren Preissegment.

Optimale Scaneinstellungen

Auflösung

Die Schwärzungsflächen der Vergleichsskala bestehen aus einem sehr feinen Punktraster. Eine Auflösung von 300 dpi kann dieses Raster nur ungenügend wiedergeben. Der Kontrast wird geringer bzw. die Schwärzungsfläche im Mittel heller.

Empfehlung: Scan-Auflösung mindestens 1200 dpi.

Autobelichtung

Die Autobelichtung spreizt die Tonwerte, sodass sehr dunkle Bildteile schwarz und sehr helle Bildteile weiß werden. Das Histogramm zeigt, dass danach einige Pixel in der Helligkeit übersteuert und begrenzt wurden. Die Autobelichtung verfälscht den Mittelwert von hellen Bildbereichen und sollte daher besser vermieden werden.

Empfehlung: Autobelichtung abschalten.

Farben

Das Scannen von Grau in der Vorlage in Farbe erhöht das Rauschen in Amplitude und Verteilung. Der Effekt ist gering, aber warum etwas verschenken?

Empfehlung: Grau, 16 Bit scannen.

Gamma-Korrektur

Im Allgemeinen sind digitale Bilder gammakorrigiert. Das ist ein Relikt aus alten Zeiten mit Röhrenmonitoren, die nur mit einer Gammakorrektur des Eingangssignales einen natürlichen Bildeindruck erreichen konnten. Aus Kompatibilitätsgründen war/ist das nicht mehr änderbar.

Auch der Scanner liefert in der Standardeinstellung eine gammakorrigierte Bilddatei. Für die Rußzahlmessung hat das zwei Nachteile:

• Die Linearität als Prüfkriterium für den Workflow geht verloren
• Kleine Rußzahlen – der typische Arbeitspunkt – werden ungenauer gemessen, da eine kleine Helligkeitsstreuung in eine größere RZ-Streuung abgebildet wird

Empfehlung: Gammakorrektur abschalten (Menü Epson Scan Pro:  ⁄ Konfiguration ⁄ Farbe ⁄ keine Farbkorrektur).

Messmethodik

Helligkeiten messen

Die Helligkeitsstufen im digitalen Bild messe ich mit Photoshop cs4 (PS). Alternativ dazu sind auch GIMP oder ImageJ verwendbar. Die beiden Letztgenannten sind Open Source Produkte und daher kostenfrei.

Einstellungen

Referenzmessungen

Messbereich so groß wie die Prüföffnung in der Mitte. Ablesung Mittelwert der Helligkeit. Drei Messungen an um 120° versetzten Positionen. Mittelwertbildung.

Die untenstehende Tabelle gibt einen Eindruck von der Reproduzierbarkeit der Messungen:

Schatten kompensieren

Die linienförmige Beleuchtung des Scanners wirft einen starken Schatten. Das ist recht gut bei den Ausstanzungen der Vergleichsskala zu sehen:

Bei der Vergleichsskala ist das kein Problem, da das Papier plan und sehr glatt ist. Beim Filterstreifen sieht das anders aus. Das Baumwollfilter hat eine sehr raue Oberflächenstruktur, das durch das Schräglicht in ein Hell-/Dunkelmuster abgebildet wird.

Erschwerend kommt hinzu, dass die Planarität des Filterstreifens bei der Verwendung verloren geht. Das Filterpapier wird verformt: (i) durch das manuelle Einführen in den Prüfschlitz, (ii) durch den Anpressdruck der Dichtung und (iii) das freie Schwingen der Filterpapierenden.

Die scheinbaren Schwärzungen durch Verformungen und Oberflächenrauigkeit haben ein erhebliches Fehlpotential.

Das untenstehende Bild zeigt 2 Scans des Messstreifens, der dazwischen um 180° gedreht wurde. Das Licht kam daher einmal von links und einmal von rechts. Das Relief erzeugt ein Schatten, der mit der Lichtquelle mitwandert. An einigen Stellen ist gut der Wechsel von Sonnseite zu Schattseite erkennbar.

Verformungsschatten kompensieren

Zwei Scans durchführen und den Filterstreifen dazwischen um 180° drehen. Anschließend die Helligkeiten mitteln. Sonnseite und Schattseiten werden dadurch ausgeglichen.

Rauigkeitsschatten kompensieren

Filterpapier und RZ 0 sollten den gleichen Reflexionsgrad von 85% haben. Ob diese Voraussetzung erfüllt ist, lässt sich bei der Auswertung sehr leicht feststellen. Sind die Helligkeiten merklich verschieden kann die Rußschwärzung auf das jeweilige Papierweiß bezogen werden.

Das Referenzieren beruht auf der Definition der Rußzahl RZ:

bzw.

Mit den Berechnungsschritten:

• Kalibrationskennlinie bestimmen
  • Intensitäten von RZ0 .. RZ3 messen
  • RZ_roh aus den Intensitäten berechnen
  • Kalibrationskennlinie RZ vs RZ_roh erstellen
  • Ausgleichsgerade der Kalibrationskennlinie bestimmen
• Kalibrierte Messwerte bestimmen
  • Intensitäten der Filterschwärzungen messen (Messwert)
  • RZ_roh aus den Intensitäten berechnen
  • RZ mit RZ_roh aus der Kalibrationskennlinie (Ausgleichsgerade) bestimmen

Empfehlungen

• Messstreifen pfleglich behandeln, Knicke vermeiden
• Messkopfdichtung nicht übermäßig anziehen
• Beim Pumpen keinen übermäßigen Saugdruck aufbauen, man hat ja bis zu 6 sek Zeit für jeden Pumpzyklus
• Reflexionsvermögen des unbelegtes Papier für jeden Messpunkt individuell bestimmen

Ergebnisse

Linearität

Die Vergleichsskala wurde mit den optimierten Scannereinstellungen digitalisiert (siehe oben). Insbesondere die Gamma-Korrektur war ausgeschaltet. Die Ausleuchtung war so gleichmäßig, dass auf eine individuelle Weißreferenz verzichtet werden konnte. Für alle Messpunkte war RZ 0 die Weißreferenz.

Der Scan-Workflow hat eine gute Linearität. Der Korrelationskoeffizient ist 99,34%. Die mittlere Abweichung von der Geraden beträgt 0,26 RZ-Einheiten. Der Kalibrationsfehler ist demnach kleiner als 0,3 RZ-Einheiten.

Die mittlere Abweichung von der Ausgleichsgeraden mit 0,3 RZ-Einheiten ist unschön groß. Es ist empfehlenswert eine nichtlineare Ausgleichsfunktion anzuwenden oder die lineare Funktion auf einen kleinen, relevanten Bereich einzuschränken.

Bei einem linearen Bereich von RZ 0 bis RZ 3 beträgt der Kalibrationsfehler nur mehr 0,045 RZ-Einheiten. Das ist gut genug.

Messung 181102

Filterstreifen und Vergleichsskala wurden zweimal gescannt: einmal normal und einmal um 180° gedreht. Die Idee hinter den beiden Scans ist der Versuch durch Mittelung den Streiflichteinfluss zu minimieren. Siehe dazu auch die Diskussion oben "Schatten kompensieren".

Für diese Messung wurde die Kalibrationskennlinie mit den Rußzahlen 0 … 3 aufgespannt. Die Gleichung lautet:

Die Auswertung der beiden Scans ergab folgende Resultate:

Das Ergebnis ist unerwartet: die Rußzahl ist mit 0,33 bzw. 0,34 erstaunlich gut reproduzierbar. Hmm, verdächtig, aber gut reproduzierbar heißt ja nicht unbedingt richtig …

Ein weiteres Ergebnis betrifft den Reflexionsgrad des Filterpapiers. Es sollte eigentlich den gleichen Reflexionsgrad haben, als RZ 0 der Referenzkarte. Das Filterpapier („Weiß Filterp.“) ist aber um ca. 3 Einheiten heller als RZ 0. Das ist nicht wenig, da die Differenz RZ0 zu RZ1 nur 18 Einheiten beträgt.

Die untenstehende Tabelle stellt die Rußzahl bei globalem Weißgrad und individuellem Weißgrad gegenüber (Berechnungsschritte siehe oben "Schatten kompensieren"):

Mit individueller Weißreferenz wird der Mittelwert der Rußzahl deutlich höher und die Streuung der drei Messungen niedriger. Die Einzelwerte:

Unter Einbeziehung des Kalibrationsfehlers kann man die Rußzahl, bestimmt nach der Scanner-Methode, mit

abschätzen.

Weitere Methodenbeschreibungen

• Methodenbeschreibung Bacharach
• Methodenbeschreibung Scan
• Methodenbeschreibung Fotografie