WIESBADEN - Von ersten Erfahrungen in der digitalen Bildverarbeitung kann Hessens Zentrale für DV in Wiesbaden (HDZ) berichten: Text und Grafik wachsen - so wie es der Anwender wünscht - zusammen. Der Blick auf unterschiedlichste Einsatzmöglichkeiten wird frei. Derzeit aber behindern Schere und Klebstoff noch den Durchsatz der neuen Technik in der Verwaltung.
"Digitale Bildverarbeitung" ist im Rahmen der Automatisierten Informationsverarbeitung neben der eigentlichen Datenverarbeitung und der Textverarbeitung ein Teilbereich der heutigen ADV, nämlich die Darstellung bildlicher Informationen.
Dies sollte nicht mit dem geläufigen Begriff der Grafischen Datenverarbeitung verwechselt werden. Grafische Datenverarbeitung - ein unsinniger Begriff, denn so wie es auch nicht textliche Datenverarbeitung sondern Textverarbeitung heißt müßte es Grafikverarbeitung heißen - befaßt sich mit der Erzeugung, Speicherung, Veränderung und Ausgabe von Grafiken.
Sie sind eine Untermenge aller bildlichen Darstellungsformen, nämlich die strichorientierten Abbildungen. Die Wirklichkeit unserer Umwelt bietet sich aber flächig dar. Grafiken sind somit nur eine abstrahierte Abbildung der Wirklichkeit; die Linien einer Grafik werden erst durch assoziative Prozesse des Gehirns in flächige Bilder umgesetzt und damit erkennbar.
Die Beziehungen zwischen grafischer Bildverarbeitung (statt grafischer Datenverarbeitung) und digitaler Bildverarbeitung verdeutlicht ein Vergleich von einer Tuschezeichnung und einem Foto anschaulich.
So wie in einer Tuschezeichnung eine Information mit wenigen Strichen auf einem Zeichenblatt festgehalten wird, arbeitet die grafische Bildverarbeitung mit Strichdarstellungen, und so wie ein Fotoapparat Informationen auf das lichtempfindliche Silberkornraster eines Fotopapiers überträgt, arbeitet die digitale Bildverarbeitung mit der Auflösung der Bildfläche in eine Vielzahl kleinster Bildpunkte (in diesem Zusammenhang fällt häufig der Begriff der Raster-Grafik).
Die Arbeitsmittel sind unterschiedlich, also sehen auch die Ergebnisse unterschiedlich aus. Trotzdem wird man in vielen Anwendungsfällen aus beiden Abbildungsarten die gleichen Informationen herauslesen können.
Bitmap - Herz der digitalen Bildverarbeitung
Daß man sich bisher in der ADV fast nur mit grafischer Bildverarbeitung beschäftigte, obwohl Grafiken ein viel höheres Abstraktionsniveau voraussetzen als Bilder, lag an den noch fehlenden technologischen Voraussetzungen. Zunächst einmal konnte man mit Computern nur Strichgrafiken speichern und ausgeben, obwohl es die punktorientierte Bildverarbeitung (wie Fernsehen, Bildschreiber) schon gab. Das technische Problem lag in der Speicherung der Bildinformationen.
Zur digitalen Speicherung der Informationen eines Bildes muß man die gesamte, zunächst analoge Bildfläche in eine Vielzahl kleinster, matrixartig angeordneter Bildpunkte auflösen. Diese diskreten Bildpunkte nennt man "pixels" (aus "picture elements"). Im Rechner wird ein binäres Abbild dieser Pixel-Matrix abgespeichert. Das ist die sogenannte "bitmap". Jede Speicherzelle dieser Matrix entspricht hier einem Rasterpunkt auf der Bildfläche (Abb. 2).
Diese direkte Verknüpfung zwischen gerastertem Bild und binärem Bildspeicher bietet eine Reihe von Vorteilen für grafische Darstellungen. Da die Rasterpunkte eines Bildschirms direkt durch die Bitmap angesteuert werden, können auch Korrekturen in Echtzeit vom Bildschirm an die Bitmap zurückgegeben werden. Hierzu benutzt man sogenannte Lichtgriffel, mit denen man quasi auf dem Bildschirm malen kann. Die Dauer zum Neuaufbau des korrigierten Bildes hängt dann nur noch von der Bildwiederholungszeit des Bildschirms ab.
Es gibt nun eine Reihe von arithmetischen und logischen Matrix-Operationen, die, angewandt auf solche Bitmaps, für die maschinelle Bearbeitung und Manipulation von Bildern von hoher Effektivität sind. Zu solchen maschinellen Operationen gehören das Verdicken von Linien und Füllen von Flächen genauso wie das Herausfiltern bestimmter Bildbereiche, die Verschiebung von Bildteilen sowie die grafischen Arbeitsgänge Clipping, Masking und die Montage von Bildern.
Zur Erzeugung einer exakten Doppellinie ist eine zweimalige Verdickung und eine anschließende Und-Nicht-Verknüpfung mit dem Urbild ausreichend. In der grafischen Bildverarbeitung sind komplizierte Rechenalgorithmen notwendig. Ebenso einfach sind Freistellungen von Symbolen und Texten durch einfaches Überschreiben der entsprechenden Speicherstellen in der Bitmap zu realisieren, Operationen, die grafisch nicht möglich sind. Durch einfache mathematische Bitmap-Operationen können sogar Aufnahmen, die verwackelt oder falsch belichtet waren, wieder lesbar gemacht werden. Diese Operationen sind durch die binäre Matrixstruktur der Bilddaten optimal auf die Arbeitsweise einer Prozessoreinheit ausgelegt und laufen daher mit hohen Rechengeschwindigkeiten ab.
Farbe im Raster: unbegrenzte Möglichkeiten
Auf einem Bildschirm erscheint eine Bitmap als ein Bild aus aktivierten und nichtaktivierten Bildpunkten, also als Schwarzweißbild (beziehungsweise in Schwarzbernstein oder Schwarzgrün, je nach Bauart des Bildschirms). Unsere Welt ist aber farbig. Farbige Abbildungen enthalten mehr optische Reize und stellen somit eine Hilfe für den Betrachter von Bildern dar.
Farbdarstellungen lassen sich in der digitalen Bildverarbeitung relativ einfach realisieren, wenn man statt einer binären Schwarzweiß-Matrix mehrere Bit-Ebenen benutzt. Durch das Zusammenspiel von drei Bit-Ebenen können beispielsweise die drei Farbkanonen eines Farbmonitors direkt gesteuert werden. So kann man die drei Grundfarben (Rot, Grün, Blau) und ihre Additionen (Gelb, Türkis, Violett und Weiß) darstellen, also insgesamt sieben (acht) Farben. Mit zunehmender Anzahl Speicherebenen läßt sich die Zahl der unterscheidbaren Farben beliebig erhöhen. So können bei einer Speichertiefe von sechs Bit/Punkt bereits 64 verschiedene Farbnuancen definiert werden.
Bei farbigen Ausgabegeräten ohne Intensitätssteuerung kommt man in der Theorie über eine Farbtiefe von drei Bit nicht hinaus, da die Farbkanonen der drei Grundfarben in diesem Fall nur ein- oder ausgeschaltet werden können. Bei flächigen Darstellungen können aber durch softwaremäßige Steuerung der Punktabstände (dem sogenannten "dithering") optische Intensitätsabstufungen erzeugt und damit farbliche Differenzierungen in beliebiger Tiefe realisiert werden. Ein in der HZD ein(...)setztes Softwareprodukt erzeugt zum Beispiel bei einer Speichertiefe von nur drei Bit/Pixel eine Farbpalette von 16 000 Farbnuancen.
Bei aller Farb-Euphorie aber gleich auch eine Warnung: Die Untersuchung verschiedener Anbieter von Farb-Rastergeräten ergab, daß die Ausgabe farbiger Bilder auf Datensichtgeräten meistens keine Probleme bereitete, wohl aber die Ausgabe auf Papier oder Folie. Unterschiedliche Mischungsgesetze der additiven und subtraktiven Farbmischung müssen dabei berücksichtigt werden, was einigen Herstellern noch nicht aufgefallen zu sein scheint. Bei der Beschaffung von Hardware im Bereich der Bildverarbeitung sollte daher immer geprüft werden, ob die Hardcopy-Einheit auch tatsächlich ein dem Bildschirmgerät identisches (...)ld liefern kann.
Bei starker Auflösung hoher Speicherbedarf
Das Grundprinzip der digitalen Bildverarbeitung ist die Aufteilung der zu verarbeitenden Bildfläche in ein schachbrettartiges Raster von Einzelpunkten, wobei jeder Rasterpunkt einer Speicherstelle im Computer entspricht. Je mehr Zeilen und Spalten ein solches Raster besitzt, desto besser ist die Auflosung und damit die Lesbarkeit des Bildes, aber desto mehr Speicherplatz wird auch benötigt. Solange Speicherplatz noch ein kostpieliges Gut in der Computertechnik darstellte, waren der Feinheit der Bildauflösung in der digitalen Bildverarbeitung enge ökonomische Grenzen gesetzt. Damit war auch die Verbreitung der Verfahren und Methoden der digitalen Bildverarbeitung begrenzt. Heute kostet Speicherplatz fast nichts mehr, so daß die Bildauflösung nur noch durch die technisch-optischen Grenzen der Aufnahme- und Wiedergabegeräte bestimmt wird. Diese Grenzen liegen heute bei 500 Linien/mm (oder 2(...).
Präzisionsscanner können ein Bild in 250 000 Bildpunkte je qmm zerlegen. Inwieweit eine solch feine Rasterung sinnvoll ist und damit vom Aufwand her noch vertretbar ist, muß vom jeweiligen Zweck der Anwendung abhängig gemacht werden.
Für einen normalen Betrachter erscheint ein Bild mit einer Punktauflösung von unter 10 Punkten/mm bereits als flächiges Kontinuum. Selbst bei wesentlich gröberen Auflösungsverhältnissen, wenn das Auge noch die einzelnen Bildpunkte erkennen kann, verschmilzt das in Punkte aufgelöste Bild optisch zu zusammenhängenden Strukturen.
Das Maß der Bildauflösung und damit der rechnerinterne Bedarf an Speicherplatz kann heute ganz den anwendungsbezogenen Qualitätsansprüchen angepaßt werden und unterliegt keinen technischen Grenzen mehr.
Der Durchbruch der digitalen Bildverarbeitung beruht zum Teil auf Entwicklungen, die mit Bildverarbeitung zunächst nichts zu tun hatten und die auch nicht im Heimatland der Computerentwicklungen - in Amerika - ihren Ursprung haben. Daß es heute viele preiswerte, hochauflösende Endgeräte auf dem Markt gibt, daß heute fast jeder PC einen hochauflösenden Rasterbildschirm besitzt, ist den Japanern zu verdanken. Die Gründe für diese Entwicklung liegen aber nicht etwa in einer besonderen Zuneigung der Japaner für ästhetische Bildschirmdarstellungen.
Datensichtgeräte wurden zunächst ausschließlich zur Darstellung von Texten und Daten verwendet. Da bei einem Rasterbildschirm aber nur einzelne Punkte angesteuert werden können, war es notwendig, Buchstaben und Zahlen für die Darstellung auf einem Bildschirm in ein Punktraster aufzulösen. Hierzu bediente man sich der gängigen Auflösungsraster wie 5x7, 7x9 oder 7x12 Bildpunkte/Zeichen. Bildschirm-Monitore mit einer Auflösung von 512x250 Bildpunkten konnten so zum Beispiel bei m Zeichenraster von 7 x 9 Punkten 24 Textzeilen mit jeweils 72 Zeichen darstellen. Dies genügte für die Anforderungen an ein Datensichtgerät in Amerika und Europa.
Wie aber soll man japanische Schriftzeichen in einer 7x9-Matrix unterbringen können? Daher war es für Japan von Anfang an notwendig, Bildschirm-Monitore mit wesentlich höherer Auflösung herzustellen und damit eine Vorreiterrolle auf diesem Markt zu übernehmen.
Auf dem Hardware-Sektor gehören inzwischen Bildschirmauflösungen von 1024x1024 Punkten zunehmend zum internationalen Standard.
Doch was nutzt dem Anwender die schönste Darstellung auf dem Bildschirm, wenn ein Knopfdruck das ganze Kunstwerk wieder löschen kann. Die Bildschirmausgabe wird deshalb auch Softcopy genannt, im Gegensatz zu Hardcopy, bei der man das Bild-Erzeugnis fest in der Hand halten kann, wie auf einem Blatt Papier. Aus der grafischen Bildverarbeitung sind seit Ende der 60er Jahre Zeichenautomaten (oder Plotter) als Ausgabegeräte bekannt, die grafische Bilder auf Papier auszeichnen können. Zur Ausgabe von in Punkten aufgelösten Bildern sind diese Geräte aber völlig ungeeignet. Denn das Problem bei gerasterten Flächen ist ja die zum Format quadratisch steigende Anzahl an Bildpunkten, was bei mechanisch arbeitenden Ausgabegeräten eine ins unendliche steigende Ausgabezeit bedeuten würde.
Hier war es eine Entwicklung aus Schweden, die das Tor zur digitalen Rastertechnik aufstieß. An der Technischen Hochschule in und wurde zu Beginn der 70er Jahre ein Plottertypus entwickelt, der mit elektronisch gesteuerten Düsen ein Punktraster aus feinen Tintentröpfchen auf eine rotierende Unterlage spritzen konnte.
Mit dieser Technik erreichte man bisher nicht gekannte Ausgabegeschwindigkeiten. Eine Karte im Format DIN A0 (841x1189 mm) bedeutet bei einem Punktraster von 0,2 mm 4205x5945 oder knapp 25 Millionen Bildpunkte. Der schwedische Tintenstrahlplotter arbeitet mit einer Frequenz von 50 KHz und brauchte dementsprechend für eine solche Bildfläche knapp zehn Minuten.
Das gesamte Spektrum bildlicher Darstellung
Heute basieren viele Ausgabegeräte - seien es Printer oder Plotter -auf diesem Prinzip, von dem kleinen und robusten Siemens-Schreiber PT88 bis zu dem großen Farbrasterplotter von Applicon, um beispielhaft zwei Fabrikate zu nennen. Noch höhere Ausgabegeschwindigkeiten werden heute von Laserplottern erzielt (wie IBM 3800/3 mit 3,8 DINA3-Seiten/Sekunde), die inzwischen auch schon in handlichen Tischformaten angeboten werden.
Die Hauptanwendung der digitalen Bildverarbeitung war bisher auf die Luft- und Satellitenbildinterpretation beschränkt. Daneben gab es noch Einsatzbereiche bei der Auswertung von Druckvorlagen für den Farbsatz im Druckereiweisen.
Inzwischen wird aber das gesamte Spektrum an bildlichen Darstellungen, von der Präsentationsgrafik über die thematische Kartografie bis hin zur ganzheitlichen Dokumentenerfassung immer stärker von den Methoden der digitalen Bildverarbeitung durchdrungen. Sie bieten unübersehbare Vorteile gegenüber den bisherigen Verfahren.
Die Gründe hierfür liegen auf der Hand und werden auch in dem Vergleich von Skizzenblock und fotografischer Kamera deutlich:
Für die Anfertigung einer Skizze macht es einen großen Unterschied, ob nur die Umrisse eines singulären Objekts oder das körperliche Einge(...)ndensein eines Objekts innerhalb einer bestimmten Umgebung skizziert werden soll. Je nach Fülle und Komplexität des Darzustellenden braucht man Minuten oder Stunden zur Aufzeichnung.
Für eine fotografische Aufnahme bedeutet es hingegen keinen Unterschied, ob nur die Umrisse eines Objekts oder das ganze Environment erfaßt werden soll. In jedem Fall ist die Aufnahmezeit unabhängig vom Motiv.
Vor der gleichen Problematik steht die automatisierte Bildverarbeitung. Viele Übersichten sind sicherlich schnell und einfach mit der Strichgrafik zu lösen, aber sobald komplexere Grafiken anfallen, werden die Bearbeitungszeiten unangenehm zeitintensiv. Grafische Bildverarbeitung hat das Nadelöhr: die Ein- und Ausgabe der Grafiken.
Das Ausplotten einer thematischen Karte von der Qualität eines Flächennutzungsplans belegt einen sehr schnellen Trommelplotter mehrere Stunden, einen Präzisionsplotter jedoch über einen Tag. In der digitalen Bildverarbeitung sind die Ausgabezeiden hingegen nur noch abhängig von der Bidauflösung und nicht mehr von der Komplexität eines Bildes. Für DIN-A0-Formate brauchen die heutigen Rasterplotter knapp 10 Minuten, unabhängig, ob nur eine Linie oder ein kompletter Flächennutzungsplan - auch farbig - dargestellt wird.
Allein auf der Ausgabenseite kann daher ein entscheidender Vorteil beim Einsatz der digitalen Bildverarbeitung im Vergleich zur Grafikverarbeitung liegen, wenn - wie zum Beispiel im Planungsbereich - mit komplexeren Darstellungen gearbeitet werden muß.
Hinzu kommen die wesentlich eleganteren und umfangreicheren Manipulationsmöglichkeiten von Darstellungen in der Rastertechnik. Ganz besonders seien hier die problemfreien Überlagerungsmöglichkeiten mit Überdeckungs- und Freistellungsoptionen erwähnt.
Abschließend sei aber noch auf einen ganz anderen, für die Zukunft entscheidenden Aspekt der digitalen Bildverarbeitung hingewiesen.
Die automatisierte Informationsverarbeitung setzt sich aus den Teilbereichen Datenverarbeitung, Textverarbeitung, Bildverarbeitung und in Zukunft sicherlich noch weiteren Teilverarbeitungsbereichen zusammen. Diese Teile wachsen durch die fortschreitende Automation immer mehr ineinander; Beleg dafür ist die Entwicklung auf dem Software-Markt. Statistikprogramme werden immer häufiger mit Grafikfunktionen gekoppelt. Mit Textverarbeitungsprogrammen kann man immer umfangreichere statistische Berechnungen ausführen.
Wie aber wird derzeit in den Verwaltungen das Problem gelöst, wenn in interne Veröffentlichungen Abbildungen und Grafiken hineingenommen werden sollen? Wie eh und je
wird da zu Schere und Klebstoff gegriffen. Mit der Ausweitung der rasterorientierten Ausgabegeräte wird es in Zukunft in Verbindung mit der digitalen Bildverarbeitung möglich werden, Texte und Grafiken elektronisch zusammenzukopieren und gemeinsam auszugeben. Es geschieht dann schneller und mit höherer Qualität als mit den bisherigen Textverarbeitungs- und Grafiksystemen. Dies läßt sich aus den ersten Erfahrungen bei der HZD eindeutig belegen.
Unschwer läßt sich voraussagen: Die digitale Bildverarbeitung wird auch im Bereich der Verwaltungsautomation zunehmend an Bedeutung gewinnen.
*Der Autor ist als Sachbearbeiter bei der HZD in Wiesbaden tätig.
Die Organisation der öffentlichen Rechenzentren in Hessen in einem Datenverarbeitungsbund bietet die Möglichkeit, den sich ständig ausweitenden Markt der ADV zu beobachten , zu analysieren und auf neue Anwendungsfelder für die öffentliche Verwaltung hin zu untersucheen.So konnte das Anwendungsspektrum der Computerunterstützung bei kommunalen Stellen und Landesbehörden in den vergangenen zwei Jahrzehnten beträchtlich ausgeweitet werden. War in der 60er Jahren das Schwergewicht der Automation im Bereich der numerischen Verfahren gelegen, so kamen in der 70er Jahren vermehrt Anforderungen und Verfahrensentwicklungen auf, die über das Verarbeiten von Zahlenmaterial hinausgingen, ja am Ende mit Zahlen teilweise überhaupt nichts mehr zu tun hatten. Es sei hier als Beispiel die Verarbeitung von Texten und Grafiken mit Hilfe von DV-Automaten genannt.
In den vergangenen 20 Jahren haben durch diese fortschreitende Entwicklung im Bereich der ADV etliche Begriffe aber einen Bedeutungswandel erfahren, durch den immer häufiger Mehrdeutigkeiten und Mißverständnisse verursacht werden.
Allen automatisierten Verfahren ist gemeinsam, daß Informationen geispeichert , verändert und ausgewertet werden, seien es nun Daten, Texte oder bildliche Darstellungen. Daher sollte man heute von "Automatisierter Informationsverarbeitung" sprechen, will man einen eindeutigen übergeordneten Begriff für die Einsatzbereiche der modernen Computertechnologie verwenden.
Die eigentliche Datenverarbeitung war Ausgangspunkt der Automation, dann kam die Textverarbeitung hinzu. Derzeit wird der Bereich der Bildverarbeitung von der Automation erfaßt. Künftig wird auch die Sprachverarbeitung ein Teilbereich der Automatisierten Informationsverarbeitung sein.