Anfängerkurs, Lektion 8

Und ewig rauschen die Pixel: Die ISO-Empfindlichkeit

Vergleich ISO 100 und 3200Wie in der vorangegangenen Lektion 7 über Filmempfindlichkeit gezeigt wurde, haben Filme mit steigender Empfindlichkeit das Problem, dass sie das Bild nur grober und mit zunehmender Körnigkeit festhalten können. Auch bei Digitalfotografie gibt es einen ähnlichen Effekt: Das zunehmende „Bildrauschen“ bei höher eingestellter Empfindlichkeit der Kamera. Damit wollen wir uns auf dieser Seite beschäftigen.

Das Beispiel rechts zeigt schon auf einen Blick, worum es sich bei dem sogenannten „Bildrauschen“ handelt. Es ist zusammengesetzt aus zwei 100%-Ausschnitten des gleichen Motivs. Einmal wurde es mit starkem Bildrauschen auf der höchsten Empfindlichkeitsstufe der Canon EOS 20D (ISO 3200/36°) aufgenommen, während die zweite Hälfte die nahezu rauschfreie Darstellung bei ISO 100/21° zeigt.

Obwohl das Gesamt-Foto die gleiche Anzahl Bildpunkte (Pixel) hat, werden durch das Bildrauschen bestimmte Detailinformationen des Motivs überlagert, so dass auch hier (vergleichbar mit analogem Filmmaterial) der Eindruck geringerer Schärfe und größerer Körnigkeit entsteht. Dies ist eigentlich erstaunlich, denn im Gegensatz zu den größeren Silberhalogenidkristallen, die die höhere Empfindlichkeit des Films ermöglichen (siehe Lektion 7), sind die Pixel der Kamera bei höher eingesteller Empfindlichkeit ja nicht größer als bei normaler Empfindlichkeit. Warum es dennoch zu diesem Eindruck kommt, wird verständlicher, wenn man sich ein wenig mit der Frage beschäftigt, was „Bildrauschen“ überhaupt ist. Daher versuche ich, dies nun ziemlich vereinfacht zusammenzufassen:

Was ist Bildrauschen?

Den Begriff „Rauschen“ kennen die meisten wohl hauptsächlich aus dem Bereich der analogen Ton-Aufzeichnung auf Tonband bzw. Tonbandkassette. Ich hoffe, dass mir hier auch noch diejenigen Leser gedanklich folgen können, die jünger als die CD sind. :-)

Bei Aufnahme eines Musikstücks auf eine Kassette ist man bemüht, die Aufnahme so auszusteuern, dass die Musik möglichst laut auf das Band kommt (ohne jedoch bei zu lauter Aufnahme zu übersteuern, was jetzt aber für unseren Vergleich unwichtig ist). Hat man versehentlich zu leise aufgenommen, muss man beim Abspielen logischerweise die Lautstärke höher drehen. Das schwache Signal wird also stärker angehoben. Dabei wird dann aber auch das Bandrauschen, das leider auf jeder Aufnahme mit drauf ist, ebenfalls lauter wiedergegeben, als dies bei einer korrekt ausgesteuerten Aufnahme notwendig gewesen wäre. Man kann sagen, die zu leise Aufnahme hat einen geringeren Signal-Rausch-Abstand als die korrekt ausgesteuerte Aufnahme. Das Signal hebt sich nicht so stark vom Rauschen ab, wie dies ein stärkeres Signal tun würde.

Wenn man nun eine sehr leise Geräuschquelle aufnimmt – beispielsweise die Stimme eines entfernt singenden Vogels – dann kann es sein, dass man trotz voll aufgedrehtem Aufnahmeregler nur eine sehr leise Aufnahme hinbekommt, deren Signal-Rausch-Abstand recht klein ist. So wird man das schwache Signal bei Wiedergabe leider nur verrauscht abhören können, was aber meist trotzdem besser als gar nichts ist.

Spätestens jetzt wird die Parallele zum Bildrauschen von Digitalkameras erkennbar. Stellt man die Kamera auf einen sehr hohen ISO-Wert ein, kann man ein sehr schwaches Signal aufnehmen. Leider wird aber auch durch die kräftigere Verstärkung das Bildrauschen (das jeder Bildsensor genauso produziert wie ein Tonband sein Bandrauschen) mit verstärkt. So kommt es, das mit zunehmender ISO-Empfindlichkeit das Bildrauschen stärker sichtbar wird.

Bildrauschen ist vor allem auf Flächen, die eigentlich einen einheitlichen Farbton aufweisen müssten, besonders leicht zu erkennen. Obwohl eigentlich alle Pixel einer einfarbigen Fläche die gleiche Farbe und Helligkeit aufweisen sollten, sieht man je nach Stärke des Bildrauschens kleine oder größere Abweichungen: Pixel mit anderer Farbe und/oder anderer Helligkeit. Dies ist das Bildrauschen.

Nun haben moderne Digital-Spiegelreflexkameras wie z. B. meine EOS 20D schon einen sehr rauscharmen Bildsensor. Sie haben bei ISO 1600/33° weniger Bildrauschen als manch eine digitale Kompaktkamera bei ISO 400/27°. Dennoch ist auch nach Meinung von Canon die Einstellung von ISO 3200 schon kaum noch zumutbar – sie lässt sich nur auswählen, wenn man sie in den Individualfunktionen der Kamera, die tief im Menü versteckt sind, aktiviert. So soll wohl verhindert werden, dass jemand versehentlich allzu verrauschte Bilder produziert.

Eine etwas genauere Erklärung des Bildrauschens findet sich übrigens auf der entsprechenden Seite von Wikipedia.

Farbrauschen und Helligkeitsrauschen

Farb- und HelligkeitsrauschenBeim Bildrauschen wird unterschieden zwischen Farbrauschen („Chrominanzrauschen“) und Helligkeitsrauschen (etwas vornehmer auch „Luminanzrauschen“ genannt). Am einfachsten lassen sich diese beiden Arten des Rauschens unterscheiden, wenn man das entsprechende Bild in Graustufen konvertiert, also ein Schwarz-Weiß-Foto draus macht. Was dann noch an Rauschen übrig bleibt, ist das Helligkeitsrauschen.

Die beiden Bilder rechts zeigen dies anhand eines stark vergrößerten Ausschnittes aus der ISO-3200-Aufnahme der Fensterscheibe, die schon im obigen Bild sichtbar war (und die wir gleich noch etwas genauer in verschiedenen ISO-Stufen betrachten werden). Durch die starke Vergrößerung sind die einzelnen Pixel der Aufnahme besser erkennbar, da sie nun als kleine Quadrate zu sehen sind.

Das Farbrauschen eines Bildes wird im Allgemeinen etwas störender empfunden als das Helligkeitsrauschen, da die Farbunterschiede auffälliger erscheinen als Helligkeitsunterschiede.

Vergleich: Bildrauschen bei 100%-Wiedergabe des Sensorbildes

Die Canon EOS 20D hat die Möglichkeit der ISO-Einstellung in 6 Stufen von ISO 100 bis ISO 3200. Die Tabelle kennt Ihr ja im Prinzip schon von der vorhergehenden Seite über Filmempfindlichkeit. Die DIN-Werte habe ich in der Tabelle stehen lassen, auch wenn an der Canon ausschließlich in ISO eingestellt wird.

ISO-Empfindlichkeits-TabelleVon diesen 6 Empfindlichkeitsstufen zeige ich Euch nun jeweils ein Vergleichsfoto. Nach Anklicken der Miniatur sieht man 6 unverkleinerte Ausschnitte aus den Gesamtfotos, denn ein 8-Megapixel-Foto mit seinen 3504 mal 2336 Pixeln lässt sich (bisher?) an keinem Monitor komplett und unverkleinert darstellen. Die Anordnung der 6 Bilder ist übrigens absichtlich in dieser merkwürdigen Reihenfolge gemacht worden, damit man ISO 100 und ISO 3200 besser miteinander vergleichen kann. Zum Vergleich bitte großklicken:

Vergleich verschiedener ISO-Stufen

Wie man feststellen kann, wird das Bildrauschen tatsächlich auf den einfarbigen glatten Flächen (gespiegelter Himmel in der Fensterscheibe, Fensterrahmen) viel deutlicher sichtbar als z.B. auf der rauhen Oberfläche der Mauersteine.

(Für die hier mitlesenden ‚Experten‘ noch ein Hinweis: Die Fotos wurden in den angegebenen ISO-Stufen als RAW-Dateien aufgenommen und dann (mit EOS Viewer Utility) am Rechner noch um 1 Blendenstufe aufgehellt. Das Bildrauschen wird dadurch natürlich auch mit angehoben, so dass die Bildreihe eher ISO 200 bis ISO 6400 entspricht. Aber in dieser Lektion geht es ja darum, das Bildrauschen möglichst auch für ungeübte Betrachter und auch auf den unterschiedlichsten Monitoren nicht erst bei der höchsten Empfindlichkeitsstufe sichtbar werden zu lassen. Daher wird mir dieser kleine Trick hoffentlich verziehen…)

Vergleich: Bildrauschen bei Verkleinerungen

Gesamtansicht ISO 3200Gesamtansicht ISO 100Bisher haben wir die Bilder auf dieser Seite immer unverkleinert bzw. sogar vergrößert betrachtet, um das Bildrauschen zu untersuchen. Nun ist aber der ‚feierliche Moment‘ gekommen, wo ich Euch das Gesamtfoto präsentiere – einmal mit Einstellung ISO 100 fotografiert, und einmal mit verrauschten und höchstempfindlichen ISO 3200. Auch diese Bilder lassen sich anklicken, um sie in einer Größe von 400 mal 600 Pixeln betrachten zu können.

Wie man sieht, handelt es sich um den gleichen Brunnen im Kreuzgang des Bonner Münsters, der schon in Lektion 6 (Schärfentiefe) als Beispiel herhalten musste. Und wie man auch sieht, werden die negativen Auswirkungen des Bildrauschens auf die Bildqualität selbst bei ISO 3200 durch das Verkleinern fast vollständig unsichtbar gemacht.

Wenn man sich vergegenwärtigt, dass das Bildrauschen ja eigentlich aus leichten ‚Messfehlern‘ der einzelnen Pixel bei der Aufnahme besteht (das eine Pixel ’sieht‘ die Fensterscheibe etwas heller und bläulicher, das andere Pixel ’sieht‘ sie etwas dunkler und rötlicher, etc.), dann kann man sich auch gut erklären, warum die Verkleinerung das Bildrauschen verschwinden lässt:

Um beispielsweise das Gesamtfoto von 2336 mal 3504 Pixel auf 400 mal 600 Pixel zu verkleinern, werden jeweils ca. 34 Pixel des Originals zu einem Pixel zusammengefasst. Es wird also ungefähr aus einem Quadrat von 6 mal 6 Pixeln ein neues Pixel erzeugt. Wenn die 6×6 Pixel nun ein verrauschtes Stück der Fensterscheibe sind, dann wird aus diesen Pixeln (vereinfacht gesagt) der Durchschnitt berechnet, und der entspricht ziemlich genau dem ‚richtigen‘ Wert des Farbtons der Scheibe.

Auch schon eine Verkleinerung auf 50% der Kantenlänge (2×2 Pixel werden zu 1 Pixel zusammengefasst) bringt schon ein Ergebnis mit deutlich geringerem Rauschen, wie die folgende Tabelle mit Bildausschnitten zeigt, die auf 50% skaliert wurden (50%, wenn man es großklickt):

Geringeres Rauschen durch Verkleinerung

Wie diese Beispiele zeigen, bringt selbst eine Verkleinerung auf 50% schon deutlich rauschärmere Ergebnisse. Wer also aus seinem 8-Megapixel-Foto ohnehin später durch Skalierung auf 50% nur ein 2-Megapixel-Foto macht, oder wer sie für Internetseiten noch stärker verkleinert, braucht eigentlich keine allzu große ‚Angst‘ vor höheren ISO-Werten zu haben. Eine unverwackelte ISO-800-Aufnahme gibt bestimmt ein besseres Bild ab, als ein Foto mit ‚fast rauschfreien‘ ISO 100, das aber wegen der 8fach längeren Verschlusszeit leider leicht verwackelt ist.

Nun bin ich gespannt, wie viel Widerspruch meine ISO-Theorien bei der Fraktion der Fotografen, die ISO 100 noch zu verrauscht finden, wecken wird. Sicherlich gibt es Motive, bei denen das Bildrauschen stärker auffällt als ausgerechnet bei meinem Brunnen-Bild. Vielleicht werde ich irgendwann als Ergänzung eine andere ISO-Vergleichsserie nachliefern. Sicherlich gibt es auch Anwendungsfälle, wo man die vollen 8 oder mehr Megapixel möglichst rauscharm braucht. Daher bin ich gespannt auf Eure Kommentare.

So, damit ist der Teil meines Fotokurses, den ich irgendwann mal als ‚Anfängerkurs‘ bezeichnet habe, erst einmal zu Ende. Falls Ihr der Meinung seid, ich hätte hier noch wichtige Grundlagen vergessen, bin ich gerne für Vorschläge dankbar. Im nächsten Teil, dem ‚Aufbaukurs‚, geht es weiter mit einigen Grundlagen von digitalen Bildern: Auflösung und Bildgröße.

High ISO: Quedlinburg Advent 2005

 

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Über RoFrisch

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11 Antworten zu Anfängerkurs, Lektion 8

  1. Pingback: Anfängerkurs, Lektion 5 | Rolands Fotokurs

  2. Pingback: Anfängerkurs, Lektion 7 | Rolands Fotokurs

  3. Pingback: Aufbaukurs, Lektion 2 | Rolands Fotokurs

  4. RoFrisch schreibt:

    Die 43 Leserkommentare zu diesem Artikel im alten Fotokurs können hier nachgelesen werden:
    http://www.rofrisch.de/fotokurs/kommentare-extypo3/02ak08-isoempfindlichkeit.htm

  5. Pingback: Anfängerkurs, Lektion 1 | Rolands Fotokurs

  6. MissTune schreibt:

    Ich finder der Anfängerkurs ist echt super!! Mir persönlich wurde sehr weitergeholfen.
    Danke für die super Erklärungen!!!

  7. Volker Sternemann schreibt:

    Lieber Roland,

    zunächst mal herzlichen Dank, dass Du dieses Werk der ganzen Community kostenlos zur Verfügung stellst! Ich finde das großartig und freue mich auch ganz persönlich, weil ich was davon habe: Nämlich kann ich hier gut verständlich viel über das Thema Fotografie lernen und das ist toll :-)

    Zu diesem Kapitel (Nr. 8 – Und ewig rauschen die Pixel) habe ich aber noch eine Frage. Generell halte ich auch dieses Thema für gut erklärt und klar verständlich. Allerdings sehe ich ein Problem „hinter den Kulissen“ und kapiere da etwas nicht.

    Ich selbst komme aus der Tontechnik und natürlich gibt es da gerade bei der Analogtechnik das berühmte „Rauschen“. Das ist sehr vergleichbar mit dem Rauschen bei Fotos. Es handelt sich schließlich um Störungen, die die eigentliche Information negativ beeinflussen. Das hast Du aber schon selber viel besser erklärt. Was mir allerdings zu kurz kommt sind die simplen Fragen: „Wieso rauschen die digitalen Informationen hier überhaupt?“ und „Warum gibt es überhaupt die ‚Filmempfindlichkeit‘ bei digitalen Fotografieprozessen?“.

    Folgende Überlegung liegt meiner Frage zugrunde: Das Rauschen bzw. die negative Beeinflussung des eigentlichen Signals ist bei Analogtechnik leider im Vergleich zur digitalen Übertragung von (Audio- oder Video-)Daten immer mehr oder minder wahr zu nehmen, da selbst eine kleinste Störung das Ergebnissignal verändert. Bei der Digitaltechnik ist das anders: Hier ist eine Störung nur dann wahrnehmbar, wenn der Störabstand (Signal-to-Noise-Ratio) negativ ist, sprich: Das Störsignal als mathematischer Wert größer ist als der Ursprungswert. Darüber hinaus sind digitale Prozessoren und damit auch Bildsensoren deutlich präziser als analoge. Es würde zu weit führen, beide Grundannahmen mathematisch bzw. physikalisch hier zu belegen.

    Wie kommt es dann also, dass die Digitalfotografie überhaupt in der Lage ist, zu rauschen? Und auch die zweite Frage drängt sich mir auf, denn eigentlich ist ein digitaler Bildsensor ja nunmal so lichtempfindlich, wie er nunmal ist. Er verändert ja weder seine Oberfläche noch sonst eine physikalische Eigenschaft. Ist die Hinzuziehung der Lichtempfindlichkeit, wie man sie vom analogen Film kennt, daher lediglich ein „Vehikel“ für die Berechnung der Belichtung? Und wenn das so ist, drängt sich erst recht die Frage auf: Wieso rauscht diese dann? Denn es wäre ja nach dieser Theorie lediglich die mathematische Simulation des analogen Films, bei der man das Rauschen doch eigentlich besser weg gelassen hätte, oder?

    Ich hoffe, die Fragen nerven Dich nicht.

    Es wäre toll, wenn Du sie mir beantworten könntest.

    Vielen Dank dafür im Voraus! Gruß, Volker.

    • RoFrisch schreibt:

      Hi Volker, ich bin wahrhaftig kein Experte für diese speziellen Fragen. Zwar könnte ich jetzt googeln und mir mühsam eine Antwort zusammensuchen, aber ich bin sicher, das kannst Du auch.
      Bisher habe ich es mir selbst etwa so erklärt – keine Ahnung, ob das stimmt:
      Der Sensor (bzw. die nachfolgende Elektronik) wandelt ja – ähnlich wie ein Mikrophon – ein ANALOGES Signal ins Digitale. Die ISO-Empfindlichkeit gibt quasi dem AD-Wandler vor, in welchem Empfindlichkeitsbereich das Nutzsignal liegt, damit dieses möglichst optimal digitalisiert werden kann.
      So oder so ähnlich. Vielleicht kann jemand mit mehr Ahnung dies korrigieren, ergänzen, verreissen, etc…

      • Volker Sternemann schreibt:

        Hi Roland,

        vielen Dank für die schnelle Antwort. Es kann sein, dass die A/D-Wandlung hier eine größere Rolle spielt, als ich glaube. Die ist ja auch bei der Tontechnik ein ganz erheblicher Punkt. Ich ging in meinem jugendlichen Leichtsinn davon aus, dass gar nicht gewandelt werden muss, aber wahrscheinlich ist das Quatsch, was ich da denke.

        Ein Teil der Antwort dürfte auch in den folgenden Kapiteln Deines Kurses stehen, die ich zugegebenermaßen auch erst gelesen hatte, nachdem ich meine Frage formulierte. Dort bringst Du nämlich einen Aspekt mit ins Spiel, der an dieser Stelle des Kurses noch nicht erwähnt wird (sicherlich, um die Hirne der Anfänger nicht über zu strapazieren): Die Verstärkung! Das „aufgenommene“ Signal muss ja scheinbar noch verstärkt werden (sh. Kapitel Aufbaukurs, Lektion 2 – „Darf’s ein bisschen mehr sein…“). Ich könnte mir vorstellen, dass dies tatsächlich entscheidend zum Bildrauschen mit beitragen kann.

        Beides zusammen (A/D-Wandlung und Verstärkung) dürften des Rätsels Lösung sein. Aber sicher sind wir uns ja beide nicht. Daher hätte auch ich großes Interesse an der Antwort von jemandem, der hierzu noch mehr weiß.

        Viele Grüße, Volker.

  8. Danie schreibt:

    Vielen Dank für diesen Anfängerkurs!!!
    Endlich hab ich mal ein bisschen Durchblick ;) Tolle Erklärungen!
    Wenn ich all das heute gelesene dann auch in der Praxis verinnerlicht habe werde ich mich auf jeden fall an den Aufbaukurs machen!

  9. Kessi schreibt:

    Hallo Roland,

    vielen herzlichen Dank für den super informativen und hilfreichen Anfängerkurs.
    Ich verstehe nun etwas mehr von der ganzen Materie… :-)
    Den Aufbaukurs werde ich selbstverständlich auch mit großem Interesse durchlesen.

    VIELEN DANK!

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