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Rauschen

Im Zusammenhang mit Digitalfotografie ist Rauschen einer am häufigsten fallenden Begriffe, wenn es um die Beurteilung der Bildqualität geht. Es handelt sich um eine vom Sensor hervorgerufene Bildstörung, die sich in Form von Körnigkeit und einem "grisseligen" Bild, insbesondere in dunklen oder unterbelichteten Bereichen, bemerkbar macht.

Das Rauschen ist ein physikalischer Effekt. Er stört vor allem dunkle Bereiche eines Bildes und Fotos, die unter ungünstigen Lichtverhältnissen aufgenommen wurden. Über Bildrauschen können ganze wissenschaftliche Abhandlungen geschrieben werden.

Grundfunktion des Bildsensors

Licht, in Form von Photonen, trifft auf einen Pixel und schlägt Elektronen aus dem Atomverband des Pixelmaterials. Hierbei ist die Zahl der freigesetzten Elektronen ein Maß für die Menge des einfallenden Lichts und damit die Helligkeit des vom Pixel erfassten Bildbereichs.

Nach dem Auslesen wird dem Pixel von der Software auf dieser Grundlage ein Helligkeitswert zugewiesen. Im Bild erscheint der Pixel, abhängig von der Zahl der freigesetzten Elektronen, heller oder dunkler.

Wie jedes elektronische Bauelement erwärmt sich der Sensor im Betrieb. Diese Erwärmung führt ebenfalls zur Lösung von Elektronen aus dem Atomverband. Sie werden ebenfalls wie beschrieben ausgelesen.

Die Software erkennt nur die Elektronen als solche und kann nicht unterscheiden, durch welchen Prozess sie freigesetzt wurden. Folglich erscheint das Pixel im Bild als etwas aufgehellt, obwohl kein Licht auf ihn gefallen ist. Diese Aufhellung ist von Pixel zu Pixel verschieden (statistisch verteilt), was sich in einer ungleichmäßigen, schmutzig wirkenden Aufhellung dunkler Bildpartien äußert.

Beispiel für Bildrauschen

Das Foto zeigt einen Sonnenaufgang aus dem Jahr 2003. Das Rauschen macht sich als bunte Körnung bemerkbar

Signal-Rausch-Verhältnis

Das Signal-Rausch-Verhältnis beschreibt das Verhältnis zwischen Signalstärke und Rauschen.

Ist es kleiner als eins, dominiert das Rauschen gegenüber der Signalstärke: Lichtschwache oder unterbelichtete Motivdetails sind nur schwer identifizierbar oder werden komplett vom Rauschen geschluckt (es ist stärker als das Signal) und gehen somit verloren.

Bei einem Signal-Rausch-Verhältnis von eins sind Signal- und Rauschstärke gleich groß, das Motiv ist nicht eindeutig identifizierbar.

Ist es größer als eins, dominiert die Bildhelligkeit über dem Rauschen. Je weiter sich das Signal-Rausch-Verhätnis von eins entfernt (= Zunahme der Bildhelligkeit), umso schwächer erscheint das Rauschen auf dem Foto oder es ist im Idealfall unsichtbar.

Fakten zum Rauschen

  • Bei ansonsten gleichen Bedingungen (Lichtverhältnisse und Aufnahmeparameter) nimmt das Rauschen mit der Belichtungszeit zu: Bei gleicher Motivhelligkeit werden durch die bei längerer Betriebszeit stärkere Sensorerwärmung mehr Elektronen freigesetzt als bei kurzer Belichtung. Das ist besonders für Langzeitbelichtungen von Bedeutung.

  • Das Rauschen nimmt mit der ISO-Empfindlichkeit zu. Das ist insbesondere bei Digicams und Bridgekameras der unteren und mittleren Preisklasse relevant. Diese verzeichnen zu hohen Empfindlichkeiten hin eine starke Zunahme des Rauschens. Bei modernen Spiegelreflexkameras nimmt das Rauschen bei hohen ISO-Werten nur geringfügig zu. Sie haben qualitativ höherwertige Sensoren und größere Pixel.

  • Je kleiner ein Sensor ist, umso größer ist seine Anfälligkeit für Rauschen: Bei gleichzitig hoher Pixelzahl wird jedes einzelne Pixel kleiner und kann folglich weniger Licht sammeln. Somit verschlechtert sich das Signal-Rausch-Verhältnis.

  • Bei gleichen Aufnahmebedingungen und -einstellungen nimmt das Rauschen mit der Umgebungstemperatur ab. Der Sensor erwärmt sich in diesem Fall weniger stark.

Tipps zur Reduzierung des Rauschens

  • Es empfiehlt sich, wenn möglich eine geringe ISO-Empfindlichkeit einzustellen.

  • Soweit es erlaubt ist, sollte man in Innenräumen mit ungünstigen Lichtverhältnissen mit Blitzautomatik arbeiten. Durch die zusätzliche Aufhellung, die meist mit einer automatisch eingestellten, geringeren ISO-Empfindlichkeit einhergeht, fällt das Rauschen oft weniger stark aus als bei längeren Belichtungszeiten ohne Blitzlicht. Die Einstellung "Vollautomatik" liefert hier unabhängig vom Kameratyp meiner Erfahrung nach die besten Ergebnisse.

  • Langzeitbelichtungen im Freien im Bereich von Zehnersekunden sollten in der kalten Jahreszeit angefertigt werden. Abhängig vom Kameramodell kann dies zu einer merklichen Rauschreduzierung führen.

Kamerainterne Rauschreduzierung

Spiegelreflexkameras arbeiten oft mit einem sog. Dunkelbild. Nach der eigentlichen Aufnahme macht die Kamera eine weitere Aufnahme mit den gleichen Parametern (Belichtungszeit, ISO-Empfindlichkeit), jedoch mit geschlossenem Verschluss. Es wird also nur das Rauschen aufgenommen. Dieses Dunkelbild wird vom eigentlichen Bild abgezogen, so dass das Rauschen teilweise eliminiert wird.

Die Effezienz dieser Methode ist nur mäßig, da das Rauschen wie eingangs erklärt ein statistischer Effekt ist: Jede Aufnahme hat ihr individuelles Rauschmuster, so wie jeder Mensch einen eigenen Fingerabdruck hat. Für die Eliminierung von sog. heißen und kalten Pixeln ist diese Vorgehensweise jedoch ideal: Hierunter versteht man defekte, einzelne Pixel, die unabhängig von der Belichtungszeit immer hell oder komplett dunkel sind. Sie sind immer an der gleichen Stelle und können auf diese Weise heraus gerechnet werden.

Eine weitere Methode ist die Mittelung benachbarter Pixel. Hierfür analysiert die Software die Helligkeits- und Farbwerte der Pixel und ihrer Nachbarn. Aus diesem Pixelbereich werden Mittelwerte errechnet und auf die betreffenden Pixel angewendet.

Der Nachteil ist, dass diese Methode abhängig von ihrer Stärke zu einer unnatürlich erscheinenden Glättung des Bildes führen kann. In jedem Fall führt sie zu einem geringen Detail- und Auflösungsverlust, da aufgrund der statistischen Natur des Rauschens auch geringe echte Helligkeits- und Farbdifferenzen auf Pixelebene heraus gerechnet werden. Im Extremfall wirken Fotos nach einer solchen Rauschunterdrückung eher wie hoch genaue Zeichnungen als ein Foto. Es kann auch ein Aquarell-Effekt auftreten.

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