Digitale Entfernung von Staub, Kratzern und Schimmel bei Dia-Scans

Aufgrund der wirtschaftlichen Vorteile geht der Trend bei Scan-Dienstleistern hin zum „Abfotografieren“ mit schnellen Kamera-Scannern. Nun werben einige Scan-Dienstleister damit, der eingesetzte Kamera-Scanner bilde Staub- und Kratzer aufgrund einer speziellen Beleuchtung nur noch geringfügig ab. Folglich könne man auch gleich ganz auf eine digitale Reinigung verzichten.

Dazu einige Grundgedanken: Bei punktförmigen Lichtquellen verhalten sich Bilddefekte wie Staub und Kratzer auf Dias ähnlich wie Objekte in der prallen Mittagssonne. Fotografen meiden das harte Licht zur Mittagszeit, weil Schlagschatten dann besonders aufdringliche Kontraste verursachen. Insbesondere die LED-Lichtquellen kompakt aufgebauter Zeilenscanner sind typischerweise als Leuchtzeile ausgeführt und erzeugen so ein vergleichsweise hartes Licht. Folglich werden Bilddefekte bei diesen Scannern entsprechend kontrastreich abgebildet. Im Gegensatz dazu verfügt ein Kamera-Scanner über einen Flächensensor und benötigt aus technischen Gründen ein großes Leuchtfeld. Das damit verbundene weiche Licht hat tatsächlich den Nebeneffekt, dass Staub- und Kratzer beim Kamera-Scanner weniger aufdringlich abgebildet werden wie beim Nikon-Scanner(Coolscan-Serie) . Doch reicht das, um gleich ganz auf eine Staub- und Kratzerentfernung verzichten zu können?

Beim ersten Beispiel handelt es sich um das Scan-Ergebnis eines Zeilenscanners, der Störstellen typischerweise deutlich abbildet. Die nachfolgend vergrößert dargestellten Ausschnitte 1 und 2 sind als Markierungen eingezeichnet:

In Bild 2 zeigt der Ausschnitt Nr. 1 oben einen feinen Kratzer und darunter einen breiten Kratzer, der sich aus mehreren feinen Kratzern zusammensetzt. In Ausschnitt Nr. 2 ist ein großflächiger Schimmelbefall abgebildet. Mit Ausnahme des feinen Kratzers haben die Störstellen ein Ausmaß, das über die Möglichkeiten einer automatisierten Reinigung hinausgeht. Trotzdem eignen sich diese Defekte zusammen mit dem feinen Kratzer gut, um die Auswirkung des harten Lichts eines Zeilenscanners auf die Abbildung der Störstellen zu demonstrieren:

Das nächste Bild zeigt das Ergebnis des Kamera-Scanners:

Aufgrund des weicheren Lichts des Kamera-Scanners ist der feine Kratzer in Bild 4 bei der hier gezeigten vollen Scan-Auflösung fast nicht mehr zu sehen. Anders der breite Kratzer, die neu hinzu gekommene Staubfaser und der großflächige Schimmelbefall:

Das folgende Bild des Kamera-Scanners enthält außer kleineren Staub- oder Schimmelpunkten keine nennenswerten Störstellen. Das Dia befindet sich in einem entsprechend guten Erhaltungszustand. Für die Verwendung bei geringerer Auflösung z.B. im Internet mag das Ergebnis ausreichen, doch spätestens am HD-Monitor bei voller Auflösung sind Staub und Stockflecken nicht mehr zu übersehen:

Die gezeigten Beispiele aus der Praxis bestätigen zwar die geringere Auswirkung von Bilddefekten. Aufgrund der Größe des bei jedem Kamera-Scanner eingesetzten Leuchtfeldes werden Störstellen weniger auffällig abgebildet. Doch nur sehr feine Kratzer werden tatsächlich ausgeblendet. Folglich kann das Licht eines Kamera-Scanners alleine keine digitale Reinigung ersetzen. Selbst bei hervorragendem Zustand des Ausgangsmaterials und mechanischer Vorreinigung kann von zuverlässigen Ergebnissen kaum die Rede sein.

Ein rein software-gestütztes Verfahren wird von Rasch-Diascan nicht eingesetzt. Hingegen können Scan-Dienstleister, welche Dias abfotografieren, bestenfalls ein rein softwaregestütztes Verfahren einsetzen – außer sie verfügen über eine eigens entwickelte Infrarot-Reinigung. Das Ergebnis dieser oft wohlklingend als Digitale Staub- und Kratzerentfernung bezeichneten Variante hängt maßgeblich von den folgenden zwei Bearbeitungsstufen ab:

• Erkennung von Defekten
  
  
• Retuschierung von Defekten
  
  

Unterstützt die Hardware keinen zusätzlichen Infrarot-Scan, so fehlt der Software ein sicheres Fundament für die zuverlässige Erkennung von Defekten. In diesem Fall bleibt der Software nur noch die Möglichkeit, über eine digitale Bildanalyse nach Mustern zu suchen, die typisch für Defekte sind. Da es jedoch keine eindeutigen Muster zur Erkennung von Defekten gibt, bleibt die automatisiert eingesetzte Erkennung von Defekten ein rein spekulatives System. Die Ergebnisse können immer nur ein Kompromiss zwischen verlorenen Bilddetails einerseits und noch vorhandenen Defekten andererseits sein.

Das Verfahren wird dann als software-basierte Staub- und Kratzerentfernung eingeordnet, die als manuelles Werkzeug eingesetzt durchaus gute Ergebnisse erreicht. Der erfahrene Anwender kann über verschiedene Parameter direkt in die Defekterkennung eingreifen und die Ergebnisse über eine Vorschau kontrollieren. Die so erzielten Ergebnisse sind denen eines einfachen Weichzeichners klar überlegen, weil in den nicht als Defekt erkannten Bildbereichen die Details erhalten bleiben. Doch das manuelle Verfahren ist mit Zeit- und Arbeitsaufwand verbunden. Die folgende Scan-Datei ist unbereinigt und enthält unter anderem eine deutlich sichtbare Staubfaser im oberen Bildbereich:

Das folgende Bild zeigt einen Ausschnitt mit markierten Störstellen einer softwarebasierten Staub- und Kratzer-Erkennung, die magentafarben hervorgehoben sind. Der weiße Pfeil kennzeichnet die zu entfernende Staubfaser. Im automatisierten Einsatz würden mit den hier gezeigten Einstellungen auch Mauerfugen, die Kanten eines Fenstergitters sowie diverse Kabelteile als Defekte retuschiert werden:

Das nachfolgende Bild ist ein Motiv, bei dem Staub- und Kratzer aufgrund der homogenen Farbflächen typischerweise auffallen.

Das folgende Bild zeigt wieder einen Ausschnitt mit markierten Störstellen der softwarebasierten Staub- und Kratzer-Erkennung. Die weißen Pfeile kennzeichnen einzelne Störstellen. Mit den hier verwendeten Einstellungen würden auch Teile des Palmenblattes retuschiert werden. Bei den kleinen schwarzen Punkten handelt es sich um einen beginnenden Befall mit Schimmel, der sich später in Form dünner Fäden weiter ausbreitet:

Die hier gezeigten Nachteile der softwarebasierten Staub- und Kratzerentfernung lassen sich nur verhindern, indem ein Bildbearbeiter individuell für jede Bilddatei korrigierend eingreift. Insofern hat das Verfahren im manuellen Einsatz durchaus seine Berechtigung, wenn die Kosten für den manuellen Arbeitseinsatz keine Rolle spielen.

Damit die digitale Staub- und Kratzerentfernung auch automatisiert zuverlässige Ergebnisse liefern kann, muss zunächst einmal die erste Bearbeitungsstufe mit der Erkennung von Defekten verbessert werden. Genau da setzt eine Infrarot-Reinigung an. Der Scanner muss dafür mit zusätzlicher Hardware für einen Infrarot-Scan ausgestattet sein.

Die Erkennung von Defekten mittels Infrarotstrahlung basiert auf einer besonderen Eigenschaft von Diafilmen, die sich besonders deutlich bei Diafilmen zeigt, die nach dem Ektachrome-Prozess („E6-Prozess“) entwickelt worden sind. Vergleichbar mit einer Röntgenaufnahme durchdringt Infrarotstrahlung die Farbschicht der Dias mehr oder weniger ungehindert, während Störstellen wie Staub, Kratzer oder vereinzelt auftretende Schimmelpartikel als dunkle Schatten auf dem Infrarotbild erscheinen. Die Software erhält damit die erforderliche Basis, um Defekte zuverlässig zu lokalisieren und zielgerichtet retuschieren zu können. Die nicht als Störstelle erkannten Bildbereiche bleiben unverändert. Feine Details und die Schärfe bleiben so erhalten. Dies ist das entscheidende Merkmal für eine hardwarebasierte bzw. infrarotbasierte Staub- und Kratzerentfernung.

Ein derartiges System wurde bereits 1993 von IBM patentiert. IBM lizenzierte das Patent an die Applied Science Fiction (ASF), die den software-technischen Teil des Verfahrens entwickelte, als Digital ICE vermarktete und später von Kodak übernommen wurde. Einige Hersteller von Scannern wie z.B. Nikon lizensierten Digital ICE, andere entwickelten eigene Verfahren wie FARE (Canon), iSRD (LaserSoft Imaging) oder Infrared Clean (VueScan, Hamrick Software).

Die verschiedenen Verfahren der Infrarot-Reinigung wurden zu einer Zeit entwickelt, als Zeilen-Scanner (engl.: line scanner) noch der Stand der Technik waren. Wie bereits erwähnt haben jedoch viele Scan-Dienstleister auf das schnellere und somit wirtschaftlich vorteilhafte „Abfotografieren“ von Dias umgestellt. Technisch betrachtet handelt es sich bei diesen Systemen um Flächen-Scanner (engl.: area scanner). Das Bild wird nicht mehr zeitaufwändig über eine Zeilenkamera mit mechanischem Motorantrieb abgetastet (engl.: to scan) sondern über den Bildsensor einer Flächenkamera. Hinter diesem in der industriellen Bildverarbeitung verwendeten Begriff verbirgt sich technisch betrachtet nichts anderes, als eine moderne Digitalkamera mit Flächensensor. Bei diesem wird das Bild zwar auch zeilenweise abgetastet, doch das geschieht so schnell, dass es bestenfalls bei den sich drehenden Rotorblättern eines Hubschraubers sichtbar wird.

Eine hardware-unterstützte Infrarot-Reinigung mit einem modernen Kamera-Scanner und »IR-Clean« erhalten Sie ausschließlich bei Rasch-Diascan. Die existierenden Systeme für eine Infrarot-Reinigung sind nämlich hardware-abhängig und können folglich nicht ohne Weiteres für das „Abfotografieren“ von Dias genutzt werden. Um aus diesem Dilemma herauszukommen, haben wir bei Rasch-Diascan mit einer modifizierten Digitalkamera Sony α7R III einen Flächen-Scanner bzw. Kamera-Scanner entwickelt, der auch einen Infrarot-Scan unterstützt. Der software-technische Teil des Systems »IR-Clean« wurde in Javascript umgesetzt. Auf diese Weise lassen sich die Scans vollautomatisiert in Adobe Photoshop verarbeiten.

Störstellen wie Staub, Kratzer oder Schimmel treten in der Praxis mit unterschiedlich starkem Kontrast auf. Der folgende Infrarot-Scan enthält typische Störstellen zu Bild 8 wie Staub oder vereinzelte Schimmelpartikel („Stockflecken“), die bei dieser geringen Ausbreitung noch retuschierbar sind:

Die erste Stufe der software-technischen Verarbeitung des Infrarotbildes ist die Erkennung von Störstellen. Danach folgt immer die zweite Bearbeitungsstufe mit der Retuschierung von Defekten. Kleinere Defekte werden einfach durch die Umgebungsfarbe ersetzt. Bei größeren Defekten können darüber hinaus nach dem von Rasch-Diascan für den Kamera-Scanner entwickelten Verfahren auch unterbrochene geometrische Strukturen wiederhergestellt werden. Dazu erfasst eine intelligente Bildanalyse beispielsweise abgegrenzte Farbflächen oder Objektkanten der Umgebung. Mit Einschränkungen ist dieses Konzept schon seit »IR-Clean 2.0« im Einsatz. Das nachfolgende Ergebnis zeigt, dass ein geringer Schimmelbefall durchaus auch mit den Standard-Parametern der automatisierten Infrarot-Reinigung retuschiert werden kann:

Das von Rasch-Diascan entwickelte Verfahren »IR-Clean« kommt auch bei einer vollautomatisierten Verarbeitung zu guten Ergebnissen. Das Risiko für Artefakte konnte mit der Version IR-Clean 2.1 auf nahezu Null reduziert werden. Am besten werden dunkle Schmutzpartikel oder meist schwarze Schimmelpunkte „Stockflecken“ erfasst. Letztere breiten sich typischerweise vom Rand nach innen aus. Später wachsen aus den dunklen Schimmelpunkten fadenförmige Strukturen, die weniger kontrastreich sind und somit ähnlich wie Kratzer schwieriger zu erfassen sind. Trotzdem sind auch bei fortgeschrittenem und großflächigem Schimmelbefall noch deutliche Verbesserungen machbar. Der Übergang von gut erhaltenem Bildmaterial bis zum restaurierungsbedürftigen Zustand ist fließend. Das nächste Bild ist ein Beispiel für die automatische Retuschierung eines Kratzers, der vor oder bei der Filmentwicklung entstanden ist:

Das Ergebnis zeigt, dass der Kratzer nach der Bearbeitung mit IR-Clean 2.1 bei voller Scan-Auflösung immer noch erkennbar ist. Mit einem durchgehenden Kratzer von etwa 10 Pixel Breite muss das Dia als stark beschädigt eingestuft werden. Ein runder Staubpartikel mit dem gleichen Durchmesser würde kaum auffallen, doch bei einer geraden Linie ist das einfach anders:

Bisher war ein derart beschädigtes Dia ein Fall für die manuelle Restaurierung – was die vollautomatisierte Infrarot-Reinigung bisher nicht leisten konnte. Erst mit der Version IR-Clean 2.2 besteht seit August 2022 die Möglichkeit, auch bei größeren oder linienförmigen Bilddefekten mit geringem Kontrast automatisiert zu sehr guten Ergebnissen zu kommen. Das verbesserte Verfahren ist für alle Diafilme einsetzbar, die für Infrarot-Strahlung durchlässig sind. In diesem Fall handelt es sich bei der Retuschierung um die bereits angesprochene intelligente Bildanalyse. Bei der Retuschierung werden die schrägen Kanten des Hintergrunds genauso beachtet wie die körnige Struktur der farblichen Umgebung:

Die erste Version IR-Clean 1.0 war noch ausschließlich auf infrarot-durchlässige Diafilme beschränkt. Darunter fällt die Mehrheit aller Diafilme, die etwa ab Mitte der 80er-Jahre nach dem E6-Prozess entwickelt wurden. Doch auch Diafilme aus den 50er-Jahren wie z.B. einige Fabrikate unter der Marke Agfacolor zeigen infrarot-transparente Eigenschaften. Trotzdem wirkt ein großer Teil der vor Mitte der 80er produzierten Filme zumindest teilweise blockierend auf Infrarot-Strahlung. Die Problematik wird von vielen Scan-Dienstleistern heruntergespielt oder verschwiegen, was kundenseitig häufig zu einer falschen Erwartungshaltung gegenüber Billig-Anbietern führt.

Um hier eine Lösung anbieten zu können, haben wir das softwaretechnische Verfahren weiterentwickelt. Seit der Version IR-Clean 2.0 ist eine infrarot-basierte Staub- und Kratzerentfernung auch für infrarot-blockierend wirkende Diafilme wie Kodachrome, AGFA CT 18, ORWO usw. verfügbar. Dieses Filmmaterial ist für Infrarot-Strahlung weniger gut durchlässig. Das Verfahren ist daher mit einem höheren Aufwand und dem Risiko verbunden, dass es zu sogenannten Artefakten kommt. Trotzdem gibt immer noch Mitbewerber, die behaupten, eine Infrarot-Reinigung sei bei diesem Filmmaterial überhaupt nicht möglich. Richtig ist: Nur die Infrarot-Reinigung von Schwarz-Weiß-Diafilmen ist technisch unmöglich. Das Risiko für Artefakte bei allen Farb-Diafilmen haben wir inzwischen auf nahezu Null reduziert.

Schon vor dem Oktober 2021 konnten wir eine Infrarot-Reinigung für die betroffenen Diafilme durchführen. Möglich war dies jedoch ausschließlich mit den alten Zeilenscannern von Nikon in Verbindung mit der Software VueScan Professional. Die nachfolgenden Ergebnisse zeigen, dass dem gegenüber die um zwei Jahrzehnte modernere Technik des exklusiv bei Rasch-Diascan eingesetzten Kamera-Scanners mit »IR-Clean« qualitativ einen klaren Vorteil bedeutet.

Die Bilder 15 und 16 erlauben einen Vergleich zwischen einem Nikon LS-5000 ED und dem Kamera-Scanner. Es handelt sich um ein Dia aus dem Jahr 1963 mit starkem Schimmelbefall, das ursprünglich in einem verglasten Diarahmen aufbewahrt wurde. Auf den ersten Blick ist das ein Fall für die Mülltonne. Die Digitalisierung erfolgte im glaslosen Rahmen. Das eingesetzte Filmmaterial ist ein AGFA CT 18, der entsprechend dem Prozess AP-41 entwickelt wurde und daher infrarot-blockierende Eigenschaften hat. Aufgrund des Alters kam noch ein starker Farbstich hinzu, daher wurde hier die Variante der Farbautomatik verwendet. Da der Kamera-Scanner eine etwas höhere Auflösung hat, mussten beide Scans aufeinander angepasst werden – der Vergleich kann insofern nur noch qualitativ bewertet werden.

In voller Auflösung fällt beim Nikon-Scanner eine Randunschärfe auf. Diese Unschärfe erklärt sich durch die Wölbung des Diafilms, die am Rand die größte Abweichung hat, weil auf die Bildmitte fokussiert wird. Hier ist der Kamera-Scanner aufgrund einer größeren Schärfentiefe klar im Vorteil. In der Bildmitte können beide Scanner die Schärfe des Dias etwa gleich auflösen, trotzdem zeigt das Ergebnis des Nikon-Scanners auffällige fadenförmige Strukturen im Bereich des Himmels, die mit einem starken Schimmelbefall zusammenhängen. Auch hier hat der Kamera-Scanner deutlich erkennbare Vorteile, weil Störungen wie Staub, Kratzer und Schimmel aufgrund des weicheren Lichts weniger deutlich abgebildet werden.

Im vorliegenden Beispiel erfüllt die Infrarot-Reinigung von VueScan quasi die Funktion einer Restaurierung. Das ist durchaus beeindruckend, doch das folgende Bild 17 zeigt auch, dass die vom Nikon-Scanner kontrastreicher erfassten Störstellen insgesamt nachteilige Folgen für das Ergebnis haben:

Das Ergebnis des Kamera-Scanners ist dem gegenüber eindeutig überlegen. Das hängt damit zusammen, dass schon das Ausgangsbild aufgrund des weicheren Lichts der Hardware geringere Störungen aufweist:

Das sind die Vorteile des von Rasch-Diascan entwickelten hardware-unterstützen Verfahrens »IR-Clean«:

• Die Basis ist ein moderner Kamera-Scanner mit hochwertiger Optik und wirtschaftlich vorteilhafter Verarbeitungsgeschwindigkeit.
  
  
• Alle Dia-Farbfilme inklusive Kodachrome können verarbeitet werden.
  
  
• Die Verabeitung mit »IR-Clean« erfolgt vollautomatisiert. Voraussetzung dafür ist derzeit, dass die Scans nach infrarot-blockierenden und infrarot-durchlässigen Dias getrennt werden.
  
  
• Die Trennung der Dia-Scans anhand von Infrarot-Bildern ist möglich.
  
  

Eine Infrarot-Reinigung ist bis heute die effizienteste Methode für eine Staub- und Kratzerentfernung, die bisher den typischerweise langsam arbeitenden Zeilenscannern vorbehalten war. Die Mehrheit der Scan-Dienstleister, die moderne und wirtschaftliche Kamera-Scanner einsetzen, verfügen bestenfalls über eine softwarebasierte Staub- und Kratzerentfernung, die gerne auch wohlklingend als digitale Staub- und Kratzerentfernung vermarktet wird. Man wird sich vermutlich schwer tun, überhaupt einen Kamera-Scanner mit hardwarebasierter Infrarot-Reinigung am Markt zu finden.

Mit der RGBi-Datei (64 Bit, RGB + Infrarot) als Archivierungsformat sind die Dias bei Rasch-Diascan inklusive der Scan-Ränder bestmöglich für die Zukunft gesichert. So konnten inzwischen Scan-Dateien von infrarot-blockierend wirkenden Diafilmen aus den Jahren 2020 und 2021 mit IR-Clean 2.0 für 3 Cent pro Datei nachbearbeitet werden. Zugleich wurde dabei auch das spezielle Farbprofil für Kodachrome-Filme ergänzt. Mit IR-Clean 2.2 lassen sich nun auch bei vielen größeren Bilddefekten noch hervorragende Ergebnisse erzielen, die sich sowohl in die Struktur als auch in die Geometrie des Hintergrunds nahtlos einfügen. Auch Nachbestellungen auf Basis der RGBi-Dateien sind selbstverständlich möglich.



Helmut Rasch, August 2022