Rauschen

Soviel vorab: Rauschen tritt besonders stark in schlecht beleuchteten (unterbelichteten) Bildbereichen auf, erheblich weniger in den hellen.
Das demonstriert überzeugend ein Bildbeispiel, das bei 100 ISO aufgenommen wurde.

Wenn bereits bei den (bei heller Studiobeleuchtung aufgenommenen) Testbildern (dunkle) einfarbige Flächen deutlich "rauschen", dann ist die betr. ISO-Einstellung nicht ratsam. In den Schattenbereichen wird das Rauschen dann katastrophal sein!
Wie das Rauschen in den Schattenbereichen sein wird, kann man aus den Testbildern bei entspr. höheren ISO-Werte abschätzen.

Panasonic LX1 bei 400 ISO (dpreview.com)

Der Zusammenhang wird durch die nebenstehenden Grafik deutlich. Sie zeigt die Messwerte verschiedener Kameras bei 100 ISO (Stand: 2006).
Nur wenn eine Kamera auch im Schattenbereich eines Bildes (ganz links) noch außerhalb des "Rauschbereiches" liegt, kann man ein "saftiges" Schwarz erwarten, ohne bunte Störpixel usw.
Die SLR D200 erfüllt diese Bedingung problemlos. Aber die F10 ist praktisch mit der Olympus-SLR gleichauf. Die Panasonic LX1 ist selbst in den hellen Bildbereichen (ganz rechts) nicht völlig rauschfrei!

Viele Kameras mit zu vielen MP/Sensorfläche liefern zwar bei Sonnenschein und z.B. 400 ISO durchaus noch rel. rauscharme Bilder, in den Schattenbereichen rauschen sie aber bereits bei 100 ISO..

Vorsicht!
Gute Rauschwerte kann ein Hersteller auch erreichen, indem er eine sehr aggressive Rauschunterdrückung einsetzt. Dadurch werden dann aber nicht nur die Störpixel in einfarbigen Flächen sondern auch alle kleinen Bilddetails weggebügelt! Dann hat man zwar rauschfreie Farbflächen, aber die Auflösung ist katastrophal! → mehr sh. unten ("Auflösung und Rauschen")

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 (damaligen) 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!

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.

1.Farbrauschen
Deutlich ist auf dem obigen linken Bild zu sehen, dass einfarbige Flächen im Schattenbereich keine gleichmäßige Einfärbung aufweisen. Es tritt ein Farbmuster auf. Das sog. Farbrauschen würde verschwinden, wenn man auf Schwarz-Weiß-Darstellung umschalten würde.
Die Kamerahersteller versuchen besonders dieses auffällige Farbrauschen durch entsprechende Programme zu unterdrücken. Das bewirkt aber, dass bei hohen ISO-Werten die Farben "ausbluten" (blass wirken). Hier zwei Ausschnitte aus Aufnahmen der FH100 mit 100 und 1600 ISO:

2. Helligkeitsrauschen
Neben dem Farbrauschen gibt es noch Helligkeits-Unterschiede bei eigentlich einfarbigen, dunklen Flächen. Dieses Helligkeits-Rauschen würde bestehen bleiben, wenn man auf Schwarz-Weiß-Darstellung umschalten würde.
Die Kamerahersteller versuchen das Helligkeitsrauschen ebenfalls mit Rausch-Unterdrückungs-Programmen zu reduzieren. Das geht dann aber auf Kosten der Auflösung (sh. nächstes Kapitel).
Im Gegensatz zum Farbrauschen wird das Helligkeitsrauschen allerdings eher toleriert, da es an das grobe Korn hochempfindlicher KB-Filme erinnert. →Bildbeispiel der Fuji 6500

Da seit Erscheinen der F10 die Käufer zunehmend auch den Wert höherer Empfindlichkeiten begreifen, meinen nun alle Hersteller, möglichst hohe ISO-Werte anbieten zu müssen ... ohne Rücksicht auf die Bildqualität! Danach fragt ja zunächst niemand!
Die Hersteller versuchen zwar, das Rauschen durch spezielle Programme oder andere Methoden zu reduzieren (bei kleinen Sensoren mit mehr als 10MP ist das bereits bei 100 ISO notwendig!), aber das geht immer 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.

Für die erste Methode entscheiden sich viele Hersteller und werden dann auch noch in Testberichten unbedarfter Tester dafür gelobt. Ein extremes Beispiel war ein Testbericht, in dem verkündet wurde, dass die Kamera (Panasonic LX2) bei 1600 ISO weniger rauscht als bei 100 ISO. Warum wohl?

Die zweite 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! Gute Kameras bieten die Möglichkeit, sich zwischen den beiden Methoden zu entscheiden.

Das Vergleichsbild mit Ausschnitten aus älteren 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 lieferte 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 2MP-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.

Immer wieder taucht die Theorie auf, dass von der Größe der Einzelzellen direkt das Rauschverhalten abgeleitet werden könne. Man macht es sich aber zu einfach, kurzerhand die Sensorbreite durch die Anzahl der nebeneinander liegenden Einzelzellen zu teilen und aus den sich dann ergebenden z.B. 2,7μm auf das Rauschverhalten der betr. Kamera zu schließen! Diese Überlegung vernachlässigt die ständige Verbesserung der Sensoren (Stichwort: BSI-CMOS-Sensor) und Datenaufbereitung.
Auf dem APS-Sensor der ersten Canon SLR (EOS D30) befanden sich im Jahre 2000 kümmerliche 3MP (aber sehr große) Zellen. Besonders rauscharm war die Kamera bei 1600 ISO trotzdem nicht! Heutige APS-Sensoren beherbergen 18MP mit deutlich kleinere Zellen und rauschen trotzdem weniger.

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 ist allerdings die Größe "MP geteilt durch Sensorfläche [cm²]", was dpreview angibt. Dadurch werden auch unterschiedliche Sensor-Seitenverhältnisse (16:9 und 3:2) berücksichtigt. Bei dieser Angabe lassen niedrige Werte geringeres Rauschen erwarten. In unserem Beispiel ergibt sich übrigens 14 bzw. 29.

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.

Mit dieser Grafik möchte ich versuchen, die komplexen Zusammenhänge anschaulich zu machen. Die Angaben sind aber nur "qualifiziert geschätzt".

Erkennbar ist:

Mit zunehmenden MP nimmt die Auflösung keineswegs ständig zu. Besonders bei den kleinen Sensoren (kleine Standard-Brennweite) ist etwa oberhalb 10MP kaum noch eine Steigerung möglich. Mehr als 12MP sind nur bei sehr großen Sensoren sinnvoll. →mehr Infos
Für 13x10 Bilder (bzw. am normalen Bildschirm) sind nicht viel mehr als 4MP notwendig, egal welchen Sensor man in seiner Kamera hat.
Bis etwa 8MP ist bei 100 ISO die Auflösung einer SLR nicht besser als die einer (guten) Taschenkamera.
Bei kleinen Sensoren ist oberhalb 4MP auf Papierbildern bei 400 ISO bereits Rauschen (bzw. Detailverluste) erkennbar.
Wer eine 14MP-Kamera auf 8MP umstellt, hat dann "nur" die Auflösung einer 8MP-Kamera aber weiterhin das starke Rauschen der 14MP-Kamera. (sh. weiter unten)
Der Vorteil der großen Sensoren liegt nicht in der besseren Auflösung, sondern dem geringeren Rauschen bei höheren ISO-Werten.

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

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 ebenfalls so "rauscharm" aus!
Da man bei einer normalen "Diashow" seine Fotos immer nur bildschirmfüllend ansieht, hat das Reduzieren der Bilddatei also keinen Einfluss auf das Rauschen!

Wer Wert auf rauscharme Bilder legt, aber eine kleine Kamera haben möchte, der sollte die Finger von Kameras mit mehr als 10MP lassen! Und selbst bei 10MP kann eine Umstellung auf eine geringere Auflösung das Rauschen nicht nennenswert reduzieren.
Hier ein Beispiel, Dazu habe ich mein Rausch-Testbild mit einer 10MP-Kamera (Casio FH100) bei 800 ISO aufgenommen und dann auf 6MP reduziert. Darunter der Bildausschnitt des mit einer "echten" 6MP-Kamera (Fuji 31) aufgenommenen Bildes. Gezeigt wird jeweils das grüne Feld des Testbildes (im Blaukanal).
Dieses hervorragende Ergebnis wurde hier nicht durch den Verzicht auf Details erkauft. Nicht ohne Grund war die F31 einige Jahre lang meine "Referenzkamera" und wird noch heute gelegentlich zu Vergleichen genutzt.

Mit entsprechenden Programmen kann das Rauschen mancher Bilder deutlich reduziert werden. Aber sie können natürlich nicht den von der kamerainternen Rauschunterdrückung verursachten Schärfeverlust rückgängig machen. Im Gegenteil! Das Programm reduziert weitere Bilddetails! Einfarbige Flächen wirken dann aber gleichmäßiger und weniger verrauscht.

Sehr sinnvoll sind solche Programme aber bei der Bearbeitung von RAW-Dateien, bei denen das Rauschen ja nicht schon in der Kamera reduziert wird. Das Programm Topaz DeNoise schafft es derzeit am besten, das Rauschen zu reduzieren, (fast) ohne Details wegzubügeln. Hier ein Beispiel:

Alle Kamerahersteller arbeiten fieberhaft daran, in ihre Kamera-Software ein solches, wirksames Programm einzubauen.

Vergleich verschiedener Kameras

Ob eine Kamera stark rauscht kann man ganz einfach feststellen. Man fotografiert ein Motiv, das verschiedene einfarbige 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.
Hier ein Beispiel mit der 10MP Olympus XZ-1 und der 6MP Fuji F31 (auf 10MP hochgerechnet), aufgenommen bei 100 ISO.

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)

Um dann 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 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.

Dieses Bild wurde 2009 mit der Panasonic TZ1 aufgenommen. Sie wurde 2006 gebaut und hatte zwar den kleinen 1/2,5" Sensor, aber nur 5MP. Das ergibt einen scheinbar günstigen dpreview Kennwert von 20 MP/cm². (Zum Vergleich: die wegen ihres geringen Rauschens gelobte LX3 hat nur 25 MP/cm², ist aber zwei Jahre jünger).
Trotz des niedrigen 125 ISO-Wertes (1/30 Sek.; Blitz) ist das Rauschen aber bei 1:1 Betrachtung (sh. Bildausschnitt) unübersehbar. Auf einem kleinen Bildschirm fällt es einem Laien nicht unangenehm auf, zumal die hellen Bildbereiche fast rauschfrei sind. Aber man muss nicht viel Phantasie haben, um sich vorzustellen, wie das wohl bei 400 ISO wäre ...

Und noch ein typisches Beispiel, das bei vielen kleinen Kameras auftritt: Das eingebaute Blitzlicht ist zu schwach für eine Gruppenaufnahme, obwohl grundsätzlich 400 ISO gewählt wird. Die weiter hinten sitzenden Personen bekommen zu wenig Licht ab und die Kameras (hier die TZ7) setzen dann rigorose Rauschunterdrückungs- und Aufhellungsprogramme ein. Die vorne sitzenden Personen sind nicht betroffen.
Möglicher Ausweg: Einsatz eines Zusatzblitzgerätes oder Kamera mit größerem Sensor.

Zumindest sollte an der Kamera eine Basis-Empfindlichkeit einstellbar sein, die Rauschfreiheit garantiert! Auch wenn das dann "nur" 50 ISO sind!
In den "guten alten Zeiten" hat man ja auch einen 25 ISO-Film verwendet, wenn man auf höchste Kornfreiheit und Bildschärfe Wert legte ... und auf hohe Empfindlichkeit verzichtet!

Ich arbeite übrigens oft mit niedrigster ISO-Einstellung und nehme dafür gelegentliche Bewegungsunschärfe in Kauf .... was manchmal sogar stimmungsvollere Fotos ergibt!
Das folgende Bild (Ausschnitt) wurde mit 1/15 Sek. aufgenommen!

Bei Langzeitbelichtungen (z.B. länger als 4 Sek.) kann eine ganz andere Form des Rauschens auftreten. Dann wirkt das Bild wie mit kleinen weißen Punkten übersäht. Das sind Störungen, die der Sensor erzeugt, bei kurzen Belichtungszeiten aber nicht auffallen. Gute Kameras beseitigen sie automatisch.

Dazu machen sie nach dem Langzeitbild anschießend ein sog. "Schwarzbild" mit gleicher Belichtungszeit. Dann entsteht ein schwarzes Bild mit den gleichen Störungen. Anschließend werden sie aus dem Langzeitfoto herausgerechnet und man erhält ein (fast) störungsfreies Bild.
Das ist der Grund, warum ein Langzeitfoto nicht sofort auf dem Monitor gezeigt wird, sondern erst nach dieser Bearbeitung.

Hier ein Langzeitfoto der Fuji F10 und ein 1:1 Bildausschnitt daraus. Belichtungszeit: 15 Sekunden, Blende: 2,8; 400 ISO.