Rauschen

Bildbeispiel

Anklicken zeigt 200/800/1600 ASA

Die beiden hier gezeigten Bild-Ausschnitte stammen aus Fotos, die mit der gleichen Kamera (Fuji 602) bei zwei unterschiedlichen ISO-Einstellungen aufgenommen wurden. Deutlich ist auf dem linken Bild zu sehen, dass einfarbige Flächen im Schattenbereich keine gleichmäßige Einfärbung aufweisen. Außerdem ist starkes "Farbrauschen" erkennbar; d.h. es gibt nicht nur Helligkeits-Unterschiede ("Helligkeits-Rauschen") bei eigentlich einfarbigen, dunklen Flächen, sondern es treten außerdem Farbmuster auf. Das Farbrauschen würde verschwinden, wenn man auf Schwarz-Weiß-Darstellung umschalten würde. Das Helligkeits-Rauschen würde aber bleiben.
Die Kamerahersteller versuchen besonders das auffällige Farbrauschen durch entsprechende Programme zu unterdrücken. Das Helligkeitsrauschen wird eher toleriert, da es an das grobe Korn hochempfindlicher KB-Filme erinnert.
→Bildbeispiel der Fuji 6500

Ob eine Kamera stark rauscht kann man ganz einfach feststellen. Man fotografiert ein Motiv, das neben sehr hellen Bereichen auch einfarbige dunkle Flächen enthält und sieht diese sich dann mit einem Bildbearbeitungsprogramm den "blauen Kanal" an. Selbst wenn bei RGB (normales Farbbild) noch nichts Auffälliges zu sehen ist ... der Blau-Kanal zeigt schonungslos ein evtl. vorhandenes Rauschen (Beispiel)!

Zugegeben, Rauschen das man nur im Blaukanal sieht, ist relativ unkritisch. Aber sobald man z.B. ein unterbelichtetes Foto am PC aufhellt, wird das Rauschen deutlich sichtbar. Bei rauscharmen Kameras (wie z.B. der F31) können selbst scheinbar völlig schwarze Schattenbereiche noch aufgehellt werden, ohne dass Rauschen auftritt (→ Bildbeispiel)

Was ist die Ursache dieses Rauschens?

Wie ausführlich auf der Seite "Sensoren" beschrieben wird, wird die Gefahr des Rauschens immer größer, je kleiner die einzelnen Zellen des Sensors sind. Wenn sich z.B. auf einem 1/1,7" Sensor nicht 6 MP sondern 12 MP drängeln, müssen sie entsprechend kleiner sein und bekommen natürlich jeweils nicht so viel Licht ab! Auf einem kleinem 1/2,7" Sensor haben 12 MP sogar nur halb so viel Fläche zur Verfügung wie auf einem 1/1,7" Sensor! Da muss das schwache Signal halt kräftig verstärkt werden! Jede Signalverstärkung bedeutet aber Erhöhung des Rauschens ... wenn der Hersteller nicht zusätzliche Maßnahmen zur Signalaufbereitung vorsieht!
Wenn man dann noch eine höhere ISO-Zahl einstellt, dann muss das Signal noch mehr verstärkt werden .... Ergebnis: siehe obiges Bild!
Starke Schärfung und besonders eine nachträgliche "Aufhellung" von Schattenpartien verstärkt das Rauschen!

Aber nur aus der Größe der Sensorzellen auf das Rauschverhalten zu schließen, ist auch nicht richtig! ( → Mehr Infos)

Kameras mit großen APS-Sensoren (Kameras mit Wechseloptik) sind naturgemäß weniger von diesem Problem geplagt. Auf einem APS-Sensor haben die Zellen fast 20x mehr Platz als auf einem 1/2,7" Sensor. Wenn auf beiden jeweils 6 MP Zellen sind, können sie auf dem APS-Sensor erheblich größer (und lichtempfindlicher) sein! So sind dort auch ISO-Zahlen bis zu 3200 möglich, ohne dass alles im Rauschen versinkt!
Trotzdem muss man nicht unbedingt eine große SLR kaufen! Auch andere Digitalkameras liefern bei der Basis-Empfindlichkeit praktisch rauschfreie Fotos. Was aber möglich ist, zeigte bereits 2005 die Fuji F10 mit dem Super-CCD-Sensor der 5.Generation! Selbst bei 1600 ISO tummelte sich die F10 im Bereich der SLR-Kameras.

Aber die Zeit steht nicht still! Sicherlich wird (wenn wir Kunden das verlangen!) von der Industrie zukünftig die Rauschfreiheit einer Kamera (auch bei höheren ISO-Werten) mehr und mehr als Entwicklungsziel erkannt und nicht nur immer höhere Pixelzahlen angestrebt werden!

Auflösung und Rauschen

Da seit Erscheinen der F10 die Käufer zunehmend auch den Wert höherer Empfindlichkeiten begreifen, meinen nun alle Hersteller, mindestens auch 1600 ISO anbieten zu müssen ... ohne Rücksicht auf die Bildqualität! Danach fragt ja zunächst niemand!
Wenn ein Hersteller versucht, das Rauschen durch spezielle Programme oder andere Methoden zu reduzieren, geht das mehr oder weniger zu Lasten der Auflösung. Insofern sind die oben beschriebenen Kennzahlen nur die eine Seite der Medaille!
Die Hersteller stehen deshalb vor der Wahl:

Das Rauschen stark reduzieren (ergibt gleichmäßige Flächen) aber dafür werden alle Details weggebügelt oder
mehr Rauschen in Kauf nehmen, aber dafür mehr Details erhalten.

Die letztere Methode ist besser, da dann - je nach Geschmack - nachträglich mit einem entsprechenden Programm das Rauschen am PC reduziert werden kann. Bei der ersten Methode hat man keine Wahl mehr. Alle Details sind unwiederbringlich weg!

Das Vergleichsbild mit Ausschnitten aus dpreview-Testbildern macht diese Zusammenhänge deutlich. Während bei der LZ1 bereits bei 400 ISO (und heller Studiobeleuchtung!) das Rauschen unübersehbar ist, scheint bei der Olympus mju 800 (durch Pixel-Mixing) sogar bei 800 ISO auf dem linken Bildchen alles in Ordnung zu sein. Aber das Testbild daneben ist erschreckend unscharf.
Die Fuji F10 hält sich ganz wacker in beiden Disziplinen. Die SLR 350D ist auch bei 1600 ISO noch recht gut. Aber bei einem 10x größeren Sensor sollte man das eigentlich auch erwarten können!

Das bisher schlimmste Beispiel liefert die 2006 neu vorgestellte 6MP Panasonic FZ7. Die erlaubt zwar auch die Einstellung von 1600 ISO, aber bereits bei 800 ISO ist die Auflösung schlechter als bei einer 2 MP-Kamera! Ursache: Durch Pixel-Mixing wird zwar das Rauschen reduziert, aber das zwangsläufig kleinere Bild wird anschließend rigoros wieder auf 6 MP hochgerechnet! Grauenhaft!

Fazit:
Zu einem seriösen Test gehört auch die Bestimmung der Auflösung bei höheren ISO-Werten! Leider testen das bisher nur wenige Zeitschriften. Die Testbilder bei dpreview lassen auch gewisse Rückschlüsse zu.

Sensorzellengröße = Rauschverhalten?

Immer wieder taucht die Theorie auf, dass es eine untere Grenze für die Größe der Einzelzellen auf dem Kamera-Sensor gibt, ab der Rauschen unvermeidbar auftritt. Das ist m.E. fragwürdig! Man macht es sich zu einfach, kurzerhand die Sensorhöhebreite durch die Anzahl der nebeneinander liegenden Einzelzellen zu teilen und aus den sich dann ergebenden z.B. 2,7 μm auf das Rauschverhalten zu schließen! Diese Überlegung vernachlässigt die ständige Verbesserung der Sensoren und Datenaufbereitung.
Auf dem APS-Sensor der SLR Canon EOS D30 befanden sich im Jahre 2000 kümmerliche 3 MP (sehr große) Zellen, aber besonders rauscharm war die Kamera bei 1600 ISO nicht!
Die wegen ihrer hervorragenden Rauschfreiheit hoch gelobten Nikon D200 hat auf ihren APS-Sensor 10 MP! Ihre Sensorzellen haben wiederum etwa die gleiche Größe, wie die Zellen der Olympus C-1400XL (1,4 MP auf 2/3") aus dem Jahre 1998, die aus guten Gründen nur max. 100 ISO anbot. Theoretisch müssten aber beide Kameras gleiches Rauschverhalten zeigen!

Aber:
Vergleicht man allerdings nicht verschiedene Kamera-Generationen miteinander, sondern die (guten) Kameras einer Generation, so gibt die Größe der Sensorzellen durchaus einen Hinweis auf die Notwendigkeit von Maßnahmen gegen das Rauschen einer Kamera.

Beispiel:
Vergleich der F31 (6MP; 1/1,7") mit der Canon Ixus 850 (7MP; 1/2,5") ergibt: 7,6/2848 = 2,7 μm bzw. 5,76/3072 = 1,9 μm
Die Rauscharmut der F31 überrascht dann nicht mehr!

Sinnvoller wäre allerdings die Größe "Sensorfläche [mm²] geteilt durch MP". Dadurch würden auch unterschiedliche Sensor-Seitenverhältnisse (16:9 und 3:2) berücksichtigt. In unserem Beispiel würde sich übrigens 6,7 bzw. 3,4 ergeben. Für die Fuji F100 ergibt sich 4,3 und für die S100 ein Wert von 5,3.

Gleichgültig, wie viele Fortschritte in Zukunft auch erreicht werden; eine 12MP-Kameras mit einem kleinen 1/2,7" Sensor wird immer sehr viel stärker rauschen als eine 12MP-Kamera mit einem 1/1,7" Sensor; denn letzterer hat eine etwa doppelt so große Fläche und deshalb können die Sensorzellen darauf doppelt so groß sein!
Zukünftig wird das Rauschen aber (hoffentlich) erst bei immer höheren ISO-Werten einsetzen.

Mehr Infos zum Thema Rauschen/Zellengröße:
http://sprec000.xardas.lima-city.de/Digicam7.html

Rauschen reduzieren durch Einstellung geringerer MP?

Falls die Bilder einer Kamera bei bildschirmfüllender Betrachtung stärker rauschen als die einer anderen Kamera, dann empfehlen manche Testzeitungen, einfach auf geringere MP-Werte umzuschalten. Dann sei das Problem gelöst.
Das ist nicht richtig! Am Rauschverhalten einer Kamera ändert das Reduzieren der MP gar nichts!
Anders ausgedrückt: 10 x 13 cm Papierbilder von reduzierter und Original-Datei sind exakt gleich!

Wer es nicht glaubt, sollte einfach ein großes "rauschendes" Bild mit Photoshop auf die gewählte Bildschirm-Auflösung reduzieren und dann beide Bilder bildschirmfüllend nacheinander ansehen. Beide Bilder sind exakt gleich!

Erklärung:
Hier wurde das nachvollzogen, was sonst in der Kamera stattfindet, wenn man ein kleineres Format vorgibt.
Kameras nehmen bei allen ISO-Einstellungen immer mit voller MP-Zahl (mit allen winzigen Sensorzellen!) auf. Anschließend rechnen sie dann ggf. auf die gewünschte MP-Zahl herunter.

Ein Beispiel:
Hier ein Ausschnitt aus einem 6 MP-SLR-Foto (3200 ISO), wie es bei 1:1 Betrachtung (vergrößert!) aussieht. Deutlich ist das (Farb-)Rauschen erkennbar.

Bei bildschirmfüllender Betrachtung ist das Rauschen logischerweise weniger stark zu sehen.

Hier ein Ausschnitt aus einem vorher am PC auf Bildschirmgröße heruntergerechnetem Bild. Das Originalbild sieht am Bildschirm aber exakt gleich aus!
Da man bei einer normalen "Diashow" seine Fotos immer nur bildschirmfüllend ansieht, hat das Reduzieren der Bilddatei also keinen Einfluss auf das Rauschen!

Vergleich verschiedener Kameras

Um Kameras mit verschiedenen MP-Zahlen bezüglich des Rauschens vergleichen zu können, müssen ihre Bilder zuvor auf gleiche Größe gebracht werden. Ggf. tut es auch die jeweils bildschirmfüllende Betrachtung oder der Vergleich von 13 x 10 cm Papierbildern, wenn dann bereits Unterschiede erkennbar werden.
Dann spielt es keine Rolle mehr, ob ob die betr. Kamera viele MP hatte oder weniger, ob in der Kamera heruntergerechnet wurde oder ein kleineres Dateiformat durch Pixel-Mixing entstanden ist. Die Kamera mit dem geringsten Rauschen (und trotzdem guter Detailauflösung!) ist die beste!

Nur wenn mit dieser Methode keine Unterschiede erkennbar sind (z.B. Rauschen bei 100 ISO), dann sollte man die betr. Testbilder auf ein größeres Format als die Bildschirmauflösung umrechnen und Bildausschnitte vergleichen.

Streng genommen ist es nicht korrekt, 800 ISO mit 800 ISO zu vergleichen. Eine Kamera mit max. Blende 4 muss bereits 1600 ISO wählen, während eine Kamera mit Blende 2,8 noch mit 800 ISO auskommt. Hat diese 2,8 - Kamera sogar einen guten(!) Stabilisator, dann genügen ihr sogar 400 oder gar 200 ISO ... wenn Bewegungsunschärfe kein Problem ist.

Deshalb: Beim Vergleich von Urlaubsbildern kann es durchaus sein, dass eine Kamera mit lichtstarker Optik und einem wirksamen Stabilisator rauschärmere Tele-Bilder liefert (da sie auch bei schwachem Licht oft noch mit der Basis-Empfindlichkeit auskommt), als eine Kamera, die bei Teleaufnahmen ihr Heil in der Wahl hoher ISO-Werte suchen muss.

Bei wirklich schwacher Beleuchtung ist aber eine rauscharme Kamera eindeutig im Vorteil.

Rauschen nachträglich am PC reduzieren

Mit z.B. Noise Ninja oder Helicon (Links) kann das Rauschen mancher Bilder deutlich reduziert werden. Aber ein noch so gutes Programm kann nicht den durch den hohen ISO-Wert verursachten Schärfeverlust (Vgl. Bild ganz oben!) rückgängig machen, im Gegenteil! Das Programm reduziert weitere Bilddetails!
Einfarbige Flächen wirken dann aber gleichmäßiger und weniger verrauscht.

Sehr sinnvoll sind solche Programme bei der Bearbeitung von RAW-Dateien, bei denen das Rauschen ja nicht schon in der Kamera reduziert wird.

Sieht man Rauschen auf Papierbildern?

Ob das Rauschen auch auf Papierbildern störend sichtbar wird, kann man rel. einfach abschätzen. Es gilt die Faustregel, dass ein 10 x 13 Papierbild etwa so aussieht, wie das gleiche Bild auf einem 19"-Monitor. Alles was man da sieht (Rauschen, Rand-Unschärfe ...), wird man auch auf dem Papierbild sehen.
Bei größeren Postern werden natürlich noch mehr Mängel sichtbar!

Besonders auffällig ist das "Farbrauschen", das z.B. auf einen einfarbigen dunklen Hintergrund farbige Pünktchen zaubert. Das normale Rauschen wird eher toleriert, da es dem bei hochempfindlichen KB-Filmen bekannten groben Korn ähnelt.

Ob das Rauschen stört, muss jeder für sich selbst entscheiden! Am besten natürlich im Vergleich mit einem bei 100 ISO aufgenommenen Vergleichsfoto.