Was ist die physikalische Ursache für zunehmendes Rauschen bei hohen ISO-Werten?

Stellen Sie sich ISO wie einen Verstärker vor – er erhöht die Verstärkung des eingehenden Signals.

Wenn Sie einen Audioverstärker und ein altes AM-Radio haben, das auf ein entferntes Signal eingestellt ist, müssen Sie den Verstärker aufdrehen, um den Sender richtig zu hören. Leider bringt das gleichzeitig eine ganze Menge anderer Geräusche mit sich - so dass Sie die Musik über dem Knistern und Zischen immer noch kaum hören können.

ISO funktioniert genauso. Es verstärkt das „Licht“, aber auf Kosten der Erhöhung der unerwünschten zufälligen Signale, die bereits in den eingehenden Daten vorhanden sind. Das Rauschen ist immer da, es wird nur nicht verstärkt, wenn Sie bei ISO 100 sind.

Kameras, die bei höheren ISO-Werten effektiver sind, haben grundsätzlich von Anfang an ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis. Ein "leiserer" Sensor und die Fähigkeit, tatsächlich mehr Licht aufzunehmen, weshalb größere Sensoren normalerweise besser darin sind - sie haben eine größere Fläche, um mehr Licht einzufangen.

ISO auf einer Digitalkamera ist nicht wirklich ISO wie auf Film, aber es ist eine einfache Möglichkeit, die Beziehung zwischen Vertrautheit und Belichtung zu bewahren.

ISO für Analog vs. Digital

ISO ist in der digitalen Fotografie zum Teil verwirrend, weil es eigentlich für die Filmfotografie gedacht war. In der Filmfotografie ist ISO 400 wirklich empfindlicher als ISO 100-Film.

Dies gilt nicht wirklich für die digitale Fotografie. Die Empfindlichkeit Ihres Kamerasensors ist gleich und ändert sich nicht. Der Sensor funktioniert ein bisschen wie eine Anordnung sehr kleiner Solarpanels. Lichtphotonen sind Teilchen, die Energie transportieren. Diese Energie wird von der Fotostelle auf dem Sensorarray Ihrer Kamera absorbiert und erzeugt eine winzige Ladung (Spannung). Dies sind analoge Informationen – sie liegen noch nicht in digitaler Form vor.

Wenn die Belichtung abgeschlossen ist und sich der Verschluss schließt, liest die Kamera die Informationen des Sensors aus.

Upstream- und Downstream-Verstärkung

Zwei Dinge können passieren und wie dies funktioniert, hängt von der Kamera ab.

Die Kamera kann eine analoge Verstärkung anwenden. Kameras tun dies normalerweise nur für eine Handvoll "Stopps" der Verstärkung. Da die analogen Informationen noch nicht in digitale Form umgewandelt wurden, wird diese Art der Verstärkung manchmal als "Upstream-Verstärkung" bezeichnet.

Die analogen Informationen werden digital umgewandelt, indem die Spannung in digitale Einheiten umgewandelt wird. Dies ist der ADC oder die Analog-Digital-Wandlung. Die Ausgabewerte werden manchmal als ADUs bezeichnet – kurz für Analog Digital Units. Dies ist der digitale Ausgang.

Diese digitalen Informationen können auch durch einfache Multiplikation der Zahlenwerte erhöht werden. Da dies nach der Digital-Analog-Wandlung auftritt, wird dies manchmal als "Downstream-Verstärkung" bezeichnet.

Einige Kameras verwenden ausschließlich oder hauptsächlich digitale Verstärkung (Downstream-Verstärkung), andere verwenden eine Kombination aus Upstream- und Downstream-Verstärkung. Da dies je nach Kameramodell unterschiedlich ist, gibt es keine richtige Antwort darauf, wie es gemacht wird.

An diesem Punkt stellen viele der Informationen im digitalen Format ein tatsächliches „Signal“ dar – was bedeutet, dass dies Informationen sind, die das während der Belichtung gesammelte Licht darstellen.

Voreingenommenheit

Aber es gibt viele interessante Nuancen. Wenn Sie beispielsweise einen Sensor einschalten, das Objektiv bedeckt halten, das kürzestmögliche Bild aufnehmen und dann eine Auslesung durchführen, denken Sie vielleicht, dass alle Pixelwerte Nullen anzeigen würden. Aber das ist nicht, was passiert ... Sie werden feststellen, dass sie alle einige sehr kleine Werte lesen, die nahe bei Null liegen ... aber nicht ganz Null. Dies repräsentiert den Bias-Wert des Sensors. Übrigens kompensieren moderne Digitalkameras die Vorspannung intern, bevor sie die Bilddaten schreiben.

Thermisches Rauschen

Auch wenn Sie das Objektiv weiterhin bedeckt halten, aber länger belichten, werden Sie feststellen, dass viele der Pixel ihre akkumulierten ADUs erhöhen – obwohl kein sichtbares Licht in die Kamera eindringt. Dafür gibt es mehrere Gründe, einer davon ist thermisches Rauschen (und es gibt Kamerasensoren, die gekühlt werden, um dieses Rauschen zu reduzieren.)

Es gibt auch Rauschen aufgrund von Quanteneffekten. Wenn eine Kamera beim Auslesen langsam ist, kann es zu Rauschen kommen, das durch etwas verursacht wird, das als Amp-Glow bezeichnet wird. Und obwohl es selten ist ... kann das gelegentliche hochenergetische Photon vorbeiwandern und die Kamera durchdringen.

Das Fazit hier ist, dass es viele Ursachen für „Lärm“ gibt.

Hohe ISO verursacht kein Rauschen

ABSENT von dieser Liste ist ISO. ISO verursacht per se kein "Rauschen". Das Rauschen, das erfasst wird, wenn die Belichtung abgeschlossen ist und die Kamera das Auslesen beendet, ist, was es ist, und ändert sich nicht. ISO ist eine Verstärkung, die nach Abschluss der Belichtung angewendet wird (technisch gesehen ist sie nicht Teil der Belichtung – obwohl es viel einfacher ist, sich vorzustellen, dass sie Teil der Belichtung ist.)

Stellen Sie sich eine Audioaufnahme in sehr schlechter Qualität vor, in der jemand spricht ... aber das Mikrofon ist zu weit von der sprechenden Person entfernt. Sie drehen die Lautstärke auf, während Sie den Ton wiedergeben, und Sie hören viele Hintergrundgeräusche, Zischen, Brummen und andere Nuancen (vielleicht sogar andere Personen im Raum). Aber weil Sie die Lautstärke erhöhen, hören Sie all diese Hintergrundgeräusche, die viel deutlicher sind. Wenn das Mikrofon näher an der sprechenden Person gewesen wäre, hätten Sie ein stärkeres "Signal" und Sie hätten die Wiedergabelautstärke nicht erhöhen müssen.

Dies ist eine gute Analogie für das Signal-Rausch-Verhältnis. Das Rauschen ist relativ konstant. Es ist das Signal, das stärker oder schwächer war. Aber diese Dynamik verändert das "Signal-Rausch-Verhältnis" (SNR).

Wenn Sie ein schlechtes Signal haben, werden Sie versucht sein, die Lautstärke zu erhöhen. In der Fotografie "drehen Sie die Lautstärke auf", indem Sie die ISO (eigentlich die Verstärkung) erhöhen. Aber das erhöht ALLE Informationen... sowohl das Signal als auch das Rauschen.

Rauschen macht sich durch unzureichende Belichtung bemerkbar

Das Rauschen wird einfach deutlicher, weil das Foto ein unzureichendes Signal hatte. Letztendlich bestimmt das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), wie viel wahrnehmbares Rauschen Sie in einem Bild sehen. Das Rauschen ist immer da ... aber wenn die Signalwerte sehr hoch sind, muss die Information nicht verstärkt werden, sodass das Rauschen nicht wahrnehmbar ist. Grundsätzlich überwältigt das Signal das Rauschen bis zu dem Punkt, an dem unsere Augen es nicht bemerken. Wenn das Signal schlecht ist, müssen wir die Informationen verstärken. Dies führt zu einem schlechten SNR, bei dem das Rauschen einen anständigen Prozentsatz der Gesamtinformation ausmacht, und jetzt bemerken wir das Rauschen.

Das Mitnehmen hier ist, dass sich der "Rauschpegel" Ihrer Kamera nicht wirklich so stark ändert (es würde bei sehr langen Belichtungen passieren, bei denen Sie einen thermischen Aufbau bekommen, der zu mehr Rauschen führt). Wenn Sie "Rauschen" in Ihren Bildern sehen, bedeutet dies, dass Sie ein unzureichendes Signal hatten. Und da ISO technisch gesehen kein Teil der Belichtung ist ... bedeutet es wirklich, dass Sie eine unzureichende Belichtung hatten.

Was ich gerade gesagt habe, widerspricht wahrscheinlich sehr dem, was viele Fotografen gelernt haben. Aber wir lernen und lehren Fotografie basierend auf den analogen Konzepten analoger Filmkameras ... und wir gehen normalerweise nicht in die Tiefe, wie digitale Sensoren und Kameras tatsächlich funktionieren. Das erfüllt unsere Anforderungen meistens gut, aber im Fall von ISO und Rauschen sorgt es für Verwirrung.

Das Erhöhen der ISO bei einer modernen Digitalkamera hat zwei Auswirkungen:

1. Es erhöht die Verstärkung des Sensorsignals, wodurch dunkle Bildbereiche heller werden.
2. Es ändert die Kameramessung, sodass eine geringere Belichtung resultiert. Es wird entweder eine kürzere Verschlusszeit oder eine kleinere Blende ausgewählt.

Beides kombiniert, um das Rauschen zu erhöhen.

Das meiste Rauschen, das Sie auf einem Digitalfoto sehen, ist Photonenschussrauschen . Durch die Verringerung der Belichtung macht das Rauschen einen größeren Prozentsatz des Endergebnisses aus. Die erhöhte Verstärkung macht dieses Rauschen sichtbarer.

Tetsuijn gibt schon eine sehr gute Erklärung. Ich versuche, eine ähnliche Erklärung zu geben, aber etwas theoretischer.

Angenommen, der Sensor erfasst das Licht und alle Werte liegen zwischen 0 (dunkel) und 100 (maximal vom Sensor erfassbares Licht). Der Sensor, der eine Breite X (mit Spalten 0 bis x) und Höhe Y (mit Zeilen 0 bis y) hat, hat Pixel X * Y (z. B. ein Sensor von 100 x 100 hat 10.000 Pixel). Jedes Pixel kann eine Lichtintensität zwischen 0 und 100 haben. Da es immer „Rauschen“ gibt (kein Sensor ist perfekt), gehen Sie davon aus, dass das Rauschen max. 2. Das heißt, 2 % (2 von 100) sind das Rauschverhältnis, 2 % des (maximalen) Signals sind Rauschen.

Nehmen Sie nun an, dass es sehr dunkel ist, sodass der Sensor nur Werte von 0 bis 5 liest. Für alle Pixel liegen also alle Werte zwischen 0 und 5. Durch die Änderung des ISO wird nun der Verstärkungsfaktor verändert, also der ISO auf einen Wert gesetzt, um den der Verstärkungsfaktor um 20 erhöht wird. Dadurch kann der maximale Bereich abgetastet werden, von 0 * 20 auf 5 * 20, also 0 auf 100. Allerdings wird auch das Rauschen (2) mit dem gleichen Wert erhöht, also 2 * 20 = 40. Und 40/100 = 40%, also haben wir jetzt ein Rauschen Verhältnis von 40 %.

Je größer der Sensor, desto mehr Licht kann er aufnehmen, also ist der Maximalwert statt 100 vielleicht 200 oder 500. Bei gleichem Rauschpegel von 2 beträgt das Rauschverhältnis 2/500 = 0,4 %, oder wenn der ISO erhöht wird bis zu einer Verstärkungsstufe von 5 sind es 2 % (statt 10 % beim Sensor des ersten Beispiels).

Verlängert man die Verschlusszeit (dh eine längere Belichtung), dann erhöht sich die Abtastzeit, wodurch der Wert von 100 im ersten Beispiel für die maximale Lichtmenge länger wird. Sagen wir mal 10 mal mehr, also 1.000. Das Rauschen ist jedoch immer noch 2, daher beträgt das Rauschverhältnis 2 / 1.000 = 0,2 %.

Aus diesem Grund verschlimmert eine Erhöhung des ISO-Werts das Rauschen, eine Erhöhung der Verschlusszeit jedoch nicht. Sie können dies jedoch nur verwenden, wenn sich das aufgenommene Bild nicht bewegt (keine sich schnell bewegenden Elemente) und wenn die Kamera/das Objektiv stabil ist.

Die Hauptursache ist Photon Shot Noise, das die Zufälligkeit von Lichtphotonen ist.

Die übliche Analogie ist, dass Pixel Becher (Brunnen) sind, die Regen (Photonen) sammeln. Und bei schwachem Licht ist es so, als ob Sie in einem leichten Spritzer zu Ihrem Auto gehen ... große Bereiche Ihres Körpers können vollständig trocken bleiben, während andere Bereiche nass werden. Während es bei hellem Licht so ist, als würde man versuchen, in einem heftigen Regenguss zu seinem Auto zu gehen … man wird komplett durchnässt. Es ist der Mangel an ausreichend Licht/Daten von den "trockenen Pixeln", der das Rauschen verursacht. Und viele Kameras fügen der Signalkette auch ihr eigenes Rauschen hinzu, sodass sie ein stärkeres gesammeltes Signal (mehr gesammeltes Licht) benötigen, um es zu überwältigen.

Der digitale Bildsensor ist mit Fotostellen bedeckt. Das Kameraobjektiv fokussiert ein Bild der Außenwelt auf die Oberfläche dieses Sensors. Der Verschluss öffnet sich und Licht spielt auf den Sensor. Jede Fotostelle wird von Photonentreffern bombardiert. Die Anzahl der Treffer an jeder gegebenen Stelle ist proportional zur Szenenhelligkeit. Jeder Photonentreffer erzeugt eine Ladung innerhalb der Fotostelle. Diese Ladung ist unglaublich schwach. Am Ende der Belichtung werden die Ladungen gemessen und in eine Spannung umgewandelt. Die Höhe der Spannung ist proportional zur Szenenhelligkeit. Abhängig von der ISO (International Organization of Standards), die die Regeln festlegt, wird eine Verstärkung angewendet. Dem nun verstärkten Signal wird proportional zur Szenenhelligkeit ein numerischer Wert zugeordnet. Wenn Verstärkung angewendet wird, schleicht sich immer etwas Rauschen ein. Dies entspricht dem Rauschen, das wir hören, wenn wir die Lautstärke eines Radios oder Fernsehers zu hoch stellen. Im Jargon der digitalen Bildgebung ändern wir den Namen „statisch“ in Rauschen. Dieses „Rauschen“ zeigt sich als unerwünschte Artefakte, die in das fertige Bild eingebettet sind. Diese Artefakte verleihen dem Bild im Allgemeinen „Körnigkeit“. Dies ist das digitale Gegenstück zu einem körnigen Muster, das in der auf Chemikalien basierenden fotografischen Filmfotografie zu sehen ist. Die höheren ISO-Einstellungen ermöglichen das Fotografieren bei schwachen Lichtverhältnissen. Der Nachteil ist, dass die Verstärkung aufgedreht wird, sodass das Signal mehr Rauschen hat. Die Gegenmaßnahme sind Software zur Rauschunterdrückung und digitale Bildverarbeitungschips mit einer höheren Lichtempfindlichkeit. Dieses „Rauschen“ zeigt sich als unerwünschte Artefakte, die in das fertige Bild eingebettet sind. Diese Artefakte verleihen dem Bild im Allgemeinen „Körnigkeit“. Dies ist das digitale Gegenstück zu einem körnigen Muster, das in der auf Chemikalien basierenden fotografischen Filmfotografie zu sehen ist. Die höheren ISO-Einstellungen ermöglichen das Fotografieren bei schwachen Lichtverhältnissen. Der Nachteil ist, dass die Verstärkung aufgedreht wird, sodass das Signal mehr Rauschen hat. Die Gegenmaßnahme sind Software zur Rauschunterdrückung und digitale Bildverarbeitungschips mit einer höheren Lichtempfindlichkeit. Dieses „Rauschen“ zeigt sich als unerwünschte Artefakte, die in das fertige Bild eingebettet sind. Diese Artefakte verleihen dem Bild im Allgemeinen „Körnigkeit“. Dies ist das digitale Gegenstück zu einem körnigen Muster, das in der auf Chemikalien basierenden fotografischen Filmfotografie zu sehen ist. Die höheren ISO-Einstellungen ermöglichen das Fotografieren bei schwachen Lichtverhältnissen. Der Nachteil ist, dass die Verstärkung aufgedreht wird, sodass das Signal mehr Rauschen hat. Die Gegenmaßnahme sind Software zur Rauschunterdrückung und digitale Bildverarbeitungschips mit einer höheren Lichtempfindlichkeit.