Sensor-Rauschen, Rauschen in Fotos, Bildrauschen

vg

Das Rauschen wird, zusammen mit Schärfe und Kontrast, gerne als eines der wichtigsten Qualitätskriterien für Bilder und Kameras verwendet. Sie erfahren hier - ganz einfach und verständlich erklärt -, welche Faktoren das Rauschen in Bildern erzeugen und wie Sie diese beeinflussen - insbesondere reduzieren - können. Sie werden erstaunt feststellen, dass das meiste Rauschen nicht durch Ihre Kamera, sondern durch Ihre eigene evtl. suboptimale Bedienung derselben erzeugt wird. U.a. erfahren Sie hier, wie man durch den optimierten Einsatz von Blende und Belichtungszeit das Rauschen drastisch verringern kann, und welchen - eher geringen - Einfluss die eingestellte ISO-Zahl tatsächlich hat. Sie lernen ferner, wie das in allen Tests so hoch bewertete Rauschen wirklich zu bewerten ist, und können dann selbst viele bis heute kolportierten Missverständnisse in der Fotografie aufklären.

Ein Inhaltsverzeichnis mit direkten Sprungmarken und Überblick über alle in Sensor-Rauschen behandelten Themenbereiche finden Sie als Pop-Up.

Photonen - die Regentropfen des Lichts

Auch auf die Gefahr hin, dass nun einige Quantenphysiker in eine komatöse Schockstarre verfallen, muss man das komplexe Thema der quantisierten Photonen mit einfachen Vergleichen aus der Alltagswelt auch dem Laien halbwegs verständlich nahebringen.

Rauschen

Als Rauschen bezeichnet man die Abweichung vom zu Grunde liegenden Signal. Das blaue Signal (mit dem Wert 100) entspricht somit in unserem Beispiel der großen Regenwanne und das rote Rauschen den Einzelmesswerten der kleinen Messrohre (mit Abweichungen von rein zufällig bis zu 20 nach oben und unten).

Definition Rauschen

Photonen-Rauschen bei der und durch die Aufnahme - Shot noise - Schrotrauschen - quantum noise - photon noise

Rufen wir uns das obige Experiment mit den vielen kleinen Testmessrohren in Erinnerung:

Einflussgrößen

Im Grunde finden sich drei Stellschrauben, mit denen man den Lichteinfall (die Menge des nutzbaren Lichtes für das Foto) beeinflussen kann:

  1. Sensorgröße: Je kleiner die Sensorfläche ist, umso weniger Licht kann bei gleicher Blende, Belichtungszeit und ISO-Zahl für dasselbe Foto verwendet werden.
    • Daraus folgt, dass das Rauschen bei APS-C (crop 1,5-1,6) oder Micro-Four-Thirds-Kameras (Crop: 2) größer sein muss als bei Vollformat-Kameras.
    • Der Effekt ist sogar erheblich, da der Sensor einer Micro-Four-Thirds-Kamera nur ein Viertel des Lichtes erhält und daraus dasselbe Foto herstellen muss. Während in den hellen Bereichen und meist auch im Mitteltonbereich noch genug Photonen vorhanden sind, wird das Rauschen in den dunklen Bereichen unübersehbar.
    • Das ist auch der Grund, warum ich in fast allen Artikeln über Kameras / Sensoren explizit darauf hinweise, dass die Sensorgröße die Bildqualität bestimmt - und nicht so sehr das Kamera-Modell oder der Hersteller.
  2. Blende
  3. Belichtungszeit

Hinweis: Die ISO-Zahl / ISO-Einstellung an der Kamera hat keinen Einfluss auf die einfallende Lichtmenge.

Eine weitere Stellschraube liegt in der Sensoreffizienz, d.h. in der Fähigkeit der einzelnen Pixel auf dem Sensoren a) die gesamte Fläche des Sensors zu bedecken und dann b) auch noch alles dort eingefangene Licht zu verwerten. Dies liegt jedoch ausschließlich in der Hand der Sensorhersteller.

Bildoptimierung

Mit den folgenden Tipps können Sie in der Praxis rauschfreiere Fotos bei der Aufnahme erzeugen:

Belichten nach rechts, expose to the right, exposure to the right (ETTR), Nach-rechts-Belichten

Normales Histogramm gemäß Belichtungsautomatik

Hier sehen Sie symbolhaft ein normales Histogramm eines durchschnittlich dynamischen Bildmotivs gemäß Belichtungsautomatik der Kamera. Das Histogramm ist nicht bis ganz nach rechts ausgefüllt und der Berg befindet sich typischer Weise etwa in der Mitte. Dadurch finden sich keine Information in den extrem detailreichen Speicherbereichen rechts mit 14, 13 und 12 Bit. Durch die Bit-Struktur der Dateispeicherung werden somit 50% aller möglichen Informationen (für 14 Bit), 25% aller möglichen Informationen (für 13 Bit) und 12,5% aller möglichen Informationen (für 12 Bit) nicht genutzt. D.h.: In diesem Beispiel verzichtet der Fotograf insgesamt auf 87,5% der möglichen Leistung seiner Kamera. - Dafür finden sich zahlreiche Schattentöne in den sehr detailarmen Speicherbereichen mit 1-4 Bit.

Da das Belichten nach rechts in der digitalen Foto-Praxis der wichtigste Aspekt ist, gebührt ihm ein eigenes Kapitel:

Nach rechts belichtetes Histogramm durch gemäßigte Überbelichtung

Hier sehen Sie symbolhaft ein durch eine gemäßigte Überbelichtung nach rechts belichtetes Histogramm. Das Histogramm ist relativ weit nach rechts ausgefüllt. Dadurch finden sich alle Informationen in den extrem detailreichen Speicherbereichen mit 4-14 Bit. - Nach dem Abdunkeln in Lightroom oder Camera RAW werden die Schatten wesentlich detailreicher sein.

Hier einige Quellen zu diesem wichtigen Thema:

Weitere Tipps zur Reduktion des Rauschens

Alte Fotohasen kennen die ersten Tipps, da man zu analogen Zeiten mit Film diese immer voll ausreizte. Erst seit der ISO-Automatik wissen viele neue Fotografen nichts mehr davon und müssen sich dieses Wissen neu erarbeiten.

Allerdings müssen alle ehemals analogen Fotografen bezüglich der Überbelichtung umlernen: Alle Motive - wirklich alle - (auch die schwarze Katze auf dem Kohlehaufen in der Nacht) muss man mit der Digitalkamera überbelichten, um das Rauschen zu reduzieren. - Das muss man auch beim Lesen alter Fotobücher beachten.

Dies gilt sogar für die bis heute übliche Unterbelichtung zur Erhöhung der Sättigung der Farben (z.B. beim Herbstwald oder Sonnenuntergang). So etwas macht man nicht mehr vor der Aufnahme an der Kamera, sondern nachträglich am PC.

Sensorrauschen

Über das sensorbedingte Rauschen (elektronische Hintergrundrauschen) lassen sich seit über 15 Jahren alle möglichen Leute in der Breite aus, obwohl dessen Einfluss auf das Bildergebnis und dessen Qualität eher gering ist.

Unglücklicherweise kann der Betrachter nicht zwischen Photonenrauchen (oben) und elektronisch bedingtem kameraabhängigen reinem Sensorrauschen unterscheiden. Er sieht nur ein mehr oder weniger verrauschtes Endergebnis, das er meist dem Sensor - also seiner Kamera und dessen Hersteller - zuschreibt.

Der Sensor und nachgelagerte Chips zur Bildverarbeitung

Festzuhalten bleibt, dass der Fotograf auf die meisten dieser Rausch-Faktoren kaum oder keinen Einfluss nehmen kann. Sie werden meist durch die Qualität des Sensors, der analogen Signalverarbeitung und der Analog-Digital-Wandlung der Kamera bestimmt. Tendenziell liegt die Qualität bei teuren Modellen höher als bei preiswerten. Aber eine Garantie besitzt man nicht, da die Serienstreuung erheblich ist.

Fakt ist auch, dass bei ISO 100 resp. der kameraspezifisch niedrigsten ISO-Stufe und dem Dateiformat JPEG bei fast keiner modernen Kamera Rauschen sichtbar ist. Dies liegt daran, dass JPEG sowieso bereits auf die für den Druck nur möglichen ca. 6-8 Blendenstufen / Lichtwerte reduziert wird. Dabei wird das Rauschen weitgehend eliminiert.

Weitere Qualitätskriterien

Es finden sich weitere Qualitätskriterien der Sensoren, die nichts mit dem zufälligen Rauschen zu tun haben, aber oft damit verwechselt oder vermischt werden:

Einflussnahme auf das Sensorrauschen

Nachträgliche Rauschreduzierung

Motivabhängigkeit

Abgesehen davon, dass jeder Fotograf eine andere persönliche (subjektive) Schmerzgrenze für das Rauschen besitzt, finden sich auch motivabhängige Unterschiede:

Küche bei 25.600 ISO auf dem Weihnachtsmarkt

Dampfende Küche auf einem Weihnachtsmarkt bei 25.600 ISO, f4, 33mm, 1/50 Sek., aus der Hand in der Nacht auf dem Weihnachtsmarkt, Canon 5DIII, 2014.

Küche bei 25.600 ISO auf dem Weihnachtsmarkt

1:1-Ausschnitt der Bildmitte: Persönlich kann ich mit dem Rauschen selbst bei 25.600 ISO leben, da es in diesem Bild den Eindruck nicht wirklich stört.

Höchste Ansprüche

Wer höchste Ansprüche an absolut gesehen möglichst rauscharme Fotos stellt, muss auch dementsprechende Maßnahmen ergreifen:

D.h. letztendlich muss jeder Fotograf für seine Anwendung den für ihn vertretbaren Kompromiss aus bezahlbarer Alltagstauglichkeit und Rauschfreiheit finden.

Allerdings ändert auch der höchste finanzielle Einsatz für die rauschärmste Hardware nichts daran, dass man Rauschen durch die optimale manuelle Einstellung an der Kamera (nach rechts belichten) effizienter reduziert.

Praxistipps

Normalfotografen sollten es jedoch mit dem Rauschen auch nicht zu ernst nehmen:

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