Bildrauschen

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Du hast neue Nachrichten auf deiner Diskussionsseite.

Als Bildrauschen bezeichnet man die Degradation eines Bildes durch Überlagerung von Störungen, die keinen Bezug zum eigentlichen Bildinhalt, dem Bildsignal, haben. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist ein Maß für den Rauschanteil. Das Erscheinungsbild des Bildrauschens ist vergleichbar mit dem so genannten „Korn“ bei der analogen Fotografie. 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 kein Rauschen sichtbar ist. Die Graufärbung der Aufnahme ist nicht typisch, sondern wurde nur zur Differenzierung der hervorgehobenen Bildbereiche für dieses Beispiel hinzugefügt.

[Bearbeiten] Ursachen für das Bildrauschen

Bei elektronischen Bildsensoren, wie CCD und CMOS-Sensoren ist das Bildrauschen zu einem großen Teil Dunkelrauschen, 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 (aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten oder Defekten im Bildsensor) spricht man von Hotpixeln. 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).

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

[Bearbeiten] Einflüsse auf das Bildrauschen

Verschiedene Aufnahmebedingungen führen zu einem wahrnehmbaren und ab einem gewissen Grad störenden Bildrauschen. Besonders gut sichtbar wird das Bildrauschen in dunklen oder blauen Bildbereichen. Dieses kann sich in den dunklen Bildbereichen zudem verstärken, wenn diese am Computer nachträglich gezielt aufgehellt werden.

Der Umfang des Bildrauschens ist abhängig von der Qualität der Digitalkamera.

Größe der Pixel (großer Sensor mit geringer Packungsdichte der Pixel zieht im allgemeinen geringeres Rauschen als ein kleiner Sensor und hoher Packungsdichte nach sich)
Qualität der analogen Signalverarbeitung und der Analog-Digital-Wandlung.

und folgenden Faktoren:

Belichtungsdauer
wenig Licht (insbesondere Nachtaufnahmen)
hohe ISO-Einstellung (Filmempfindlichkeit). Erhöhung der „Empfindlichkeit“ bedeutet Verstärkung des Signals der Pixel und damit auch der Störungen.
hohe Sensortemperatur
hoher Vergrößerungsgrad der Aufnahme
Motiv

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

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

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).

VLF-Farbrauschen

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 machen kann.

[Bearbeiten] Chrominanzrauschen

Chrominanzrauschen (auch Farbrauschen) ist dann gegeben, wenn in den Farbkanälen eines digitalen Bildes unabhängige Zufallssignale vorhanden sind. Das nebenstehenden Bild gibt ein zweidimensionales Beispiel für reines Chrominanzrauschen mit einer typischen spektralen Leistungsdichteverteilung, bei der die Signalamplitude mit einer 1/f-Charakteristik abnimmt (1/f-Rauschen).

[Bearbeiten] Verfahren zur Rauschunterdrückung

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, welche 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 Bildbearbeitungprogrammen (beispielsweise Adobe Photoshop) erlaubt 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. Ein professioneller Fotograf wird die kameraseitige Optimierung kaum bevorzugen.

Das Dunkelrauschen kann auch durch Kühlen des Sensors reduziert werden (insbesondere bei Kameras für astronomische und wissenschaftliche Zwecke).

ISO 100	ISO 200	ISO 400	ISO 800	ISO 1600	ISO 3200
Beispiele für die Auswirkung der ISO-Einstellung bei einer digitalen Spiegelreflexkamera (Konica Minolta Dynax 7D) mit CCD-Sensor in APS-C-Größe.