Lektion 56: Grundlagen: ISO und Bildrauschen
Die große Fotoschule:
Teil 4 - 2009
(Seite 93 / 5 Seiten)
Der Experte für Fotogrundlagen:
Michael Gradias:
"Zu wissen, wann man Probleme mit Bildrauschen bekommen kann, gehört zum wichtigen Grundwissen für Fotografen. Auch wenn Sie den Effekt nie völlig verhindern – zumindest abschwächen können Sie ihn"
Grundlagen: ISO und Bildrauschen
Bildrauschen ist in aller Munde, seit die Fotografen digital fotografieren. Das Filmkorn, das es zu analogen Zeiten gab, hat dagegen die analogen Fotografen selten gestört. Je weniger Licht zur Verfügung steht, umso höher muss die Empfindlichkeit eingestellt werden. Das Erhöhen des ISO-Werts geht aber mit einem stärkeren Bildrauschen einher
Zu analogen Zeiten war es klar: Man hatte einen Film in die Kamera eingelegt, der eine bestimmte Empfindlichkeit besaß. Wollte man eine andere Filmempfindlichkeit verwenden, musste man entweder auf die Ausnutzung des Films verzichten oder den Film erst zu Ende belichten, bevor ein Film mit einer anderen Empfindlichkeit eingesetzt werden konnte. Heute im digitalen Zeitalter haben Sie es viel leichter: Sie können die ISO-Empfindlichkeit beliebig ändern – von Aufnahme zu Aufnahme. Und dabei sind keine großen Schritte notwendig. Die Empfindlichkeiten lassen sich oft sogar in Eindrittelschritten anpassen. Bei den analogen Filmen gab es die unterschiedlichen Filmtypen dagegen nur in größeren Abständen – wie etwa 800 zu 1.600 ISO. Höhere ISO-Werte sind immer dann von Bedeutung, wenn das zur Verfügung stehende Licht geringer wird. Wenn die Blende vollständig geöffnet und die maximal mögliche Verschlusszeit gewählt wurde, bei der das Foto nicht verwackelt wird, haben Sie nur noch die Möglichkeit, den ISO-Wert so weit zu erhöhen, dass eine ausgewogene Belichtung entstehen kann.
1. ISO-5800-Norm
Bis 1987 galten für die Empfindlichkeiten die ASA- und die DIN-Norm. Die ASA-Werte sind linear aufgebaut. Ein doppelt so hoher Wert bedeutet, dass auch die Empfindlichkeit verdoppelt wird. Dies heißt im Umkehrschluss, dass die Belichtungszeit halbiert werden kann. Die DIN-Norm ist dagegen logarithmisch aufgebaut. Ein 3° höherer Wert kennzeichnet hier eine Verdopplung. Die ISO-5800-Norm, die seit 1987 gilt, setzt sich aus diesen beiden Werten zusammen. Die korrekten Bezeichnungen müssten also laut Norm zum Beispiel ISO 100/21° oder ISO 200/24° lauten. In der Praxis wird jedoch nur noch der erste Wert verwendet.
2. Die Empfindlichkeit
Je höher der ISO-Wert ist, umso eher treten Beeinträchtigungen der Bildqualität auf. Beim analogen Film wirkt so das Ergebnis „körniger“. Wenn die Filmempfindlichkeit steigt, wird die Körnung gröber und das Auflösungsvermögen der Fotoemulsion wird geringer. Die analoge Körnung hat allerdings durchaus auch einen ästhetischen Wert. Viele Fotografen haben dies als Gestaltungsmittel eingesetzt.
Gängige ISO-Werte sind zum Beispiel 100 ISO – eine Standardempfindlichkeit, die für die meisten Aufnahmesituationen gut geeignet ist und qualitativ hochwertige Ergebnisse liefert. Allerdings muss gutes Licht (strahlender Sonnenschein zum Beispiel) vorhanden sein, um ohne Stativ oder Blitzlicht auskommen zu können. Bei 200 ISO haben Sie ein wenig mehr Spielraum, da der Film doppelt so empfindlich ist. Lange Zeit waren 400 ISO die maximale Empfindlichkeit. Größere Ausdrucke zeigen hierbei ein sichtbares Korn. 1.600 ISO war später die neue Obergrenze, die allerdings nur für spezielle Einsatzbereiche geeignet ist, bei denen anders kein Fotografieren möglich ist, wie etwa bei Konzerten. Das Korn ist hier deutlich sichtbar, sodass nur kleine Vergrößerungen möglich sind. Aktuell toppen sich die Hersteller mit immer höheren Empfindlichkeiten. Viele Modelle bieten bereits 6.400 ISO an – die Spitzenmodelle der Hersteller teilweise sogar 12.800 oder 25.600 ISO. Die Ergebnisse sind bei diesen Maximalwerten aber nur zu verwenden, wenn man kein „Qualitätsfanatiker“ ist. Bei größeren Abzügen fällt die geminderte Bildqualität deutlich auf. Wo dieser „Wettlauf“ einmal endet, kann man momentan noch nicht vorhersehen.
Bei der digitalen Fotografie wird für die Empfindlichkeit ebenfalls der ISO-Wert als Maßstab genutzt, obwohl es gar keinen Film mehr gibt. Im Prinzip entsprechen die Werte denen des analogen Filmmaterials – es kann allerdings kleinere Unterschiede geben. So beginnen einige Kameramodelle erst bei 200 ISO, erreichen dabei aber keinesfalls schlechtere Ergebnisse als die Modelle, die mit 100 ISO beginnen – das ist eher bauartbedingt oder eine Marketingüberlegung. Im Gegensatz zum analogen Filmkorn zeigen die digitalen Pendants ein stärkeres Bildrauschen, je höher die Empfindlichkeit ist. Dies ist nur bedingt mit dem Filmkorn zu vergleichen, weil ja digitale Fotos aus lauter kleinen „Kästchen“ – den Pixeln – bestehen. Das Filmkorn war dagegen nicht regelmäßig strukturiert, sondern willkürlich.
3. Das Bildrauschen
Wenn bei einem digitalen Foto durch Bildstörungen Details des eigentlichen Motivs verloren gehen, nennt man das Bildrauschen. An diesen Stellen haben die Pixel nicht die Farbe der benachbarten Pixel. Beim Bildrauschen unterscheidet man zwischen dem sogenannten Helligkeitsrauschen und dem Farbrauschen. Während man das Helligkeitsrauschen besonders bei flächigen Motiven – wie etwa einem strahlend blauen Himmel – erkennen kann, fällt das Farbrauschen eher in dunklen Bildpartien auf. Das Helligkeitsrauschen empfindet der Betrachter in den allermeisten Fällen nicht als störend, da vollständig einfarbige Flächen eher unwirklich wirken würden. Das Helligkeitsrauschen wird auch als „Luminanzrauschen“ bezeichnet, weil die Luminanz das Maß für die Helligkeit von Pixeln ist.
Das Farbrauschen ist erheblich „lästiger“ als das Helligkeitsrauschen. Es macht Bilder schnell unbrauchbar. Beim Farbrauschen sind die fehlfarbigen Pixel störend, die vornehmlich in den dunklen Bereichen des Fotos auftauchen. So sind beispielsweise besonders Nachtaufnahmen oder die Schattenbereiche von Aufnahmen betroffen. Je höher die verwendete Empfindlichkeit ist, umso deutlicher fallen die fehlfarbenen Pixel auf. Diese Rauschart wird auch als Chrominanzrauschen bezeichnet, da die Chrominanz die Farbinformationen der Pixel liefert. Die Farbe jedes Bildpunkts setzt sich aus der Chrominanz (Farbinformation) und seiner Luminanz (Helligkeit) zusammen.
4. Gründe des Rauschens
Es gibt viele verschiedene Ursachen, wodurch das Bildrauschen entstehen kann. Durch die in den Kameras verbauten Bildsensoren, wie der CCD- und der CMOS-Sensor, entsteht das sogenannte Dunkelrauschen. Dies wird durch Dunkelstrom verursacht, ohne dass Licht auf den Sensor fällt. Grund ist der Aufbau der Sensoren mit ihren Millionen einzelnen lichtempfindlichen Fotodioden. So können Ladungsträger im Detektor ausgelöst werden, auch wenn dieser nicht belichtet wird. Da die empfangenen Signale verstärkt werden, kann es zum Ausleserauschen kommen. Weisen einzelne Pixel einen sehr hohen Dunkelstrom auf, nennt man diese „Hotpixel“. So entstehen einzelne Punkte, die sich deutlich in ihrer Helligkeit vom Umfeld unterscheiden. Der Dunkelstrom kann sich von Fotodiode zu Fotodiode unterscheiden. Wenn es zwischen den Millionen winziger Fotodioden kleinere Schwankungen der Empfindlichkeit gibt, spricht man vom „Photonenrauschen“.
Bedeutend für die Stärke des Bildrauschens ist auch die Größe der Fotodioden und deren Abstand zueinander. Sind die Fotodioden extrem klein, können sie weniger Licht aufnehmen als größere Fotodioden. Den Abstand der einzelnen Fotodioden zueinander nennt der Fachmann Pixelpitch. Die Größe und der Abstand der Fotodioden sind der Grund dafür, dass bei Kompaktkameras das Bildrauschen viel schneller auffällt als bei Spiegelreflexkameras. Deren Sensor ist schließlich um ein Vielfaches größer – und damit auch die einzelnen Fotodioden. Die Megapixelanzahl kennzeichnet die Anzahl der lichtempfindlichen Fotodioden. Da die Kompaktkameras inzwischen genau dieselbe Megapixelanzahl wie die Spiegelreflex-Pendants aufweisen – sich die Sensorgrößen aber drastisch unterscheiden –, sind die Qualitätsunterschiede erklärbar. Dies ist auch einer der Gründe, weshalb das „Megapixelwettrennen“ nicht sehr sinnvoll ist. Solange die Größe der Sensoren gleich bleibt, aber immer mehr Fotodioden darauf Platz finden müssen, wird die Qualität der Ergebnisse durch das dabei zunehmende Bildrauschen zwangsläufig schlechter, schließlich erreicht die Fotodioden weniger Licht. Dies versuchen die Kamerahersteller durch eine stärkere kamerainterne Bearbeitung zu lindern.
Bei der digitalen Fotografie werden ja analoge Signale in digitale Daten (ganze Zahlen) umgewandelt. Auch dieser Prozess kann die Stärke des Bildrauschens beeinflussen. Jeder Hersteller verwendet andere Methoden zur Analog-Digital-Wandlung, wodurch es zu verschiedenen Ergebnissen kommen kann. Der Fotograf hat hierauf keine Einflussmöglichkeit – er muss nehmen, was die Kamera „bietet“.
Wenn Sie den ISO-Wert erhöhen, werden die Signale des Aufnahmesensors kameraintern verstärkt. Dies bedeutet gleichzeitig, dass auch das Bildrauschen zunimmt. Eine sorgfältige Belichtung der Fotos ist von großer Bedeutung, da unterbelichtete Fotos, die nachträglich per Bildbearbeitungsprogramm aufgehellt werden, stärker rauschen, als wenn Sie das Foto beim Auslösen perfekt belichten.
Ein weiterer Grund für das Bildrauschen ist Wärme. Wenn sich der Sensor erhitzt, wird Bildrauschen stärker. Dies kann einerseits bei Serienbildaufnahmen passieren – allerdings muss die Bildrate hierbei schon sehr groß sein und die Serienaufnahme muss lange andauern. Wenn Sie allerdings beispielsweise den Live-View-Modus gerne einsetzen, erhöhen Sie damit ebenfalls das Risiko des Bildrauschens. Das ist – neben der geringen Sensorgröße – auch einer der Gründe, weshalb das Rauschen bei Kompaktkameras größer ist.
Bei sehr langen Belichtungszeiten besteht ebenfalls die Gefahr von Bildrauschen. Dies gilt zum Beispiel bei Nachtaufnahmen. Daher bieten die Programme Optionen an, bei denen die Bildqualität verbessert wird. Dabei wird ein Referenzbild mit einer Dunkelbelichtung verwendet, dessen Bildrauschen vom belichteten Bild reduziert wird. Durch diese Verfahrensweise dauert es eine Weile, ehe Sie die nächste Aufnahme schießen können. Der Bearbeitungsvorgang entspricht dabei der Belichtungszeit. Wird also ein Foto 30 Sekunden belichtet, müssen Sie 30 Sekunden warten, ehe das nächste Bild belichtet werden kann. Dennoch ist es empfehlenswert, die Option zur Minderung des Bildrauschens zu aktivieren.
Eins sollten Sie abschließend auch bedenken: Es hängt von der weiteren Verwendung des Ergebnisses ab, ob und wie deutlich das Bildrauschen auffällt. Planen Sie beispielsweise, das Foto in einer geringen Größe, wie etwa 10 x 15 Zentimeter, auszudrucken, wird Ihnen in vielen Fällen das Bildrauschen nicht negativ auffallen. Auch beim Buchdruck macht sich ein geringes Rauschen nicht negativ bemerkbar, weil die Drucker die feinen Details gar nicht auflösen können. Im Web fällt das Bildrauschen dagegen viel deutlicher auf – besonders bei der Nahansicht.
So reduzieren Sie das Bildrauschen effektiv
Kameraintern Die Kamerahersteller bieten Optionen an, um die Bilder gleich nach der Aufnahme kameraintern zu optimieren, wenn das Bildrauschen durch die Erhöhung des ISO-Werts oder eine lange Belichtungszeit entstehen könnte. Um das störende Rauschen zu entfernen, werden die Bilder sozusagen „weichgezeichnet“. Die so automatisch verloren gehenden Bilddetails führen nicht selten zu einem unansehnlichen Ergebnis. Bei Kompaktkameras erscheinen die Ergebnisse im schlimmsten Fall so, als wären sie mit Aquarell gemalt. Daher ist es nicht immer ungeschränkt zu empfehlen, diese Optionen zu nutzen.
Per Aufnahmetechnik Jede Kamera hat eine eigene ISO-Grenze, ab der mit störendem Bildrauschen zu rechnen ist. Bei Kompaktkameras kann dies schon bei Werten um 400 der Fall sein. Fotografieren Sie deshalb mit einer Lichtempfindlichkeit unter diesem Wert und wählen Sie stattdessen lieber eine längere Belichtungszeit.
Per Bildbearbeitung Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Bilder ohne die kamerainternen Optimierungsschritte aufzunehmen und per Bildbearbeitungsprogramm nachträglich zu optimieren. Hierbei können Sie nuancierter auf die Optimierungen einwirken und den Grad des Entrauschens selbst festlegen. Außerdem können Sie bei Bedarf nur bestimmte Bildteile optimieren, was bei der kamerainternen Bearbeitung nicht möglich ist. Dazu gibt es neben den kommerziellen Bildbearbeitungsprogrammen auch preiswerte oder gar kostenlose Programme, wie etwa NeatImage oder NoiseNinja.
Aber auch hier gilt natürlich, dass sich verrauschte Bilder nicht in rauschfreie Ergebnisse umwandeln lassen. Eine deutliche Verbesserung des Ergebnisses ist aber durchaus möglich. Das Ziel muss also stets sein, dass die Aufnahmeeinstellungen bereits so optimal sind, dass das Bildrauschen weitestgehend vermieden werden kann. So sollten Sie vorab Tests mit Ihrem Kameramodell durchführen, um die Grenze der ISO-Empfindlichkeit zu ermitteln, ab der das Bildrauschen störend wirkt.
Wissenswertes über das Bildrauschen
Einige grundsätzliche Begriffe werden beim Thema Bildrauschen immer wieder verwendet. Wir haben einige wichtige Fachbegriffe herausgesucht.
Bildrauschen In jedem Foto ist das sogenannte Bildrauschen mehr oder weniger deutlich zu sehen. Das Bildrauschen entsteht durch zufällige Schwankungen der Ladungshöhe einzelner Zellen auf dem Bildsensor. Je kleiner der Bildsensor ist, umso deutlicher macht sich das Bildrauschen bemerkbar. Daher sind digitale Kompaktkameras dafür anfälliger als digitale Spiegelreflexmodelle.
Helligkeitsrauschen Das sogenannte Helligkeitsrauschen lässt sich gut in flächigen Bildteilen erkennen, wie etwa strahlend blauem Himmel. Es wird auch als Luminanzrauschen bezeichnet. Es ist für den Betrachter nicht besonders nachteilig und kann mit dem analogen Filmkorn verglichen werden.
Farbrauschen Das Farbrauschen ist weit störender als das Helligkeitsrauschen, weil falsche bunte Pixel dem Betrachter des Fotos schneller und deutlicher auffallen. Je höher die eingestellte Empfindlichkeit ist, umso deutlicher fällt das Farbrauschen auf, was allerdings auch vom Motiv abhängt. Bei Bildern mit vielen Details ist es weniger zu sehen als bei flächigen Motiven.
Hotpixel Hotpixel treten dann im Bild auf, wenn Bildpunkte nicht proportional auf das eintreffende Licht reagieren. Sie sind dadurch heller als die Umgebung. Meist entstehen die Hotpixel bei längeren Belichtungszeiten und bei der Verwendung von hohen ISO-Werten.
Frage an den Experten
Wie störend ist das Bildrauschen?
In allen Testberichten spielt das Bildrauschen der Kameras eine bedeutende Rolle und führt oft zu Abwertungen einer Kamera. Es wird auch immer auf das stärkere Rauschen der Kompaktkameras hingewiesen. Wie stark fällt denn das Bildrauschen aus? Sind die Fotos noch zu verwenden oder nicht?
Hier muss man sehr deutlich unterscheiden: Es ist in der Tat so, dass bei Kompaktkameras das Rauschen deutlich stärkere Auswirkungen hat als bei digitalen Spiegelreflexkameras. Durch die winzig kleinen Sensoren, die in Kompaktkameras verwendet werden, tritt oft schon ab 200 oder 400 ISO ein sehr störendes Bildrauschen auf. Die Kamerahersteller versuchen, dies mit kamerainternen Optimierungsoptionen zu lindern. Dies führt oft dazu, dass aquarellartige Ergebnisse entstehen, die nicht mehr zu verwenden sind, außer Sie drucken das Foto nur sehr klein aus. Das Reduzieren der Bildgröße ist die einzige Möglichkeit, damit das Rauschen nicht auffällt. Bei Aufnahmen mit einer digitalen Spiegelreflexkamera ist die Situation anders. Hier können Sie zunächst einmal deutlich höhere ISO-Werte verwenden, ohne dass irgendwelches Bildrauschen negativ auffallen würde. Falls bei höheren Empfindlichkeiten, wie etwa 1.000 oder 1.600 ISO, ein Bildrauschen zu erkennen sein sollte, sollten Sie eins bedenken: Es kommt sehr darauf an, wie und wo die Bilder weiterverwendet werden sollen. So könnte beim Betrachten auf dem Bildschirm das Rauschen beispielsweise deutlich zu erkennen sein, während man bei demselben Foto keinerlei Rauschen erkennen kann, wenn das Bild in einer normalen Größe – wie etwa 13 x 18 Zentimeter – ausgedruckt wird.