Rauschen
von R. Grothmann

Inhalt

Diese Seite soll für Anfänger erklären, wie und wann Rauschen bei Digitalkameras entsteht, und wie man es vermeiden kann. Außerdem versuche ich, die oft zu prominent herausgestellten Kameratests auf Rauschen in die richtige Perspektive zu rücken.

Was ist Rauschen?

Rauschen ist eine Eigenschaft aller elektrischer oder elektronischer Schaltkreise. Es besteht aus wie zufällig auftretenden schnellen Spannungsschwankungen in einer Mischung aus meist hohen Frequenzanteilen. Bei akustischen Bauteilen sorgt es für das Hintergrundgeräusch, das dem Rauschen seinen Namen gab. Bei optischen Sensoren erzeugt es zufällige Schwankungen in der angezeigten Helligkeit. Rauschen ist nicht vermeidbar, sondern man kann lediglich versuchen, es im Vergleich zum Nutzsignal niedrig zu halten.

Bei Digitalkameras erzeugt das Rauschen eine Art Sprenkeln über Flächen, die an sich gleichfarbig und gleichmäßig belichtet sein müssten. Das Sprenkeln ist meist mehr oder weniger farbig, was besonders auffällt.

Wann rauscht es?

Kurz gesagt immer dann, wenn das Nutzsignal klein ist.

Bei den Digitalkameras lässt sich die Empfindlichkeit (die ISO-Zahl) einstellen, oder sie stellt sich automatisch ein. Das ist praktisch, weil damit kürzere Belichtungszeiten möglich werden, was Verwacklungen vorbeugt, oder höhere Blendenzahlen, was die Tiefenschärfe und überhaupt die Schärfe des Objektivs erhöht. Allerdings wird dabei das Signal und das Rauschen gleichermaßen verstärkt. Höhere ISO-Zahlen führen also zu höherem Rauschen.
Kleine Bildsensoren, wie sie in die kompakten "Consumerkameras" eingebaut werden, sind natürlich weniger empfindlich. Bei gleicher ISO-Einstellung muss das Signal also verstärkt werden. Das Rauschen nimmt zu. Große Sensoren, wie sie die Spiegelreflexkameras verwenden, rauschen daher erheblich weniger. Man erreicht die gleiche Rauschfreiheit bei um 3 Blendenstufen höherer Empfindlichkeit.
Dunkle Bildteile enthalten nur ein schwaches Nutzsignal. Wird dieses durch eine Aufhellung verstärkt, so wird das Rauschen gleichermaßen mit angehoben und fällt auf. Dieser Effekt tritt bei einer Bildbearbeitung durchaus auf, zum Beispiel bei der Anhebung der Tiefen mit Photoshop. Er tritt auch auf, wenn man die dunklen Bildstellen in großer Vergrößerung betrachtet.
Rauschen ist besonders auffällig auf gleichmäßigen dunklen Flächen, wie dem Hintergrund der Eule im Bild oben, oder dem Himmel in Abendstimmungen. In strukturierten Bildteilen wird es durch die Kontrastunterschiede überdeckt. Dort tritt es eventuell auch bei niedrigen ISO-Zahlen auf, meist aber nur in einem Farbkanal.
Erstaunlicherweise stört das Rauschen manchmal auch auf helleren gleichmäßigen Himmelsflächen mit schwacher Farbsättigung. Diese Art des Rauschens scheint abhängig davon zu sein, wie die Kamera bei schwachen Farbanteilen das Signal deutet.
Auch Schärfungsalgorithmen, sowohl in der Kamera, als auch im Computer, können das Rauschen erhöhen. Sie beruhen schließlich auf einer Kontrasterhöhung, was das Rauschen hervorheben kann.
Bei Langzeitaufnahmen wirkt das Rauschen länger ein und wird daher stärker. Bei extremen Nachtaufnahmen wird es deutlich sichtbar. Dazu kommen eventuell noch Temperaturunterschiede im Sensor, die bei sehr langen Aufnahmen auffallen.

Rauschen ist entfernt verwandt zum Korn des Films. Da empfindlichere Filme größere Kristalle haben, entsteht eine ähnlich ungleichmäßige Struktur wie beim Rauschen der Digitalkameras. In der Schwarzweiß-Fotografie wurde das Korn sogar als Gestaltungsmittel eingesetzt. Man sollte das im Digitalbereich nicht imitieren, da extremes Rauschen hier doch eher störend aussieht. Vielleicht ist das auch durch unsere Gewohnheit bedingt, nach perfekten Bilder zu lechzen.

Cool bleiben!

Rauschen wird meist überschätzt. Betrachten Sie die beiden folgenden Bilder, die zwar keine künstlerischen Highlights sind, aber den Punkt demonstrieren, auf den ich hinaus will.

Welches Bild wurde mit der höheren ISO-Empfindlichkeit aufgenommen?

Wenn Sie das sehen konnten, so haben Sie gute Augen, oder gut geraten. Die obigen Bilder entsprechen zwar nur einer Bildgröße von ca. 8x13 cm, aber selbst auf größeren Abzügen bis knapp A4 werden Sie das Rauschen auf diesem Bild kaum entdecken. Wenn ich Ihnen nun sage, dass das linke Bild mit ISO 64 auf einer etwas veralteten Kompaktkamera, der Pentax 550, entstanden ist, und das rechte mit ISO 400, wobei die Pentax noch nicht einmal eine Rauschunterdrückung verwendet, so erscheint dies vielen als kaum zu glauben. ISO 400 wird immer wieder gesagt, sei bei solchen Kameras nicht zu gebrauchen.

Das ist offenbar übertrieben. Weitere Beispiele sind die Bilder am Anfang und am Ende dieses Artikels, die mit der Nikon D70 bei ISO-Zahlen aufgenommen wurden, die selbst für eine Spiegelreflexkamera hoch sind. Die Bilder wurden nicht mit Anti-Rauschprogrammen behandelt (zum Beispiel mit NeatImage), die D70 hat auch keine interne Rauschunterdrückung, zumindest keine auffällige oder gar zerstörerische, und die vorhandene Rauschunterdrückung für Langzeitaufnahmen bei Nacht war ausgeschaltet.

Am Computer!

Aber wir tendieren dazu, unsere Bilder am Bildschirm zu betrachten in einer Größe, die früher ambitionierten Amateuren vorbehalten war, nämlich mindestens 20x30 cm. Und in der Tat! Dann wird das Rauschen deutlicher, jedoch keineswegs so drastisch, wie man meinen sollte. Erst eine Betrachtung bei 50%,und erst recht bei 100% bringt es wirklich zu Tage.

Die folgenden beiden Bildchen sind Ausschnittvergrößerungen mit 50% Verkleinerung. Dies entspricht auf einem normalen Bildschirm (mit etwa 100dpi) einem Druck in Postergröße. Das Rauschen wird dann deutlich und führt, wie man sieht, zu Detailverlusten. Links wieder ISO 64 und rechts ISO 400 auf der Pentax 550.

Zum Vergleich die Nikon D70 bei ISO 400.

Man kann kein Rauschen erkennen. Das Bild ist allerdings unschärfer, weil die Schärfentiefe beim großen Chip der Spiegelreflex geringer ist, und das Licht deutlich zu gering war, um aus der Hand eine höhere Blende einzustellen. Es wirkt allerdings auch sauberer und natürlicher, besonders in der Farbdarstellung.

Beachten Sie beim Vergleich, dass die Pentax 550 eine veraltete Kamera ist. Hinsichtlich der Darstellungsqualität verhalten sich neuere Modelle wesentlich besser.

Rauschunterdrückung

Der Himmel in der obigen Aufnahme wurde aufgehellt, da das Photo etwas zu dunkel belichtet war. Dabei wird jedes Rauschen verstärkt. Eine Rauschunterdrückung wurde nicht angewandt. Dabei entsteht Rauschen, wie man rechts im unteren 100%-Ausschnitt erkennt. Der linke Ausschnitt wurde mit Neatimage behandelt. Alternativ erledigen das heute die Kameras selber. Eine weitere Alternative ist, das Bild in RAW aufzunehmen und im Umwandlungsprogramm (in diesem Fall Adobe Camera RAW) die Luminanzglättung anzuschalten.

Man beachte, dass die obigen Ausschnitte einer Druckgröße von 50cm mal 70cm entsprechen. In normalen Ausgabegrößen wird vom Rauschen wenig zu sehen sein.

Also?

Nun gut! Es rauscht, wenn man die ISO-Zahlen hochschraubt. Ob das tragisch ist oder nicht, muss jeder selbst entscheiden, und die Entscheidung hängt auch vom Motiv hat. Kritisch sind Aufnahmen mit großen dunklen Flächen, deren Durchzeichnung wichtig ist, vor allem bei großen Vergrößerungen. Besonders kritisch sind Langzeitaufnahmen bei Nacht von schlecht beleuchteten Szenen.

Vermeiden kann man die Erhöhung der ISO-Zahl durch ein Stativ (oder einen Verwacklungsschutz) mit längerer Belichtungszeit oder durch eine kleinere Blendenzahl (größere Blendenöffnung). Beides ist nicht immer ratsam oder möglich. Die Nachbehandlung mit NeatImage oder ähnlicher Software ist eine Option. Sie hilft aber nicht in allen Fällen, sondern eigentlich nur in verrauschten einfarbigen Flächen, und sie hilft auch nicht gegen die Probleme, die im nächsten Abschnitt angeschnitten werden.

Keinesfalls sollte man sich durch die Testberichte der "Fachzeitschriften" blenden lassen, die in der Rauschfreiheit das alleinige Qualitätsmerkmal einer Kamera sehen. Rauschen fällt nur in extremen Vergrößerungen, Ausschnitten oder bei großen Betrachtungsmaßstäben auf. Da dies aber wenig bekannt ist und die Testberichte nun einmal das leicht messbare Rauschen bei 100% Bildansicht ins Zentrum rücken, setzen viele Kameras auf aggressive Rauschunterdrückung, deren destruktives Wirken man dann auch in mäßigen Vergrößerungen entdecken kann. Offenbar fühlen sich die Kamerahersteller durch die Testberichte gezwungen, zu solchen widersinnigen Maßnahmen zu greifen.

Hier zur Demonstration, was Rauschunterdrückung anrichtet, ein Vergleich einer einfachen, billigen Kamera mit ISO80 und ISO400. Bei ISO400 setzt bei dieser Kamera eine Rauschunterdrückung ein, die Details verschmiert. Bei Druckgrößen bis 13x18cm fällt der Unterschied nicht so drastisch aus wie in diesem 100%-Ausschnitt. Man nimmt aber bei direktem Vergleich eine Unschärfe wahr, die auf die Rauschunterdrückung zurückzuführen ist. Für kleine Webgrößen sind beide Dateien auch dieser Kamera ausreichend.

Wirklich?

Das ist nicht die ganze Wahrheit. In Wirklichkeit ist das Hauptproblem der hohen ISO-Zahlen, dass sie die Farbdarstellung verflachen und verfälschen, und dass gewisse Farben nicht mehr gut dargestellt werden können. Gut beobachten kann man diesen Effekt, wenn man die Anhebung der Tiefen in Photoshop übertreibt. Die Farbdarstellung ist aber nun wirklich ein Qualitätsmerkmal eines Bildes!

Auch die Kontraste leiden bei wenig Licht deutlich. Das liegt daran, dass die Sensoren eben einen optimalen Wirkbereich haben, bei dem sie Licht exakt messen können.

An diesem Punkt kann ich nun nicht weiterhelfen, außer vielleicht mit der lapidaren Feststellung, dass es sich vielleicht doch lohnt, ein wenig mehr Geld in die Kamera zu investieren, und nicht unbedingt nur auf Chic und Winzigkeit zu achten.

Am auffälligsten ist das Rauschen noch in Himmelspartien, die dann leicht unruhig wirken, insbesondere, wenn sie am Bildschirm mit der Lupe betrachtet werden. Derartiges Rauschen lässt sich aber mit Neatimage spielend beseitigen. Consumerkameras beseitigen dieses Rauschen heute dezent mit einer Rauschunterdrückung.

Was tun?

Der eine Rat gilt immer: Die Qualität eines Bildes bemisst sich nicht allein durch die technischen Qualität. Fotografen, die das glauben, kommen nicht zur Ruhe. Sie suchen nach besseren Optiken, neueren Kameras und fortgeschrittenen Bildverarbeitungen, aber sie machen deswegen keine interessanteren Bilder. Versuchen Sie zunächst, mit dem auszukommen, was sie haben, und dessen technische Grenzen auszuloten!

Lernen Sie, die ISO-Automatik sinnvoll aus- und anzuschalten. Bei Freihandaufnahmen ist es sicher besser, die Empfindlichkeit herauf zu setzen, als die Bilder zu verwackeln. Benutzt man ein Stativ, dann bestimmt man die ISO-Zahl am besten selbst. Das gilt natürlich nur, wenn sich die fotografierten Objekte nicht heftig bewegen und diese Unschärfe stören würde.

Notfalls empfehle ich Neatimage oder Noise Ninja, das bei ungleichmäßigen Himmelspartien Wunder bewirkt.

Spoiler

Nichts auf dieser Seite sollten Sie mir ungeprüft glauben. Machen Sie Ihre eigenen Experimente. Fotografieren Sie bei verschiedenen Empfindlichkeiten in verschiedenen Situationen mit Ihrer Kamera und sehen Sie, ab welcher Vergrößerung das Rauschen stört. Probieren geht hier über Studieren!

Tintenfisch im Juramuseum bei ISO 800, Nikon D70

Rauschen von R. Grothmann