Wie reduziert die Mittelung von Bildern oder die Verringerung der Auflösung das Rauschen?

Die letzten beiden sind wirklich dasselbe und funktionieren aufgrund der Tatsache, dass Rauschen in den meisten Fällen den Wert eines Pixels genauso wahrscheinlich nach oben treibt wie es den Wert nach unten zieht.

Nehmen wir an, der „wahre“ Wert eines bestimmten Pixels ist 100 (von 255). Nehmen Sie 10 Bilder derselben Szene unter lauten Bedingungen auf und Sie können die folgenden Werte aufzeichnen:

104, 99, 98, 100, 101, 105, 99, 102, 94, 105

Wenn Sie diese Werte mitteln (indem Sie sie addieren und durch 10 dividieren), erhalten Sie den folgenden Pixelwert: 100,7, der auf 101 gerundet wird, was viel näher am wahren Wert liegt, als Sie erwarten würden, wenn Sie nur einen der Pixel auswählen müssten 10 Bilder nach dem Zufallsprinzip.

Was das Wie betrifft, gibt es dafür spezielle Softwarepakete (suchen Sie nach Bildstapelung, ich denke, Deep Sky Stacker ist eine beliebte Wahl). Alternativ können Sie dies in den meisten Bildbearbeitungen tun, indem Sie mehrere Ebenen laden und Ebenenpaare zusammenführen (neuere Versionen von Photoshop haben spezielle Stapelfunktionen, die etwas besser sind).

Das gleiche Prinzip liegt hinter der Reduzierung der Auflösung. Eine Technik hierfür wird „Binning“ genannt, bei der Sie vier benachbarte Pixel zu einem kombinieren. Stellen Sie sich also vier Pixel vor, die einem Bereich mit flacher Farbe innerhalb des Bildes entsprechen, der einen einheitlichen Wert von 100 haben sollte:

102, 103
93,  101 

Wenn Sie sie mitteln, erhalten Sie ein einzelnes Pixel mit einem Wert von 99,75, das auf 100 gerundet wird.

Übrigens ist das Aufnehmen mehrerer Bilder und deren Mittelwertbildung gleichbedeutend mit einer längeren Belichtung, außer:

• Sie können die Kamera zwischen den Aufnahmen abkühlen lassen, was bei Problem Nr. 1 hilft
• Langzeitbelichtungen funktionieren nur, wenn Sie mehr Licht einfangen, was bedeutet, dass Sie die Blende konstant halten und den ISO-Wert verringern (was nicht immer möglich ist, z. B. wenn Sie den minimalen ISO-Wert erreichen).
• Längere Belichtungen können zu Kameraverwacklungen führen, die durch mehrere kürzere Belichtungen vermieden werden können (obwohl die Bilder ausgerichtet werden müssen).

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Schließlich lautet die goldene Regel, wenn es um die Minimierung von Rauschen geht, so viel Licht wie möglich zu bekommen. Dies geschieht durch Mittelung mehrerer Belichtungen (es kommt auf das gesamte erfasste Licht an). Downsampling ist wirklich ein Tausch von Rauschen gegen Auflösung.

Temperatur

In Silizium gibt es einen Effekt, der als thermisches Rauschen (Johnson-Rauschen) bezeichnet wird. Dies sind im Grunde genommen Elektronen, die vom Substrat losgerissen wurden und zu den Elektronen hinzukommen, die von Photonen losgeschlagen werden. Diese Elektronen werden dann als Teil des "Signals" des Sensors betrachtet und erzeugen Rauschen. Diese Art von Rauschen ist Gauß-verteilt und hat einen Mittelwert von Null.

Thermisches Rauschen nimmt mit der Temperatur zu, deshalb schneidet ein kühlerer Sensor besser ab.

Mittelung

Dies funktioniert nur für zufälliges Rauschen mit einem Durchschnitt von Null. Wenn das Rauschen zufällig (genügend) ist, ist es nie ganz dasselbe, während die Szene, die Sie fotografieren, es sein sollte. Da Informationen über die Szene mehrmals aufgezeichnet werden, ist es jedes Mal mit leicht unterschiedlichem Rauschen möglich, die Pixel zu mitteln und ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis als bei einer Aufnahme zu erhalten. Das bedeutet, dass die Szene statisch sein muss.

Fotodetektor unterschiedlicher Größe

Je nachdem, wie der größere Sensor erreicht wird, erhalten Sie möglicherweise weniger Rauschen. Eine Technik besteht darin, die physische Sensorgröße konstant zu halten und dann mehrere physische Pixel zu einem logischen zu kombinieren. Oder die physische Größe des Sensors kann unterschiedlich sein.

Durch das Kombinieren mehrerer physikalischer Pixel zu einem logischen können Sie die gleiche Art von Rauschunterdrückung erreichen wie durch das Kombinieren mehrerer Aufnahmen.

Durch Erhöhen der physikalischen Größe des Pixels ist es möglich, das Rauschen vom Auslesen und der Verstärkung zu reduzieren. Bei einem größeren Pixel ist es eine größere Anzahl von Elektronen im Signal. Da das Auslese- und Verstärkungsrauschen für jede gegebene Produktionstechnologie (Transistorgröße) nahezu festgelegt ist, ist es möglich, ein größeres Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen.

Hier ist ein Artikel, der das Konzept hinter der Mittelwertbildung gut erklärt und wie man es mit Photoshop von Hand macht. Die gleiche Technik kann in jeder Bildbearbeitungssoftware verwendet werden, die Ebenen und Ebenendeckkraft unterstützt.