Kompendium der Mediengestaltung für Digital- und Printmedien (X.media.press)

Prof. Dr. Klaus Meißner, Dipl.-Inform. R. Dachselt Technische Universität Dresden Fakultät Informatik Lehrstuhl für Multimediatechnik

Studiengang Medieninformatik, Vorlesungen vom 30.10. und 6.11.2002

(aktualisiert: 30.10.2002)

Gliederung

! Eigenschaften digitaler Bilder " Farbbeschreibungsmodelle " Bildaufbau und Bildeigenschaften

! Technologien und Geräte zur Bilderfassung " Scanner: Bildscanner, Diascanner " Digitalkameras

! Technologien und Geräte zur Bildpräsentation " CRT und Flachbildmonitore " Drucker-Technologien " Projektionstechniken

! Literatur

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Farbmodelle, Bildaufbau, Scanner, Kamera, Monitore, Drucker, Projektoren, Literatur

Farbmodelle

! Farbwertbeschreibung nach verschiedenen Farbmodellen " Farbmodelle spezifisch, begrenzt kompatibel/konvertierbar, für Präsentationstechniken optimiert " Von CIE (Commission Internationale de L'Eclairage) 1931 standardisierter Farbraum: Chromatizitätsdiagramm aller durch Menschen wahrnehmbaren Farben

! Wahrnehmungsorientierte Farbmodelle " HSB-Modell: Hue (Farbton), Saturation (Sättigung), Brightness (Helligkeit) " HLS-Modell: Hue, Lightness (Helligkeit), Saturation " LCH-Modell: Lightness, Chroma (Farbigkeit/Sättigung), Hue CIE-Skala mit RGB-Farbraum

! Physikalisch-technische Farbmodelle " Additives Farbmischverfahren: RGB – Modell (Rot Grün Blau) – Aktiv erzeugte Farben durch Mischung von 3 Primärfarben, z.B. Monitore, Projektoren

" Subtraktives Farbmischverfahren: CMY(K)- Modell (Cyan Magenta Yellow (BlacK)) – Beruht auf Absorptionsfähigkeit von Druckfarben oder Filterscheiben – Farbeindruck entsteht durch Reflexion von Licht, z.B. bei Druckern, Plottern

" RGB- / CMYK-Werte: keine Farben, sondern Parameter eines Ausgabeprozesses © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Wahrnehmungsorientierte Farbmodelle

! LCH-Modell " Farben geordnet nach den Attributen L = Lightness (Helligkeit) C = Chroma (Farbigkeit/Sättigung) H = Hue (Farbton) " Farben gleicher Sättigung bilden Ringe " So wie der Mensch unterschiedliche Spektren als gleichen Farbeindruck wahrnimmt, können diese gleiche LCH-Werte ergeben " LCH-Farbraum beschreibt die Farbwahrnehmung, unabhängig wie Farbe erzeugt wurde " LCH kommt ohne Grundfarben # es können die Unterschiede zwischen Grundfarben verschieden Ursprungs beschrieben werden © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

Grauachse

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Wahrnehmungsorientierte Farbmodelle

! L*a*b-Farbraum " Variante des LCH-Farbraums " Am häufigsten eingesetztes System, um Farben zu klassifizieren und zu messen – 1931er CIE-Norm zur Farbmessung 1976 verbessert

" L*a*b-Farben sind geräteunabhängig " L*a*b-Farben werden beschrieben durch – L = Helligkeit (lightness) – a = Rot/Grün Farbkoordinate – b = Gelb/Blau Farbkoordinate

" Das Modell umfasst größten Farbraum, kann alle Farben sowohl des RGB- als auch des CMYK-Modells darstellen © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

LCH

Lab WS02/03

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Physikalisch-technische Farbmodelle

! RGB – Modell: Grundfarben: Rot, Grün und Blau " Farben durch Mischung (additiv) der Grundfarben erzeugt " Benötigt eine Lichtquelle, z.B. bei Monitoren, Fernsehern " Farbton eines Pixels wird durch Helligkeit bestimmt (volle Stärke = weiß) " Durch Mischen von Rot und Grün entsteht Gelb, aus Grün und Blau wird Cyan und aus Rot und Blau entsteht Magenta " Anwendung: Monitor = Überlagerung der „aktiv leuchtenden“ Grundfarben (Leuchtschirms) " Vorteil: Leuchtende Farben " Nachteil: Nicht alle Farbtöne des RGB-Modells lassen sich in das in der Drucktechnik gebräuchliche CMYK-Modell umwandeln © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Physikalisch-technische Farbmodelle

! CMY(K)- Modell (Cyan Magenta Yellow (BlacK)) " Beruht auf Absorption von Druckfarben (Filter) " Durch vollständige Absorption der Spektren von Cyan ("Hellblau"), Magenta ("Rotviolett") und Yellow ("Gelb") entsteht Schwarz " Da Mischschwarz beim Druck teuer ist und dicke Farbschichten erzeugt, wird bei Druckmaschinen die schwarze Farbe (K) hinzugenommen. " 3D-Einheitswürfel:

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Eigenschaften und Aufbau eines Bildes

! Digitales Bild: Sequenz von Pixeln " x * y Pixel (x Pixel/Zeile * y Zeilen), je Pixel ein Farbwert mit b bit codiert (Farbtiefe) " Farbwert ∈ Farbraum # n Farbebenen (Bsp. RGB=3) " Jede Farbebene ci besteht aus xi * yi Bildpunkten, die mit bi bit codiert sind # Farbtiefe kann pro Farbebene unterschiedlich sein

! Größe von Bilddateien

1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1

0 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 0 1 1

1 1 1 1 1 0 1 1

1 1 1 1 1 0 1 1

1 1 1 1 1 0 1 1

0 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 0 1 1

1 1 1 1 1 0 1 1

1 1 1 1 1 0 0 1

1 0 1 1 1 1 0 1

0 1 1 1 0 1 1 0

1 1 1 1 0 0 1

1 1 0 0 1 0

0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1

Y

Pixelanzahl

X

1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0

Farbtiefe in bit

n

" Bildgröße (in Byte) = x*y*b = ∑ xi * yi * bi i=1

" Beispiel 1: RGB (Monitor) true color (pro Farbebene 8 bit # 24 bit/Pixel), 1024 x 768 Pixel – n=3 x1,2,3 = 1024, y1,2,3 = 768 b1,2,3 = 8 bit – # Bildgröße = 2.359.296 Byte = 2,25 MB © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Eigenschaften und Aufbau eines Bildes

" Beispiel 2: YUV (TV), Abtastung 4:2:2, Auflösung 1024 x 768, true color – x*y Pixel für Y-Ebene + jeweils ½ x*y für U- und V-Ebene – n=3 x1 = 1024, x2,3 = 512, y1,2,3 = 768 b1,2,3 = 8 bit = 1 Byte # Bildgröße = 2*x*y*b = 1.572.864 Byte = 1,5 MB

" Ein Bild von 1600 x 1200 ergibt: RGB = 5,49 MByte, YUV = 3,66 Mbyte ! Bildqualität " Bildqualität = f ( Pixel- und Farbanzahl ) " Speicherbedarf = f ( Pixel- und Farbanzahl )

Beispiel2: Y-Kanal (A) und U,V-Kanäle (B,C)

Farbtiefe / Farbanzahl 1 bit 2 bit 4 bit 8 bit

2 4 16 256

Farbtiefe / Farbanzahl 16 bit 24 bit 30 bit 32 bit

65.536 16,7 Mio* 1073 Mio* *True Color

" Subjektive Bildqualität = f ( Gestaltung, Bildbearbeitung ) " Optimum gesucht: Speicher $ Qualität © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Speicherbedarf und Bildauflösung

! Speicherbedarf: Funktion (Pixelanzahl, Farbtiefe, Dateiformat) " Dateigröße wächst linear mit der Bildgröße (Anzahl der Pixel) " Die Dateigröße wächst linear mit der Farbtiefe (Anzahl der Farben) " Die Dateigröße ist abhängig vom Dateiformat, Bildformat und Kompressionsverfahren (GIF, PNG, JPEG, Fraktale, Wavelet): schwer kalkulierbar

! Kenngrößen Bildauflösung " Pixel: Bildpunkt beschrieben durch einen Farbwert " ppi = Pixels per inch: Auflösung von Bildern in Bildpunkten " dpi = Dots per inch: beschreibt i.a. die Auflösung von Bildern auf (Tintenstrahl-) Druckern " spi = Samples per inch: Auflösung von Scannern, i.a. identisch mit ppi. Beispiel: 6 inch mit 100 spi = 600 ppi © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Auflösung digitaler Bilder

! Bildauflösung bestimmt durch Peripherie-Eigenschaften Gedruckte Bilder

Bildschirmdarstellungen

Bildgröße wird gemessen in

Zoll (Inches,“) o. cm (2,54) Pixel

Skalierung der Bildgröße auf

Papiergröße (B x L)

Pixelauflösung (x * y Pixel)

Bildpunkte abgebildet auf

Raster bestehend aus Array von Druckpunkten

Ein Bildpunkt wird auf einen Bildschirm-Pixel abgebildet

Farbwertdarstellung

Dithering

Pro Pixel ein Farbwert, z.B. RGB

! Bildschirmauflösung " unterschiedlich: 640 x 480 (VGA), 1024x768 (XVGA) bis 1600 x 1200 (hier) " Bilder je nach Monitorauflösung unterschiedlich groß dargestellt z.B. Bild m. 500 Pixel Breite auf 15“ Monitor bei 72 ppi: – Bei 640 x 480 Breite = 23,8125 cm – Bei 1600 x 1200 Breite = 9,525 cm © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Bildauflösung bei Geräten

! Bildauflösung und Farbraum bei bildbestimmten Peripheriegeräten " Monitore: typisch 72 dpi (ppi), z.B. aber auch – 21“ CRT: 1.600 x 1.200, 90 Hz, 4:3 # 0,28 mm Punktabst. bzw. 95 ppi – 15“ TFT: 1600 x 1200, 16 Mio. Farben # 0,2 mm bzw. 133 ppi

" Farbdrucker – Laser: 1200 dpi (10.000 Dioden), spezielle Rasterverfahren 2400 dpi – Tintenstrahldrucker: 1400 dpi

" Digitalkamera: z.B. Canon PowerShot G2 – 2.272 x 1.704 Bildpunkte zu 24 bpp extern (30 intern) = 13,845 MByte – 1/1,8" CCD (Bildsensor), 4 Messpunkte pro Farbpunkt # ca. 1100 ppi

" Scanner – Diascanner: 2.048 x 3.072 Pixel, 35 mm-Film # 3000 ppi, 48 bit – Flachbettscanner: 2400 x 4800 spi, Farbt. 48 bit, Mehrfach-CCDs © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Scanner-Technologien

! Flachbettscanner ! Handscanner ! Einzugsscanner bzw. Durchzugsscanner ! Filmscanner (für Dia- und Negativvorlagen) ! Trommelscanner

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Scan-Prinzipien

! Flachbettscanner " Die Vorlage wird zeilenweise abgetastet " Lichtquelle: Leuchtstofflampe, die jeweils einen Streifen der Vorlage beleuchtet " Reflektiertes bzw. durchgelassene Licht wird von Photodioden-Zeile auf Silizium-Chip (CCDSensor mit Farbfiltern für Rot, Grün, Blau) erfasst " Abhängig von der Lichtmenge werden durch CCD-Zeile pro Pixel Spannungswerte erzeugt " Auflösungen: 400 bis 2.400 dpi und mehr, typisch 600 x 1.200 dpi. 600 dpi erreicht CCDZeile, 1.200 dpi durch den Transport der CCD, d.h. Vorschubeinrichtung für 1.200 Schritte pro Zoll " Datentiefe 10-14 oder sogar 16 bit pro Farbe " Starre Vorlagen möglich; Nachteile Streulicht, Geschw. © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Scan-Prinzipien

! Trommelscanner " Vorlage auf rotierende (1800 U/min) Trommel gespannt, be- oder durchleuchtet und spiralförmig einmal abgetastet (single-pass-scanner) " Lichtquelle: gebündelter Halogen-Lichtstrahl " Licht über Farbfilter auf Farbkanäle Rot, Grün, Blau " Signale in Photo Multiplier Tubes (PMT): anstelle von CCD-Sensoren hochempfindliche Photoverstärker " PMT: luftleere Glaskolben, Stirnseite als Lichtfenster ausgebildet. Licht fällt auf eine Fotokathode, die bei auftreffendem Licht Elektronen abgibt, die durch Dynoden verstärkt werden [3] " Vorteile: hohe Geschwindigkeit, Empfindlichkeit, Auflösung, geringes Rauschen " Nachteile: nur flache, flexible Vorlagen, exakte Vorlagenjustage nötig © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Bildsensoren

! Lichtsensoren " Zahl der Sensoren/Zeile = max. Zahl Pixel über Vorlagenbreite " Flachbildscanner: CCD oder CMOS Sensoren " Trommelscanner: Photomultiplier (PMT) " Können nur die Helligkeit bzw. Intensität des Lichtes erfassen " Farbinformationen werden über Farbfilter moduliert bzw. erfasst

! CCD (charged coupled devices = ladungsgekoppeltes Bauelement) " gute Bildqualität, hohe Auflösung, aber externe Ansteuerung " spezieller Herstellungsprozess (27 Schritte!), daher recht teuer

! CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor= paarweise komplementär zueinander angeordnete und verschaltete Feldeffekttransistoren)

" Integration von Sensor-Array und Ansteuerung möglich (Fotodioden+Elektronik) " Direkte Pixel-Adressierung, aber bisher schlechtere Auflösung / Qualität als CCD © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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CCD-Funktionsweise

! CCD-Technik [2] " Ausgangspunkt: Fotoeffekt (Basis von Fotodioden), Licht (Photonen, 400 – 1100 nm) setzt im Si Valenzelektronen in Leitungsband frei " Trifft Licht auf Feldeffekttransistor (MOS-FET), wird abhängig

NMOS

von Wellenlänge (λ) Photon reflektiert, absorbiert/durchgelassen – λ < 400 nm: werden an Polysiliziumschicht (rot) reflektiert – λ > 700 nm: durchdringen, ohne Ladungen zu erzeugen – Dazwischen: lösen je nach λ unterschiedlich hohe Ladungen aus

" CCD Zeile = Sequenz voneinander isolierter Fotodioden – Elektronen, die durch Licht im Si entstehen, werden in einem Ladungspool gesammelt – So erzeugte Ladungspaket werden dann in ein Schieberegister geladen, sequenziell ausgelesen und verstärkt © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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CCD- und CMOS-Prinzip

! Zweidimensionale CCDs " Matrix voneinander isolierter Fotodioden " Ladungen werden Schritt für Schritt zeilenweise und parallel ausgelesen # keine Einzelansteuerung

! CMOS –Bildsensoren " Vorteil gegenüber CCD: AD-Wandlung + Vielzahl von Verarbeitungsschritten auf Chip auszuführen – Timing, Bildkontrolle, Verschlussautomatik, Taktung, Weißabgleich, erste Bildverarbeitungsschritte – Architektur ähnelt mehr RAM- als Bilderfassungs-Chip ein Pixel

c) 4 Pixeleinheiten, P=Bereich d. Lichtaufnahme T = Logik

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CCD- und CMOS-Prinzip

! Eigenschaften von Fotodioden " Mikrolinse über jedem Bildpunkt erhöhen die Lichtausbeute " Farbfilter (rot, grün, blau) auf den Fotodioden legen die Farbkomponenten des Pixels fest. " Es gibt 2 x so viele grüne wie rote bzw. blaue Pixel, da das menschliche Auge für grünes Licht am empfindlichsten ist " Aktive Pixel Sensoren (APS): nur 30% (bis 80%) der Fläche einer Zelle ist lichtempfindlich # Apertur bzw. Füllfaktor beträgt 30% # sinkende Lichtempfindlichkeit " Problem „Fixed Pattern Noise“ (FPN): durch unterschiedliche Ladungsverstärkung der Pixel

! Full-Frame-CCD-Architektur " Pixelfeld hat keine Blindbereiche, 100% Lichtausbeute " Auflösungen ≈1024 x 1024, bis zu 6 Megapixel Pixelgröße: 7 bis 24 µm © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Vergleich von Bildsensoren

! CCD / CMOS Vergleich " Windowing: Fähigkeit, nur einen Teil des Bildes auszulesen. CMOS-Chips können Bildpunkte einzeln adressieren " Antiblooming: Möglichkeit, lokale Überbelichtungen abzuführen, ohne den Rest des Bildes dabei zu beeinflussen.

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Technologien für Digitale Fotoapparate

! Digitale Kameras für normale Anwendungen " CCD Auflösungen: 5 Mega Pixel, max. 2560 x 1920 Punkte " maximale Verschlusszeit: 1/4000 bis 60 Sekunden " Speichermedium: Smart Media Cards: 16 MB - 128 MByte – Compact Flash Ultra Type I: 128 MB, 256 MB oder 512 MByte – IBM Microdrive: 1 GByte ≈ 350 JPEG-Bilder, 1704x2272 Pixel oder > 2000 bei 1024x768

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Technologien für Digitale Fotoapparate

! Spektrale Empfindlichkeit " Analoge Filme: Spektrale Sensibilität ist weitgehend konstant über den Spektralbereich " CCDs sind praktisch blind bez. ultravioletter Strahlung, zeigen eine extreme Sensibilität für Rot, bis zum benachbarten Infrarot – Kann z.T. durch digitale Filter kompensiert werden – CDD Sensibilität hängt vom Aufbau des Bildsensors ab, wird in vom Film bekannten ISO-Werten angegeben, variiert von Modell zu Modell, 25 - 1600 ISO – Hohe ISO-Werte können zu elektronischen Rauschen führen # Qualitätsverlust

! Auflösung von Filmen und CCDs " Farbdiapositiv, 100 ASA, normaler Kontrast von 1:32 ≈ 1000 Bildpunkte/cm; = 2540 dpi, bei 24x 36 mm Größe entspricht das 8,64 Mio. Bildpunkten " Aktuelle CCDs haben eine Auflösung von ≈ 5 Mio. Bildpunkten © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Technologien für Digitale Fotoapparate

! Anschlussmöglichkeiten digitaler Kameras " Kabelgebundene Übertragung – Universal Serial Bus (USB) – Firewire- und SCSI-Schnittstellen – Serielle Standard-Schnittstelle – Docking-Stationen

" Drahtlose Verbindung – Infrarot-Übertragung (IrDA) – Funkübertragung mit Bluetooth – Anschluss an ein Mobiltelefon

" Speicherkarten-Adapter für Computer-Laufwerke " Lesegeräte für Speichermedien " Peripheriegeräte mit eigenem Karten-Steckplatz © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Monitor- bzw. Display-Systeme

! Kathodenstrahlröhren: CRT-Technologie " Delta-, Inline- und Trinitron-Schattenmaske

! Flachbildschirme " Passive Displays (LCD) " Aktive-Matrix Displays (TFT) " Plasma Bildschirme

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Farbmonitore, CRT-Technologie

! Kathodenstrahlröhre: Braunsche Röhre " Nachleuchtende Schicht: Fluoreszenz + Phosphoreszenz – R: Europium yttrium vanadate, G: zinc cadmium sulfide, B: zinc sulfide

" Beschuss mit Elektronen: – Glühwendel (Langsame e-) – Steuergitter (negativ) – Fokussierung – Ablenkung: elektrostatisch (schnelle Änderung, Oszilloskop) oder elektromagnetisch (bessere Fokussierung, Graphik) – Beschleunigung (~20 KV)

" Maske " Möglichst flache Präsentationsfläche © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Farbmonitore, CRT-Technologie

! Loch-Schattenmaske

Pitchabstand <0.28 mm

" Pro Grundfarbe ein Elektronenstrahl " Abbildung der Maske auf Leuchtschicht – Farbmuster im „Phosphor“ – Elektronenschatten: Dunkles Bild

! Schlitz-/Streifen-Schattenmaske " Kleinere Farbverfälschungen durch Maskenerwärmung

! Trinitron-Maske (Sony): " Vertikale Drähte: Aperture-Grill " Vorteil: Heller, geringere Elektronenverluste " Nachteil: Wackeln bei Erschütterung, Lösung: 2 horizontale Fäden, schwach sichtbar © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Kenngrößen von Monitoren, CRT-Technologie

! Auflösung: Farb-/Intensitätsauflösung, Ortsauflösung, Zeitauflösung ! Intensitäts-Auflösung " Ansteuerung der D/A-Wandler: Bits pro Farbkanal " Bildschirm-Gamma: Charakteristik der Elektronenquelle # Gammakorrektur für lineare Übertragung

! Ortsauflösung " Scanlines (Zeilen): Array von Pixel, je Pixel ein roter, grüner und blauer Phosphorpunkt, Abstand zwischen Pixel = dot pitch (dp) " Beispiel: 19“ Monitor, 0,25 mm Lochabstand, Darstellungsbereich 15,5“ x 11,5“ (39 x 29 cm) # ≈ max. 1600 x 1200 Pixel – horizontaler dp = (15,5 / 1600) x 25,4 = 0,24 mm – vertikaler dp

= (7,125 / 768) x 25,4 = 0,24 mm

" Je kleiner dp, um so schärfer/fokussierter erscheint Monitorbild © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Kenngrößen von Monitoren, CRT-Technologie

! Horizontale und vertikale Refresh Rate, Flickern " Vertikal / Bildwiederholrate: beschreibt wie häufig der Monitor, also alle Scanlines pro Sekunde geschrieben werden, z.B. Multiscan-Monitore 50 bis160 Hz " Horizontal / Line Rate: Frequenz, mit der Scanline geschrieben wird, 30 kHz – 96 kHz " Pixelfrequenz: abhängig von Graphikkarte (350 MHz, GeForce) + Monitorfrequenz " Auge ist empfindlich für vertikale Scan-Frequenzen, niedrige Werte werden als Flickern empfunden # dunkle Umgebung (Kino) ≈ 50 Hz, Büro ≈ 70 – 85 Hz " Interlaced/Non-interlaced Mode: Für professionelle Anwendungen nur non-interlaced

! Seitenverhältnis " Frame Aspect Ratio (FAR): – Fernsehen: 4:3, HDTV: 16:9, Papier: ~3:4, Film (35 mm): 3:2, – Kino (Panavision): 2.35:1 (Schirm), anamorphisch 2:1(Film)

" Pixel Aspect Ratio (PAR): In Graphik fast immer 1:1, Video oft nicht! © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Flachbildschirme

! Passive LCD (Liquid Crystal Display) Matrix Display " LCD-Zelle ist bez. Lichtemission passiv, sie beeinflusst Durchlässigkeit der Hintergrundbeleuchtung durch nematische Flüssigkristalle " Durchlässigkeit wird gesteuert durch elektrische Felder – Flüssigkeit mit stabförmigen Molekülen, die polarisiertes Licht führen können, richten sich unter dem Einfluss eines elektrischen Felds aus – Licht wird in unpolarisierter Form auf den hinteren Polarisator (Polarizer) gegeben und in eine bestimmte Richtung ausgerichtet (polarisiert) – Bei Spannung erfolgt gerade Ausrichtung der Flüssigkristalle, die Polarisationsebene des Lichtes wird nicht gedreht – Ohne Spannung erfolgt Drehung, das polarisierte Licht kann 2. Polarisationsfilter passieren

" Aufbau des Displays © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Flachbildschirme

! Aktive Matrix-Displays (TFT, Thin Film Transistor Technique) " Jede LCD-Zelle wird von einem Dünnfilm-Transistor angesteuert, der die Information der Zelle speichert " Da der Kondensator sich nur langsam entlädt, können schnellere Flüssigkristalle verwendet werden, # besserer Kontrast, Flimmerfreiheit, kurze Ansprechzeit, geringes Übersprechen " Pro Sub-Pixel wird 1 Transistor benötigt: XVGA # 1024x768x3= 2359296 Transist. " Herstellung: 9 Prozessschritte in Reinraumumgebung erforderlich + weitere 4 zur Montage des Display + 3 zur Komplettierung des Anzeigemoduls # teurer als LCD-Displays © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Flachbildschirme

! Aufbau eines TFT-Flachbildschirmes " Licht so gefiltert, dass es in einer Richtung schwingt " Flüssigkristallschicht: dreht die Polarisationsebene " Farbfilter: Polarisiertes Licht wird rot, grün oder blau " 2. Filter: nur Licht bestimmter Intensität kann passieren " Jeder Bildpunkt besteht aus 3 sog. Sub-Pixel (RGB) – ein Transistor steuert die Flüssigkristalle eines Sub-Pixel – “Farbe” erzeugt durch Farbfilter über den Farbzellen

" Auflösung: Pixel in horizontaler Richtung (z.B. 1280) x Zahl der Subpixel pro Pixel (i.a. 3) x Linien in vertikaler Richtung (z.B. 1024) # 3840x1024 Farbzellen und Transistoren (≈ 4 Mio. Transistoren), 15Zoll-TFT-Display: Punkteabstand: 0,30 mm

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Flachbildschirme

! Adressierung " Jede Zelle wird mit 1/(Auflösung) der Bilddarstellungszeit angesteuert, sonst ist sie spannungslos # Trägheit der Flüssigkristalle # Kontrastverluste, Flimmereffekte " Adressierung durch Aktivierung von Zeilen- + Spalten-Leitung – Z.B.: 640 x 480 Pixel, Anzeige der Pixel (255,198) und (340,198) # Aktivierung der Treiber der Spalten 255 + 340 und Zeile 198 – Pro Zeitpunkt ist immer nur ein Treiber einer Zeile angeschaltet. Zeit für Refresh eines Pixels mindestens 1/480 der Refresh-Zeit des Schirms

! Pixelfehler: werden i.a. aus ökonomischer Sicht akzeptiert " Fällt ein Transistor aus, ist Farbzelle ständig hell oder dunkel " Problem n Fehler an einer Stelle " Helle Sub-Pixel: max. 4 " Dunkle Sub-Pixel: max. 7 © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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! Plasma Bildschirme (PDP) " System von zwei mit gitterförmigen Leiterbahnen bedampften Glasplatten, zwischen denen sich ein aus Argon und Neon bestehendes Gasgemisch befindet " Eine Glasplatte ist an der Innenseite mit einer Phosphorschicht beschichtet, mit 3 Phosphorarten gemäß den Grundfarben " Spannung an den Leiterbahnen bewirkt in den Kreuzungspunkten ein elektrisches Feld, das die Gasatome auf ein höheres Energieniveau heben " Beim Zurückfallen entstehen Lichtquanten " Vorteil: großer Betrachtungswinkel von 160 Grad

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Drucker-Technologien

! Tintenstrahl-Drucker " Thermische oder Piezo-Tintenstrahl, bis 1200x2400 dpi

! Thermo-Druckverfahren " Fotodrucker, optimiert für private Anwendungen " Thermosublimations-, Thermoautochrom-Technik

! Farblaserdrucker " Lasertechnologie, bis 1200 dpi, Normalund eingeschränkte Fotoqualität

! LED-Verfahren (xerografisch) " Weiterentwicklung der elektrost. Lasertechn.

! Digitaldruckmaschinen © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Tintenstrahldrucker

! Tintenstrahl-Technik " Papier wandert schrittweise durch Drucker " Druckwerk sprüht zeilenweise u. gleichzeitig alle 4 bis 6 Farben auf das Papier " Bubble-Jet-Verfahren: – Tinte wird aus Düsen direkt aufs Papier gesprüht – Druck wird durch Heizelemente aufgebaut # thermisches Tintenstrahlverfahren: ! Heizwerk, " erhitzte Tinte, # bildet eine Blase, $ die Tintentropfen % aus der Kapillardüse drückt

" Piezo-Technik – Druckaufbau mit Piezokristallen, präzise elektrisch gesteuert – Bei Spannung komprimiert der Kristall #Tintensprühstoß. – Negative Spannung: kurzzeitiger Unterdruck in der Kammer, Sprühstoß wird abrupt unterbrochen, Tinte kann nachfließen – Tröpfchen werden mit hoher Frequenz aufgebracht © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Tintenstrahldrucker

! Fotodruck " Drucker für hochwertige Farbbildwiedergabe enthalten statt nur 4 (Cyan, Magenta, Gelb, Schwarz) 6 Druckfarben (+ Hellcyan und Hellmagenta für feinere Farbstufung) " Bedingt wegen Dithering eine hohe Auflösung, z.B. 2.400 x 1.200 dpi " Ziel: Fotorealistische Erzeugung der Farbe eines Pixels aus den Grundfarben des Druckers # Halbtonverfahren oder Dithering " Halbtöne können durch Änderung der Dichte dargestellt werden, z.B. Thermosublimationsdruck,

Pixeltiefe

! Farberzeugung

Auflösung

Punktgröße konstant, Farbdic hte variabel

Farbdic hte konstant, Punktgröße variabel

" durch Größenänderung der Punkte bei gleichbleibender Dichte, z.B. hochwertigen Tintenstrahldruckern (Halbtonsimulation) oder " durch Variation der Zahl der Punkte in einer Rasterzelle bei gleicher Punktgröße, z.B. beim Rasterpunktverfahren der Druckbranche oder Laserdruckern (Dithering) © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Dithering-Verfahren

! Halbton-Simulation: Rasterung [4, Lektion 4] " Kontinuierlicher Verlauf ≥ 256 Stufen, sonst Polarisation " Erzeugen einer Matrix von Punkten in Halbtonzelle " Kontrastverhältnis = Anteil Punkte in Halbtonzelle in % " Wie homogen Grautöne wirken, hängt von Punkteverteilung ab " Die Charakteristik von Halbton-Dithering-Mustern beinhaltet Halbton-Screen-Frequenz, Screen-Winkel, Punktform, Punktgröße

! Dithering " Druck hoher Auflösung mit Grundfarben gleicher Dichte " Erzeugung von Halbtönen durch Punkte in Rastermatrix " Rastern: Umsetzung kontinuierlicher Strukturen in ein Punktmuster © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Dithering-Verfahren

! Dispersed Dithering " Gleichmäßige Verteilung schwarzer Pkt. Ihre Anordnung in einer Halbtonzelle bestimmt je Grauton den optischen Eindruck.

! Clustered Dithering " Rasterpunkte werden nicht über Halbtonzelle verstreut, sondern gebündelt, quasi aus der Mitte heraus wachsend, erzeugt " Anordnung in Mustern, die für das Auge die bestmögliche Simulation von Punkten unter den denkbaren Kontrastierungen erreichen " Vorteil: Die mit Druckprozess und flüssigen Farbstoff verbundenen Ungenauigkeiten können besser ausgeglichen werden, führen zu weniger Halbtonverlusten " Kontrastumfang und Größe der Halbtonzelle wirken gegensätzlich, kann dazu führen, dass Halbtonzellen erkennbar werden # Anordnung um 45° gedreht © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Dithering-Verfahren

! Dispersed Dot Diffusion Dithering " Frequenzmodulierte Pixelverteilung, einzelne Pixel werden in Abhängigkeit vom Helligkeitswert des Ausschnittes gestreut (dispersed) angeordnet " Je dunkler ein Bildelement, um so höher die Streuung " Moiré-Effekte auf Grund sich überlagernder Rasterstrukturen werden vermieden

! Erzeugen von Farbtönen " Überlagerung von Halbtonzellen, Dispersed und Clustered Dithering " Vermeidung von Moiré-Effekten durch Drehung der Halbtonzellen (Magenta = 45°), unterschiedliche Pixel pro Zelle © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Laserdrucker

! Lasertechniken " Elektrostatisches Verfahren, als Druckfarbe wird Toner (feines Pulver) verwendet " Das auf Druckerauflösung umgerechnete Druckbild wird per Laserstrahl, rotierenden Ablenkspiegel u. Fokussierlinsen auf die lichtempfindliche Bildtrommel projiziert " Belichteten Stellen auf der Bildtrommel laden sich elektrostatisch auf, ziehen beim Vorbeidrehen an der Kartusche Tonerpartikel an; nicht belichtete Stellen bleiben frei " Trommel druckt Toner dann auf das Papier, wo er durch Druck und Hitze fixiert wird " ! Laserstrahl, " rotierender Ablenkspiegel, # Belichtungstrommel, $ Tonerkartusche, % Papier, % Papiertrommel, & unbedrucktes Papier, ' Druckergebnis

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Laserdrucker

! Farblaser-Techniken " Beim Vierfarbendruck (CMYK-System) sind 4 Rotationen der Belichtungstrommel # und 4 Papierdurchgänge % notwendig, die Kartusche $ dreht sich jeweils um 900 " Die Tonerkartusche (Einbaueinheit) besitzt für jede Grundfarbe eine Tonerkammer

! LED: Weiterentwicklung des Laser-Verfahrens " Belichtung der Bildtrommel erfolgt mit Leuchtdiodenzeile (LED = Light Emitting Diode), die nebeneinander angeordnet die physikalische Druckerauflösung, z.B. 600 dpi, bestimmen " Vorteil: kein aufwendiges Linsensystem, Bauweise kompakter, Einbau von 4 Druckwerken möglich (Single-Pass-Verfahren) © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Thermodrucker

! Thermosublimationsdrucker " Farbe wird durch Hitze vom Farbband in das Papier eingedampft (»sublimiert«). " Das Farbband besteht aus mit den Komponentenfarben beschichteten Trägerfolie " CMY(K)-Bänder: Jede Grundfarbe bedeckt die Trägerfolie in voller Seitengröße, danach folgt die nächste Farbkomponente. Jede Grundfarbe wird in einem separaten Durchgang gedruckt. Farbbänder werden nur 1x verwendet, nicht genutzte Teile sind Müll " Druckkopf enthält pro Bildpunkt ein Heizelement " Über Temperatur wird Menge der übertragenen Farbe gesteuert, geht in gasförmigen Zustand " Echte Halbtonbilder, gerastert oder gedithert " ! Thermodruckkopf, " Druckpapier, # Farbfolie, $ unbedrucktes Papier, % Druckergebnis, % Rolle mit frischer Folie, & Rolle mit verbrauchter Folie © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Thermodrucker

! Thermotransferdrucker " Gleicht in vielen Punkten der Thermosublimation. Die Farbe wird von einem mit Wachs beschichteten CMY(K)-Farbband auf Spezialpapier übertragen. " Gleiche Nachteile: lange Druckzeiten, hohe Verbrauchskosten, großer Verbrauchsmüll " Keine echten Halbtöne, Bilder werden gerastert, was die Detailauflösung gegenüber der Thermosublimation und dem ThermoautochromVerfahren sichtbar reduziert " Druck ist leicht an Oberflächenglanz erkennbar

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Thermodrucker

! Thermoautochrom-Verfahren (Fuji) " Farben werden nicht von außen auf das Papier aufgetragen, sondern in verschiedenen Schichten des Papiers aktiviert. Im strengen Sinne kein Druckverfahren " Papier besitzt 3 Emulsionsschichten, die sich bei Hitzeeinwirkung färben: je eine für die Farbkomponenten Cyan, Magenta und Gelb. " Jede Farbschichten ist für einen anderen Temperaturbereich empfindlich, deshalb sind 3 Durchgängen notwendig. Durch Bestrahlung mit UV-Licht Fixierung " Vergleichbar mit Fotopapier, das nicht auf Licht sondern auf Hitze reagiert " Farben entstehen auf Molekülbasis, es gibt weder ein Raster noch Dithering " Auflösung wird durch die Heizzeilen bestimmt, maximal 300 dpi " Empfindlichkeit der Emulsionsschichten variiert im jeweiligen Temperaturbereich, über Temperaturregelung kann die Menge der aktivierten Farbmoleküle gesteuert werden. Dadurch ist echte Halbtonwiedergabe möglich. © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Projektionstechniken

! Röhrenprojektoren " Jede Grundfarben (RGB) eine Bildröhre

! LCD-Projektoren " Am weitesten verbreitete Projektorart

! DLP-Projektoren " Neue „Digital Light Processing“ Technik von Texas Instruments

! Laser Projektoren " Für Großraum-Projektionen

! Anwendung von Projektoren: CAVE © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Projektionstechniken: Röhren

! Röhrenprojektoren (aktiv) " Drei Bildröhren, projizieren jeweils ein R-, G- oder B-Bild " Durch additive Farbmischung entsteht ein buntes Bild " Bedingen für Deckungsgleichheit exakt Einstellung # nur für feste Installation geeignet " Vorteile: – Keine Lochmaske und feste Pixeleinteilung, damit sind sehr große Auflösungen möglich – Guter Schwarzwert, an Stellen wo es dunkel sein soll, ist die Röhre aus – Sehr natürliche Farben, geeignet für große Räume (30 kV Beschl.spannung, 300/500 lm)

" Nachteile: – Sehr groß und schwer, – Einstellung wesentlich komplexer als bei LCD- oder DLP-Projektoren – Kein richtiges Weiß, nachteilig bei Computer-Projektion © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Projektionstechniken: LCD

! LCD-Projektoren (passiv) " Licht-Ventil-Verfahren (Liquid Crystal Light Valve) – Licht wird über spezielle Spiegel in Rot- Grün und Blauanteile zerlegt und anschließend auf je ein LCD-Display gelenkt – Z.B. wird blauer Lichtanteil durch ein Display mit B-Bild gelenkt – Prinzip „Licht-Ventil“, nur durchlässig für blaues/rotes/grünes Licht – Einzelbilder (RGB) über Spiegel zum Farbbild zusammengesetzt – Vorteil: sehr hohe Lichtausbeute, z.T. über Röhrenprojektoren – Nachteil: geringe Auflösung gegenüber Overhead-Verfahren

" Overhead-Verfahren – Prinzip eines Overheadprojektors (durchsichtige Folien, werden durchstrahlt + projiziert) – LCD-Display wird durchstrahlt, mit Hilfe eines Spiegels umgelenkt und projiziert. Scharfstellung über eine Linse – Vorteil: gegenüber Licht-Ventil-Verfahren hohe Auflösung – Nachteil: geringe Lichtausbeute gegenüber dem Licht-Ventil-Verfahren © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Projektionstechniken: DLP

! DLP-Projektoren (passiv) " Kern: Mikrochip (DMD=Digital Mirror Device) mit ≈ 500.000 16 x 16 µm Spiegel " Jeder Spiegel dient der Wiedergabe eines Pixels, kann bis zu 1000 mal pro Sekunde durch elektrische Impulse gekippt werden. " Je Spiegelstellung wird mehr / weniger Licht projiziert " Drei Bauarten: 1- / 2- / 3-Chip System " 1-Chip-Systeme: – Optische System besteht aus einer sich drehenden durchsichtigen Farbscheibe, durch die Licht auf den DMD-Chip fällt. – Ist der blaue Bereich der Farbscheibe im Strahlengang, fällt also blaues Licht auf den DMD-Chip, werden alle Spiegel, die Blau wiedergeben entsprechend gekippt – Intensität durch Häufigkeit der Kippbewegung eingestellt © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Projektionstechniken: DLP

! DLP-Projektoren: 2-Chip-Systeme " Farbrad besitzt nur 2 Farben (Magenta und Gelb) " Nach Farbrad wird Licht mit Prisma in RGB zerlegt " Das Farbrad lässt rotes Licht immer durch, blaues nur dann, wenn die Lampe gerade den MagentaBereich, grünes nur dann, wenn sie den gelben Teil durchstrahlt " Das rote Licht wird auf einen DMD-Chip gelenkt, Blau und Grün auf den zweiten. Die Einzelspiegel bewegen sich wiederum synchron zum Farbrad " Rot wird also durchgängig wiedergegeben. Dies wird durch den schwach ausgebildeten Rotlichtanteil der Metall-Halid-Lampen ausgeglichen " Vorteil: höhere Lichtausbeute " Nachteil: höhere Kosten wegen 2. DMD-Chip © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Projektionstechniken: Laser-Technik

! Laser Projektoren (LDT Technik, aktiv) " Laser-Projektoren erzeugen immer ein scharfes Bild, auch wenn auf eine Kugel projiziert wird. Der Projektor kann kilometerweit von der Leinwand entfernt stehen " Videosignale (PAL, HDTV, XGA) werden vom Eingangsmodul digitalisiert in ein Farbformat transformiert (Farbe, Helligkeit je Bildpunkt) " Das für die Darstellung des Bildes notwendige Licht wird vom Festkörperlaser erzeugt " Jeweils ein R-, G- und B-Lichtbündel wird gemäß Videosignal in der Helligkeit gesteuert und zu einem Lichtstrahl vereinigt " Dieses wird über Lichtleitfaser zum schwenkbaren Projektionskopf übertragen. " Ablenkspiegel im Projektionskopf schreiben die Bildpunkte zeilenweise auf die Projektionsfläche © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Projektionstechniken: 3D Anwendungen

! CAVE: 3D-Projektion im realen Raum " Der Betrachter befindet sich in einem realen Raum (Spatial Immersive Display). Durch synchronisierte Projektionen auf dessen Wände wird dieser zu beliebigem virtuellen Raum. " Die Bilder werden über Spiegel auf die Außenwände der CAVE projiziert " Meist werden 4 Wände für die Projektion genutzt, es existieren jedoch auch solche mit 5 oder 6. " Ständiges tracking der Position und Blickrichtung des Betrachters und Einbeziehung in die Bildberechnung ist notwendig " Nachteile: hoher Rechenaufwand, Platzbedarf © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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Literatur [0] Böhringer, J.; Bühler, P.; Schlaich, P.; Ziegler, H.-J.: Kompendium der Mediengestaltung für Digital- und Printmedien. Springer Berlin, 2000/2003, ISBN 3540435581 [Vorsicht Fehler!] [1] Color Control GmbH; Lexikon Farbmeßtechnik; http://www.colour-control.com/farblex_text.html#Messgeometrie450r [2] Göhring, D.; Digitalkameratechnologien; Seminararbeit 12.08.2002; Universität Berlin; http://www.informatik.hu-berlin.de/~meffert/Seminararbeiten/Weitere/Cmos/Ccd-cmos.pdf [3] Freitag, B.; Thema: Farbe (Scannen – Drucken – Kalibrieren); Universität Passau; SS2000; http://www.fmi.uni-passau.de/~brandlt/uni/Farbe_monitor.pdf [4] Agfa; Digital Fotokurs; http://www.agfanet.com/de/cafe/photocourse/digicourse/cont_index.php3 [5] TFT – Displays: HighTech als revolutionärer Zwischenschritt; http://www.hpfsc.de/tft/index.html [6] HCinema; Projektor-Technologien; http://www.hcinema.de/menuprojektor.htm [7] Schneider Laser-Technologie AG; Grundprinzip Laser-Display-Technologie; http://www.schneider-ag.de/deutsch/laser/technologie/us_grundlagen.html [8] Dave Pape; Electronic Visualization Laboratory (EVL); Universität of Illinois; http://www.evl.uic.edu/pape/CAVE/ [9] Homann, J.-P.; Digitales Color-Management; Springer; 2000; ISBN 354066274X; Euro 69,95 [10] Schmidt U., Professionelle Videotechnik. Analoge und digitale Grundlagen, Signalformeln, Videoaufnahme, Wiedergabe, Speicherung, Signalverarbeitung und Studiotechnik, SpringerVerlag, 2000, Auflage: 2.; ISBN: 3540668543; Euro 89,95 © Prof. Dr. K. Meißner; ‘Einführung in die Multimediatechnik - 3. Peripheriesysteme für Bildmedien‘’

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