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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