Auflösung, Schärfe und Rauschen

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Das Rauschen

Bildrauschen ist im Wesentlichen die unerwünschten Schwankungen der Lichtintensität über den Bereich des Bildes. In Erscheinung tritt es am offensichtlichsten durch unpassende Farbpunkte oder Helligkeitspunkte im Bild. Normalerweise variiert das Rauschen in zufälliger Weise über die gesamte Bildebene, aber auch strukturierter Muster – wie sinusförmige Interferenzmuster (manchmal als kohärentes Rauschen bezeichnet) – und festes Rauschen – bei ladungsgekoppelten Sensoren ( CCDs) – ist bekannt.

Wir betrachten das Rauschen normalerweise als ein zufälliges Muster, das dem wahren Bildsignal hinzugefügt wird beziehungsweise dieses überlagert.

Obwohl es eine intrinsische Unvorhersehbarkeit gibt, kann ein zufälliger Prozess statistisch definiert werden, beispielsweise durch seinen Mittelwert, seine Varianz oder seine Wahrscheinlichkeitsverteilung.

Die räumlichen Eigenschaften können z. B. durch die Autokorrelationsfunktion und das Leistungsspektrum zusammengefasst werden.

Die Ursachen für Bildrauschen

Die Ursachen für das Rauschen eines Bildes können sein:

  1. Zufällige “Aufteilung” des Lichts.
  2. Wenn das Lich in ein elektrisches umgewandelt wird, tritt photoelektrisches Rauschen auf.
  3. Elektronisches Rauschen tritt in jedem System mit elektronischen Komponenten auf.
  4. Quantisierungsrauschen tritt bei der Digitalisierung auf.
  5. Poisson-Belichtungsrauschen: Eine Zufälligkeit von Photonen in einer nominal gleichmäßigen Belichtungsverteilung liegt vor.

Die erste Ursache für Bildrauschen tritt in analogen fotografischen Systemen auf. Die Bilder Rauschen aufgrund der zufälligen Kornstruktur im Film.

Der zweite und dritte Fall sind die Hauptursache für Bildrauschen bei CCD- und CMOS-Sensoren.

Der vierte Fall tritt mehr oder weniger häufig in allen digitalen Systemen auf, in denen ein Helligkeitswert in eine endliche Anzahl von Werten quantisiert wird.

Das Poisson-Belichtungsrauschen ist in allen Bildern vorhanden. Es entsteht, weil die vom Abbildungssystem eingefangenen Photonen zufällig in Raum und Zeit eintreffen. Die relative Größe und damit Bedeutung des Poisson-Belichtungsrauschen hängt vom System und seiner Verwendung ab.

Jeder, der einmal versucht hat, ein fotografisches Negativ stark zu vergrößern, ist mit der Erscheinung einer körnigen Struktur auf dem Bild vertraut. Das fotografische Rauschen ist gut untersucht und die Verfahren zur Quantifizierung sind unkompliziert.

Rauschen auf analogem Film

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Digitales Rauschen

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Digitales Bildrauschen durch Stapeln reduzieren

Heutzutage haben die meisten Kameras eine erstaunliche Bildqualität. Mit einigen Kameras ist es selbst bei ISO 1.600, ISO 3.200 oder sogar ISO 6.400 (fast) unmöglich, Rauschen zu erkennen. Manchmal hat man aber keine solche Kamera oder die Lichtverhältnisse machen es unmöglich ein rauschfreies Bild aufzunehmen.

Die Verwendung eines Programms zur Rauschunterdrückung ist aber nicht immer die beste Lösung, da so die Bildqualität stark beeinflusst wird (die Rauschunterdrückung führt zu Detailverlust).

Eine andere Möglichkeit zur Rauschunterdrückung ist das Stapeln mehrerer Bilder; diese Technik wird häufig von Astrofotografen verwendet und macht sich die Zufallsnatur des Rauschens zunutze.

Wenn man eine Serie von Bildern macht, ohne die Kamera zu bewegen, weist jedes einzelne Bild ein leicht unterschiedliches Rauschmuster auf. Wenn diese Bilder nun auf die richtige Weise kombiniert werden, ist es möglich, das Rauschen ohne Detailverlust zu unterdrücken. Da die Zufälligkeit des Rauschens ausgenutzt wird, sollte klar sein, dass diese Technik bei einer Serie von kopierten Bildern nicht funktioniert.

Der Nachteil dieser Methode ist der relativ begrenzte Einsatz dieser Technik. Du benötigst eine stationäre Szenerie ohne (viel) Bewegung, da bewegte Objekte unscharf werden oder im Endergebnis ganz verschwinden. Bestenfalls benutzt Du dazu ein Stativ (obwohl es zweifelsohne auch möglich wäre, im Hochgeschwindigkeitsmodus ohne Stativ zu fotografieren und die Bilder anschließend auszurichten). Viel hängt einfach von der Einsatzsituation ab.

Diese Technik kann neben der Astrofotografie auch für andere Zwecke verwendet werden. Dazu gehören unter anderem die Erzeugung „superauflösender Bilder“, das bewusste Entfernen bewegter Motive in einer Szenerie und die Simulation von Langzeitbelichtungen.

Benötigte Software: Adobe Lightroom und Adobe Photoshop

Vorgehen

  1. Import der Bilder in Lightroom.
  2. Bearbeitung:
    • Du musst für ein Bild eine Bearbeitung festlegen und auf alle weiteren Bilder kopieren.
    • Du solltest sicherstellen, dass die Schärfe und die Rauschunterdrückung auf Null gesetzt und alle Einstellungen für die Objektivverzerrung deaktiviert sind.
  3. Alle Bilder auswählen und als Ebenen in Photoshop öffnen.
  4. Du musst sicher gehen, dass die Bilder perfekt ausgerichtet sind:
    • Dazu kannst Du die Bilder automatisch ausrichten: „Bearbeiten“ $\rightarrow$ „Ebenen automatisch ausrichten“.
    • Die Optionen „Vignettenentfernung“ und „geometrische Verzerrung“ müssen deaktiviert sein, die Option „automatische Projektion“ muss aktiv sein.
  5. Ergebnis prüfen. Eventuell falsch ausgerichtete Ebenen löschen.
  6. Alle Ebenen auswählen und in Smartobjekte umwandeln: „Ebenen“ $\rightarrow$ „Smartobjekte“ $\rightarrow$ „In Smartobjekt umwandeln“
    • Abhängig von der Größe und der Anzahl der Ebenen kann dies eine Weile dauern.
  7. Bilder bzw. Ebenen stapeln: „Ebenen“ $\rightarrow$ „Smartobjekte“ $\rightarrow$ „Stapel“ $\rightarrow$ Median
  8. Bild rastern, um die Dateigröße zu reduzieren.
  9. Datei speichern.
    • Die Datei wird nun automatisch dem Lightroom-Katalog hinzugefügt.

Je mehr Bilder Du stapelst, desto besser wird das Ergebnis sein.