Was ist Rauschen in einem digitalen Foto?

Welche Effekte gibt es in digitalen Bildern, die als „Rauschen“ bezeichnet werden?

  • Welche unterschiedlichen Lärmquellen gibt es?

  • Was verursacht jede Art von Geräusch?

  • Welche Eigenschaften haben die verschiedenen Geräuscharten?

  • Wie manifestieren sich die verschiedenen Arten von Rauschen visuell im Bild? (dh sehen verschiedene Arten von Rauschen im resultierenden Bild "anders aus", und wie würden sie sich für das Auge unterscheiden?)

  • Wie können Sie jeden Typ minimieren?

  • Welche unterschiedlichen Nachbearbeitungstechniken sind für die einzelnen Arten am besten geeignet?

Antworten (2)

Rauschen wird oft als jede Abweichung von einem "reinen" Signal definiert. Das Signal wird als Helligkeitsmuster des Bildes angesehen, sodass jede Variation in den Pixelwerten, die das Bild darstellen, Rauschen ist. Diese Schwankungen entstehen hauptsächlich aufgrund von:

  • Schuss Lärm. Die zufällige Art und Weise, wie Photonen von einer Lichtquelle emittiert werden, verursacht zufällige Schwankungen der Bildhelligkeit. Je weniger Photonen Sie haben, desto deutlicher wird dieses Rauschen. Kann reduziert werden, indem mehr Licht auf den Sensor gelangt.

  • Dunkelstrom-(thermisches) Rauschen. Von der Kamera erzeugte Wärme (die elektromagnetische Strahlung ist, genau wie Licht, kann auf dem Sensor erscheinen). Da es nicht Teil der Szene ist, ist es Rauschen. Sie kann reduziert werden, indem der Sensor gekühlt wird, die Belichtungszeiten begrenzt werden (je länger der Sensor aktiv ist, desto mehr heizt er sich auf) oder einen Darkframe aufnehmen (d. h. mit geschlossenem Verschluss oder aufgesetztem Objektivdeckel), um vom Originalbild abzuziehen (einige Kameras haben eine Einstellung, um dies zu automatisieren).

  • Ungleichmäßigkeit der Lichtempfindlichkeit (Festmusterrauschen). Dies ergibt sich aus Unvollkommenheiten im Silizium, die dazu führen, dass Pixel etwas mehr oder weniger empfindlich sind als ihre Nachbarn. Die Kalibrierung kann die PRNU reduzieren, obwohl sie von Parametern wie der Belichtungszeit abhängen kann.

  • Lärm lesen. Elektrisches Rauschen, das von der Schaltung erzeugt wird, die die Werte von den Sensorpixeln liest. Kann reduziert werden, indem ein höherer ISO-Wert verwendet wird (falls das Signal nicht maximiert wird, bedeutet die Verstärkung des Signals vor dem Auslesen, dass das Leserauschen einen geringeren Prozentsatz des Signals ausmacht) oder eine Kamera mit geringerem Leserauschen verwendet wird. Sie können sich die Schattenrauschwerte bei Basis-ISO ansehen, um sich eine Vorstellung vom Leserauschen zu machen.

  • Quantisierungsrauschen. Rundungsfehler bei der Umwandlung eines analogen Signals in eine endliche Menge diskreter digitaler Werte. Normalerweise nicht wahrnehmbar, kann durch Verwendung eines Sensors verringert werden, der mehr Bits pro Pixel speichert, z. B. 14 statt 12.

Die folgenden sind technisch Lärm, werden aber selten als solche bezeichnet:

  • Moiré/Aliasing. Eine Art räumliches Quantisierungsrauschen, Aliasing, entsteht aufgrund von Interferenzmustern und dem festen Abstand von Sensorelementen. Sie kann durch einen Anti-Aliasing-Filter (normalerweise standardmäßig auf dem Sensor montiert) oder eine Erhöhung der Abtastfrequenz (Anzahl Pixel pro Flächeneinheit) reduziert werden, dh mehr Megapixel bei gleichem Objektiv.

  • Komprimierungsartefakte, wenn ein Bild als JPEG gespeichert wird. Kann reduziert werden, indem Sie die höchste Qualitätseinstellung für JPEGs auswählen oder Raw aufnehmen.

  • Heiße Pixel, hängende Pixel, dunkle Pixel. Sensorelemente, die immer entweder Null oder die maximal mögliche Antwort geben.

Der Begriff "Farbrauschen" beschreibt, wie sich das Rauschen manifestiert - es ist keine Rauschquelle wie die oben genannte. Farbrauschen bezieht sich auf zufällige Variationen in der Farbe von Pixeln, nicht nur in ihrer Helligkeit. Farbrauschen lässt sich leicht entfernen, da das Auge weniger empfindlich auf räumliche Farbvariationen reagiert, der Detailverlust durch die Rauschunterdrückung fällt weniger auf.

Auch hier bezieht sich "Hochfrequenzrauschen" auf eine andere Eigenschaft, die Raumfrequenz oder darauf, wie nahe die Spitzen des Rauschens beieinander liegen.

Gute Antwort ... Es ist erwähnenswert, dass diese Rauschquellen (mit Ausnahme von JPEG-Artefakten) in den Rohdaten vorhanden sind, die eine Farbe (Rot, Grün oder Blau) pro Pixel haben. Das genaue Erscheinungsbild des Rauschens (als "Farbrauschen" usw.) hängt also auch von den Details des Demosaicing-Algorithmus ab, der Daten von mehreren Pixeln kombiniert, um ein Farbbild zu bilden.
Wow, ich dachte, ich hätte Geräusche vorher verstanden, aber das war ziemlich weit über meinem Kopf.
@coneslayer-- wenn Sie keinen Foveon-Sensor haben, begrenzt das Bayer-Muster die gemessenen Informationen vom Chip auf eine Farbe pro Pixel. Die anschließende Interpolation dieses Gitters zur Erzeugung eines dreifarbigen Bildes verstärkt das erzeugte Rauschen, ist aber an sich keine Rauschquelle. Praktisch bedeutet dies, dass das Rauschen nicht auf ein einzelnes Pixel beschränkt ist, sodass das Entfernen schmerzhaft sein kann (aus theoretischer Sicht).
@mmr Häh? Ich habe nicht gesagt, dass das Bayer-Muster oder die Demosaikierung eine Geräuschquelle ist. Ich sagte, dass der Demosaicing-Algorithmus das Erscheinungsbild des Rauschens beeinflusst.
verfluche den Foveon! Ohne diesen Sensor müsste ich nicht jedes Mal [most] sagen, wenn ich über Bayer-Sensoren oder Demosaikierung spreche! Es ist immer noch möglich, Rauschquellen zu haben, die monochrom oder farbig erscheinen und nicht das Ergebnis von Demosaikierung sind, z. B. regt Rauschen im nahen sichtbaren Infrarotspektrum eher Pixel hinter Rotfiltern an.
@Matt Grum - Wo ist das Rauschen, das wir bei hoher ISO bekommen? ist es Teil von "Schussrauschen"? (Ich bin mir ziemlich sicher, dass es sich nicht um thermisches, Lese- oder Quantisierungsrauschen handelt.)
@Nir Ja, es ist Teil von Shot Niose. Das Erhöhen der ISO erzeugt kein Rauschen, wie viele Leute denken (mit Ausnahme eines winzigen Betrags aufgrund des Verstärkungsprozesses), es zeigt lediglich Rauschen, da es sowohl das Rauschen als auch das Signal verstärkt. Wenn Sie den ISO-Wert erhöhen, neigen Sie dazu, eine kürzere Belichtung oder eine kleinere Blende zu verwenden, sodass Sie mehr Schussrauschen erhalten. Wenn Sie die ISO verringern, während Verschluss und Blende konstant bleiben, erhalten Sie mehr Rauschen, nicht weniger!
@Matt Grum - danke für die Erklärung, das wusste ich nicht - vielleicht solltest du das der Antwort hinzufügen, damit Leute, die die Kommentare nicht lesen, es auch sehen
@Nir: Die Leute sollten lernen, dass es eine gute Idee ist, die Kommentare zu lesen, wenn sie von Matt geschrieben wurden :-)
Wird das thermische Rauschen nicht auch durch die Verwendung eines niedrigeren ISO-Werts reduziert? Denn thermisches Rauschen wird stärker verstärkt, wenn höhere ISO-Werte verwendet werden.
@Nir: Wie Matt Grum feststellte, fügt das Erhöhen des ISO-Werts selbst nicht viel Rauschen hinzu. Um das zu ergänzen, sollte jedoch beachtet werden, dass die Verstärkung des Signals auch den Unterschied zwischen einem Pixel mit geringerem Rauschen und einem Pixel mit höherem Rauschen erhöht. Mit anderen Worten, die Amplituden des Wavelets für das "Rauschbild" sind größer, was bei Zusammenführung mit dem Wavelet für das tatsächliche Bild (das aufgrund der kürzeren Belichtungszeit wahrscheinlich ein niedrigeres Signal-Rausch-Verhältnis haben wird) ein ausgeprägteres Rauschen erzeugt als bei einer niedrigeren ISO vorhanden wäre.
Was meinen Sie damit , einen dunklen Rahmen (dh mit geschlossenem Verschluss oder aufgesetztem Objektivdeckel) aufzunehmen, um ihn vom Originalbild zu subtrahieren ? Und wie wird das Rauschen im bereits aufgenommenen Foto reduziert? Ich glaube, ich vermisse hier etwas

Sie müssen nur zwei Arten von Rauschen kennen, die bei allen Kameras auftreten und bei höheren ISOs sichtbar sind.

  • Chroma-Rauschen – farbiges fleckiges Rauschen.
  • Luminanzrauschen - Körnung, filmähnliches Rauschen.

Um solches Rauschen zu minimieren, versuchen Sie nicht mit höheren ISO-Werten zu fotografieren, die die Bildqualität verschlechtern (je nach Kamera unterschiedlich). Die Verwendung lichtstarker Objektive wie f2,8 oder f1,4 kann Ihnen bei schlechten Lichtverhältnissen helfen, den ISO-Wert nicht zu hoch zu drücken, um die Verschlusszeit hoch genug zu halten. Wenn die Szene viel zu dunkel ist, besteht die einzige Möglichkeit, das Rauschen zu minimieren, darin, einen Blitz zu verwenden.

Zu guter Letzt gibt es Software wie Noise Ninja oder Dnoise, die Ihnen dabei helfen können, etwas Rauschen loszuwerden, ohne den IQ zu opfern.

Ehrlich gesagt nicht wahr - besonders der Teil "sichtbar bei höheren ISOs" und der gesamte D3s-Kommentar.
Ich werde das atm. nicht positiv bewerten, aber ich finde die (zu) vereinfachte Aussage über die beiden Arten von Geräuschen nicht schlecht. Wenn das Zeug über die Nikon entfernt wird, könnte dies meiner Meinung nach eine hilfreiche, wenn auch zu stark vereinfachte Antwort sein :-)
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