Photonenrauschen

Als Bildrauschen bezeichnet man die Verschlechterung eines digitalen bzw. elektronisch aufgenommenen Bildes durch Störungen, die keinen Bezug zum eigentlichen Bildinhalt, dem Bildsignal, haben. Die störenden Pixel weichen in Farbe und Helligkeit von denen des eigentlichen Bildes ab. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist ein Maß für den Rauschanteil. Das Erscheinungsbild des Bildrauschens ist nicht direkt mit dem sogenannten „Korn“ bei der Fotografie auf herkömmlichem Filmmaterial vergleichbar, hat jedoch ähnliche Auswirkungen auf die technische Bildqualität, insbesondere die Detailauflösung. In manchen Bildern wird das Bildrauschen auch zur künstlerischen Gestaltung herangezogen.

Aufnahme in der Dämmerung. Typisch für Nacht- und Dämmerungsaufnahmen zeigt es sichtbares Rauschen schon bei geringer Vergrößerung. Gut sichtbar ist dies in den dunklen Bereichen, während in den hellen Bereichen kaum Rauschen sichtbar ist. Die Graufärbung der Aufnahme ist nicht typisch, sondern wurde nur zur Unterscheidung der hervorgehobenen Bildbereiche für dieses Beispiel hinzugefügt.

Ursachen für das Bildrauschen

Bei elektronischen Bildsensoren, wie CCD- und CMOS-Sensoren ist das Bildrauschen zu einem großen Teil Dunkelrauschen; es tritt also auf, ohne dass Licht auf den Sensor fällt. Grund für dieses Rauschen ist einerseits der Dunkelstrom der einzelnen lichtempfindlichen Elemente (Pixel), andererseits auch Rauschen des Ausleseverstärkers (Ausleserauschen). Bei einzelnen Bildpunkten mit besonders hohem Dunkelstrom (verursacht durch Fertigungsungenauigkeiten oder Defekte im Bildsensor) spricht man von Hotpixeln. Mit einschlägigen Nachbearbeitungsverfahren kann dieser unerwünschte Effekt unterdrückt werden. Da der Dunkelstrom von Pixel zu Pixel unterschiedlich ist, können diese Variationen durch Subtraktion eines Dunkelbilds eliminiert werden; damit wird das Dunkelrauschen reduziert. Die Elektronik, die dem Bildsensor nachgeschaltet ist, kann auch noch Quelle weiterer Anteile des Dunkelrauschens sein.

Zusätzlich zum Dunkelrauschen gibt es auch (meist kleinere) Anteile des Bildrauschens, die von der aufgenommenen Lichtmenge abhängen. Dazu zählt das Schrotrauschen, das durch die Zufallsverteilung der Anzahl von Photonen entsteht, die in einem Pixel auftreffen, sowie kleine zufällige Schwankungen der Lichtempfindlichkeit der Pixel (daher auch häufig als „Photonenrauschen“ bezeichnet).

Das Rauschen bei einem Bildsensor wird bei höheren ISO-Lichtempfindlichkeiten bemerkbar. Bildrauschen wird auch durch die Pixelgröße sowie den Pixelabstand des Bildsensors beeinflusst. Je geringer der Abstand zwischen den einzelnen Pixeln (hier: Fotodioden) eines Bildsensors sind und je kleiner die Pixelgröße ist, desto weniger Photonen (Licht) können die einzelnen Pixel aufnehmen, und das bedeutet mehr Rauschen bzw. mehr Störsignale beim Bildsensor. Man spricht auch beim Abstand der Pixel bzw. Fotodioden von Pixelpitch eines Bildsensors. In der Praxis bedeutet dies, je mehr Pixel beispielsweise ein APS-C-Format-Bildsensor hat, desto größer wird das Bildrauschen gegenüber anderen APS-C-Format Sensoren mit weniger Pixeln, denn mehr Pixel bedeutet gleichzeitig auch einen geringeren Pixelabstand und eine geringere Pixelgröße der einzelnen Fotodioden am Bildsensor. Genaueres dazu unter Pixelpitch.

Bei Digitalkameras werden die Helligkeitswerte in digitale Werte (ganze Zahlen) umgewandelt. Bei diesem Prozess entsteht das sogenannte Quantisierungsrauschen, weil die kontinuierlichen Signale des Bildsensors in diskrete Werte umgewandelt werden.

Klassifizierung des Rauschens

Beispiel für reines, farbiges 1/f-Rauschen (Chrominanzrauschen)

Beispiel für reines, graustufiges 1/f-Rauschen (Luminanzrauschen)

VLF-Farbrauschen

Reines Rauschen ist dann gegeben, wenn keine Bildinformation vorhanden ist. Die nebenstehenden Bilder geben zweidimensionale Beispiele für reines Farbrauschen (Chrominanzrauschen) und reines Helligkeitsrauschen (Luminanzrauschen) mit einer typischen spektralen Leistungsdichteverteilung, bei der die Signalamplituden mit einer 1/f-Charakteristik abnehmen (1/f-Rauschen).

Chrominanzrauschen (auch Farbrauschen) ist dann gegeben, wenn in den Farbkanälen eines digitalen Bildes unabhängige Zufallssignale vorhanden sind.

Neben dem beschriebenen Pixelrauschen tritt bei vielen Digitalkameras ein weiteres, zufälliges Rauschmuster mit sehr niedriger Frequenz auf (very low frequency noise), das sich insbesondere bei homogenen Flächen in mittleren und dunkleren Bildbereichen in Form wolkiger Farbmuster störend bemerkbar macht.

Einflüsse auf das Bildrauschen

Der Umfang des Bildrauschens ist in erster Linie von der Qualität der Digitalkamera abhängig. Entscheidenden Einfluss hat die Größe der einzelnen Pixel. Bei gleicher Bildauflösung hat ein kleiner Sensor im allgemeinen ein höheres Rauschen als ein großer Sensor mit geringerer Packungsdichte. Weiterhin haben die Qualität der analogen Signalverarbeitung und der Analog-Digital-Wandlung sowie die eingestellte ISO-Empfindlichkeit den größten Einfluss auf die Bildqualität.

Auswirkung der ISO-Einstellung bei einer digitalen Spiegelreflexkamera

ISO 100	ISO 200	ISO 400
ISO 800	ISO 1600	ISO 3200

Während Sensortechnik und Signalverarbeitung von der Kamera vorgegeben sind, können andere Aufnahmeparameter zumindest teilweise vom Fotografen beeinflusst werden, in erster Linie die ISO-Einstellung („Filmempfindlichkeit“). Eine Erhöhung der „Empfindlichkeit“ bedeutet eine Verstärkung der Signale des Aufnahmesensors, wobei die Störungen in gleichem Maße mitverstärkt werden.

Gut sichtbar wird das Bildrauschen in gleichförmigen, besonders in dunklen oder blauen Bildbereichen. Unterbelichtete, nachträglich am Computer aufgehellte Aufnahmen rauschen in der Regel stärker als korrekt belichtete Bilder.

Bildrauschen bei steigender Sensortemperatur

Weiterhin steigt das Rauschen mit steigender Sensortemperatur, weshalb Kameras, die den Bildsensor auch zur Darstellung des Sucherbilds nutzen („Live-Vorschau“) in der Regel stärker rauschen als übliche digitale Spiegelreflexkameras, die den Sensor nur zur eigentlichen Aufnahme aktivieren und sich dadurch weniger stark erwärmen.

Ebenso erhöht sich das Rauschen mit steigender Belichtungszeit, insbesondere bei Nachtaufnahmen oder anderen Situationen mit sehr langen Belichtungszeiten steigt die Gefahr des Auftretens von Hotpixeln. Die meisten Digitalkameras bieten daher an, bei Langzeitbelichtungen durch eine unmittelbar an die eigentliche Aufnahme anschließende Dunkelbelichtung ein Referenzbild zu erzeugen, dessen Rauschen subtrahiert wird.

Verfahren zur Rauschunterdrückung

Vorschau eines Programms zur Rauschunterdrückung (Ausschnitt)

Störendes Bildrauschen kann durch verschiedene Verfahren reduziert werden. Bei den meisten Verfahren nimmt der Fotograf jedoch Einbußen anderer Qualitätsmerkmale (beispielsweise Bildschärfe) einer Fotografie in Kauf.

Folgende Verfahren werden üblicherweise eingesetzt:

• Kameraseitige Unterdrückung des Bildrauschens: Während der Speicherung der Fotografie werden spezielle Algorithmen angewendet, die das Bildrauschen minimieren.
• Verwendung von Sensoren geringer Packungsdichte (zum Beispiel in digitalen Spiegelreflexkameras)
• Belichtung auf die „rechte Seite des Histogramms“. Dabei wird das Bild derart belichtet, dass das Motiv möglichst hell abgebildet wird. Unter der Annahme eines „konstanten“ Rauschpegels des Sensors werden somit die gefährdeten dunklen Stellen gemieden. Dabei ist natürlich zu vermeiden, dass bildrelevante Teile überbelichtet werden (dies gilt auch für einzelne Farbkanäle rot, grün, blau).
• Bildbearbeitungsprogramme: Eine spezielle Funktion in manchen Bildbearbeitungprogrammen, aber auch speziell ausschließlich auf das Entrauschen spezialisierte Programme erlauben die Reduzierung des Bildrauschens. Der Vorteil bei einer Verarbeitung nach der eigentlichen Aufnahme liegt darin, dass der Benutzer die Rauschunterdrückung selbst, angepasst auf die Aufnahme, optimieren kann. Außerdem kann man so die Originaldatei erhalten.

Das Dunkelrauschen kann auch durch Kühlen des Sensors reduziert werden, jedoch wird dies bisher nur bei Kameras für astronomische und wissenschaftliche Zwecke eingesetzt.

Weblinks

• Anschauliche Erklärung von Bildrauschen bei Digitalkameras
• Zusammenhang von Bildrauschen, Sensorgröße und resultierender Bildqualität bei den verschiedenen Kameraklassen
• Reduktion des Bildrauschens mit dem Gimp, Anleitung 1
• Reduktion des Bildrauschens mit dem Gimp, Anleitung 2
• Vergleichsbilder zwischen einer DSLR und einigen Kompaktkameras bei hohen ISO-Einstellungen (englisch)
• Hilfestellung zum Entfernen und Vermeiden von Bildrauschen im allgemeinen
• sehr effektive Verringerung von Bildrauschen durch Verwendung einer Bilderserie (statisches Motiv)
• Bildrauschen – Bedeutung und Entstehung Signal, mit Erklärung zum Thema Pixelgröße und Pixelabstand