Kompendium der Mediengestaltung für Digital- und Printmedien (X.media.press) [2., überarb. u. erw. Aufl.] 9783540435587, 3540435581, 354066274X [PDF]

Zitiervorschau

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

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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