Bildrauschen - Image noise
Bildrauschen ist eine zufällige Variation von Helligkeits- oder Farbinformationen in Bildern und ist normalerweise ein Aspekt von elektronischem Rauschen . Es kann durch den Bildsensor und die Schaltung eines Scanners oder einer Digitalkamera erzeugt werden . Bildrauschen kann auch im Filmkorn und im unvermeidlichen Schrotrauschen eines idealen Photonendetektors entstehen. Bildrauschen ist ein unerwünschtes Nebenprodukt der Bilderfassung, das die gewünschten Informationen verdeckt.
Die ursprüngliche Bedeutung von "Rauschen" war "unerwünschtes Signal"; ungewollte elektrische Schwankungen in den von AM-Radios empfangenen Signalen verursachten hörbares akustisches Rauschen ("statisch"). Analog werden unerwünschte elektrische Schwankungen auch als "Rauschen" bezeichnet.
Das Bildrauschen kann von fast nicht wahrnehmbaren Flecken auf einem bei gutem Licht aufgenommenen Digitalfoto bis hin zu optischen und radioastronomischen Bildern reichen, die fast ausschließlich aus Rauschen bestehen, aus denen durch anspruchsvolle Verarbeitung eine kleine Menge an Informationen abgeleitet werden kann. Ein solcher Rauschpegel wäre bei einem Foto nicht akzeptabel, da es unmöglich wäre, das Motiv selbst zu bestimmen.
Typen
Gaußsches Rauschen
Die Hauptquellen des Gaußschen Rauschens in digitalen Bildern treten während der Erfassung auf. Der Sensor weist aufgrund der Beleuchtungsstärke und seiner eigenen Temperatur ein Eigenrauschen auf, und die mit dem Sensor verbundenen elektronischen Schaltungen injizieren ihren eigenen Anteil an elektronischem Schaltungsrauschen .
Ein typisches Modell des Bildrauschens ist Gaussian, additiv, unabhängig bei jedem Pixel und unabhängig von der Signalintensität, das hauptsächlich durch Johnson-Nyquist-Rauschen (thermisches Rauschen) verursacht wird, einschließlich des, das vom Reset-Rauschen von Kondensatoren ("kTC-Rauschen" ). Das Verstärkerrauschen ist ein wesentlicher Bestandteil des "Leserauschens" eines Bildsensors, dh des konstanten Rauschpegels in dunklen Bildbereichen. Bei Farbkameras, bei denen im blauen Farbkanal mehr Verstärkung verwendet wird als im grünen oder roten Kanal, kann es im blauen Kanal zu mehr Rauschen kommen. Bei höheren Belichtungen wird das Bildsensorrauschen jedoch von Schrotrauschen dominiert, das nicht gaußförmig und nicht unabhängig von der Signalintensität ist. Außerdem gibt es viele Gaußsche Rauschunterdrückungsalgorithmen.
Salz-und-Pfeffer-Geräusch
Fettschwanzverteiltes oder "impulsives" Rauschen wird manchmal als Salz-und-Pfeffer-Rauschen oder Spike-Rauschen bezeichnet. Ein Bild mit Salz-und-Pfeffer-Rauschen weist dunkle Pixel in hellen Bereichen und helle Pixel in dunklen Bereichen auf. Diese Art von Rauschen kann durch Analog-Digital-Wandlerfehler , Bitfehler bei der Übertragung usw. verursacht werden. Es kann größtenteils durch Dunkelbildsubtraktion , Medianfilterung , kombinierte Median- und Mittelwertfilterung und Interpolation um dunkle/helle Pixel eliminiert werden .
Tote Pixel in einem LCD-Monitor erzeugen eine ähnliche, aber nicht zufällige Anzeige.
Schuss Lärm
Das vorherrschende Rauschen in den helleren Teilen eines Bildes von einem Bildsensor wird typischerweise durch statistische Quantenfluktuationen verursacht, d. h. durch Variationen in der Anzahl von Photonen, die bei einem gegebenen Belichtungsniveau erfasst werden. Dieses Rauschen wird als Photon bekannt Schrotrauschen . Das Schrotrauschen hat einen quadratischen Mittelwert proportional zur Quadratwurzel der Bildintensität, und das Rauschen an verschiedenen Pixeln ist unabhängig voneinander. Das Schrotrauschen folgt einer Poisson-Verteilung , die sich außer bei sehr hohen Intensitätspegeln einer Gaußschen Verteilung annähert.
Zusätzlich zum Photonen-Schrotrauschen kann zusätzliches Schrotrauschen durch den Dunkelleckstrom im Bildsensor auftreten; dieses Rauschen wird manchmal als "dunkles Schrotrauschen" oder "dunkelstromiges Schrotrauschen" bezeichnet. Der Dunkelstrom ist bei "Hot Pixels" innerhalb des Bildsensors am größten. Die variable Dunkelladung von normalen und heißen Pixeln kann abgezogen werden (unter Verwendung der "Dark-Frame-Subtraktion"), wodurch nur das Schrotrauschen oder die zufällige Komponente des Lecks übrig bleibt. Wenn keine Dunkelbildsubtraktion durchgeführt wird oder die Belichtungszeit lang genug ist, dass die Ladung der heißen Pixel die lineare Ladungskapazität überschreitet, ist das Rauschen mehr als nur Schrotrauschen, und heiße Pixel erscheinen als Salz-und-Pfeffer-Rauschen.
Quantisierungsrauschen (gleichmäßiges Rauschen)
Das Rauschen, das durch Quantisieren der Pixel eines erfassten Bildes auf eine Anzahl diskreter Pegel verursacht wird, ist als Quantisierungsrauschen bekannt . Es hat eine annähernd gleichmäßige Verteilung . Obwohl es signalabhängig sein kann, ist es signalunabhängig, wenn andere Rauschquellen groß genug sind, um ein Dithering zu verursachen , oder wenn Dithering explizit angewendet wird.
Filmkorn
Die Körnung eines fotografischen Films ist ein signalabhängiges Rauschen mit einer ähnlichen statistischen Verteilung wie das Schrotrauschen . Wenn Filmkörner gleichmäßig verteilt sind (gleiche Anzahl pro Fläche) und wenn jedes Korn eine gleiche und unabhängige Wahrscheinlichkeit hat, sich nach Absorption von Photonen zu einem dunklen Silberkorn zu entwickeln , dann ist die Anzahl dieser dunklen Körner in einem Bereich zufällig mit einem Binomial Verteilung . In Gebieten mit geringer Wahrscheinlichkeit liegt diese Verteilung nahe der klassischen Poisson-Verteilung des Schrotrauschens. Als hinreichend genaues Modell wird häufig eine einfache Gaußsche Verteilung verwendet.
Filmkörnung wird normalerweise als eine nahezu isotrope (nicht orientierte) Rauschquelle angesehen. Seine Wirkung wird dadurch verschlimmert, dass die Verteilung der Silberhalogenidkörner im Film ebenfalls zufällig ist.
Anisotropes Rauschen
Einige Rauschquellen tauchen in Bildern mit einer deutlichen Orientierung auf. Zum Beispiel unterliegen Bildsensoren manchmal einem Zeilenrauschen oder Spaltenrauschen.
Periodisches Rauschen
Eine häufige Quelle für periodisches Rauschen in einem Bild ist eine elektrische oder elektromechanische Störung während des Bildaufnahmeprozesses. Ein Bild, das von periodischem Rauschen betroffen ist, sieht so aus, als ob ein sich wiederholendes Muster über dem Originalbild hinzugefügt wurde. Im Frequenzbereich kann diese Art von Rauschen als diskrete Spitzen gesehen werden. Eine signifikante Reduzierung dieses Rauschens kann durch die Anwendung von Kerbfiltern im Frequenzbereich erreicht werden. Die folgenden Bilder veranschaulichen ein Bild, das von periodischem Rauschen beeinflusst wird, und das Ergebnis der Reduzierung des Rauschens unter Verwendung einer Frequenzbereichsfilterung. Beachten Sie, dass das gefilterte Bild noch etwas Rauschen an den Rändern aufweist. Eine weitere Filterung könnte dieses Randrauschen reduzieren, aber auch einige der feinen Details im Bild reduzieren. Der Kompromiss zwischen Rauschunterdrückung und Erhaltung feiner Details ist anwendungsspezifisch. Wenn beispielsweise die feinen Details des Schlosses nicht als wichtig erachtet werden, könnte eine Tiefpassfilterung eine geeignete Option sein. Wenn die feinen Details des Schlosses als wichtig erachtet werden, kann eine praktikable Lösung darin bestehen, den Bildrand vollständig abzuschneiden.
Bei Digitalkameras
Bei schwachem Licht erfordert eine korrekte Belichtung die Verwendung einer langen Verschlusszeit (dh lange Belichtungszeit) oder einer geöffneten Blende (niedrigere f-Zahl ) oder beides, um die aufgenommene Lichtmenge (Photonen) zu erhöhen, was wiederum die Auswirkungen von Schuss Lärm . Wenn die Grenzen von Verschlusszeit (Bewegung) und Blende (Schärfentiefe) erreicht sind und das resultierende Bild immer noch nicht hell genug ist, sollte eine höhere Verstärkung ( ISO-Empfindlichkeit ) verwendet werden, um das Leserauschen zu reduzieren. Bei den meisten Kameras führen längere Verschlusszeiten aufgrund von Leckströmen der Fotodiode zu erhöhtem Salz-und-Pfeffer-Rauschen . Auf Kosten einer Verdoppelung der Leserauschvarianz (41% Zunahme der Leserauschstandardabweichung) kann dieses Salt-and-Pepper-Rauschen größtenteils durch Dunkelbildsubtraktion eliminiert werden . Banding-Rauschen, ähnlich dem Schattenrauschen , kann durch Aufhellen von Schatten oder durch Farbbalance-Verarbeitung eingeführt werden.
Rauschen lesen
Bei der Digitalkamerafotografie werden die einfallenden Photonen ( Licht ) in eine Spannung umgewandelt . Diese Spannung durchläuft dann die Signalverarbeitungskette der Digitalkamera und wird von einem Analog-Digital-Wandler digitalisiert . Alle Spannungsschwankungen in der Signalverarbeitungskette, die zu einer Abweichung von analogen zu digitalen Einheiten vom Idealwert proportional zur Photonenzahl beitragen , werden als Leserauschen bezeichnet.
Auswirkungen der Sensorgröße
Die Größe des Bildsensors oder die effektive Lichtsammelfläche pro Pixelsensor ist die größte Determinante der Signalpegel, die das Signal-Rausch-Verhältnis und damit den scheinbaren Rauschpegel bestimmen , vorausgesetzt, die Blendenfläche ist proportional zur Sensorfläche oder dass die Die f-Zahl oder die Beleuchtungsstärke in der Brennebene wird konstant gehalten. Das heißt, bei einem konstanten Blendenwert skaliert die Empfindlichkeit eines Imagers grob mit der Sensorfläche, sodass größere Sensoren in der Regel rauschärmere Bilder erzeugen als kleinere Sensoren. Im Fall von Bildern, die hell genug sind, um im Schrotrausch- begrenzten Regime zu sein, wenn das Bild auf die gleiche Größe auf dem Bildschirm skaliert oder in der gleichen Größe gedruckt wird, beeinflusst die Pixelzahl kaum den wahrnehmbaren Rauschpegel – das Rauschen hängt in erster Linie ab auf dem Sensorbereich, nicht wie dieser Bereich in Pixel unterteilt ist. Bei Bildern mit niedrigeren Signalpegeln (höheren ISO-Einstellungen), bei denen das Leserauschen (Noise Floor) signifikant ist, führen mehr Pixel innerhalb eines bestimmten Sensorbereichs zu einem stärkeren Bildrauschen, wenn das Leserauschen pro Pixel gleich ist.
Zum Beispiel entspricht der Rauschpegel eines Four Thirds- Sensors bei ISO 800 ungefähr dem eines Vollformatsensors (mit ungefähr der vierfachen Fläche) bei ISO 3200 und dem eines 1/2,5-Zoll-Kompaktkamerasensors (mit ungefähr 1/16 der Fläche) bei ISO 100. Diese Fähigkeit, akzeptable Bilder bei höheren Empfindlichkeiten zu erzeugen, ist ein wichtiger Faktor für die Einführung von DSLR- Kameras, die tendenziell größere Sensoren als Kompaktkameras verwenden.Ein Beispiel zeigt einen DSLR-Sensor bei ISO 400 erzeugt weniger Rauschen als ein Point-and-Shoot-Sensor bei ISO 100.
Sensorfüllfaktor
Der Bildsensor hat einzelne Photosites, um Licht aus einem bestimmten Bereich zu sammeln. Aufgrund anderer Schaltkreise werden nicht alle Bereiche des Sensors zum Sammeln von Licht verwendet. Ein höherer Füllfaktor eines Sensors bewirkt, dass mehr Licht gesammelt wird, was eine bessere ISO-Leistung basierend auf der Sensorgröße ermöglicht.
Sensorwärme
Die Temperatur kann auch einen Einfluss auf die Rauschmenge haben, die von einem Bildsensor aufgrund von Leckagen erzeugt wird. Vor diesem Hintergrund ist bekannt, dass DSLRs im Sommer mehr Rauschen produzieren als im Winter.
Lärmminderung
Ein Bild ist ein Bild, ein Foto oder jede andere Form der 2D-Darstellung einer beliebigen Szene. Die meisten Algorithmen zum Konvertieren von Bildsensordaten in ein Bild, ob in der Kamera oder auf einem Computer, beinhalten eine Form der Rauschunterdrückung . Dafür gibt es viele Verfahren, aber alle versuchen festzustellen, ob die tatsächlichen Unterschiede in den Pixelwerten Rauschen oder echte fotografische Details darstellen, und versuchen, ersteres zu mitteln, während letzteres zu erhalten ist. Jedoch kann kein Algorithmus diese Beurteilung perfekt treffen (für alle Fälle), daher wird oft ein Kompromiss zwischen Rauschentfernung und Erhaltung feiner, kontrastarmer Details gemacht, die ähnliche Eigenschaften wie Rauschen aufweisen können.
Ein vereinfachtes Beispiel für die Unmöglichkeit einer eindeutigen Rauschunterdrückung: Ein gleichmäßig roter Bereich in einem Bild kann einen sehr kleinen Schwarzanteil aufweisen. Wenn dies ein einzelnes Pixel ist, ist es wahrscheinlich (aber nicht sicher), dass es störend und verrauscht ist; wenn es einige Pixel in absolut regelmäßiger Form abdeckt, kann es sich um einen Defekt in einer Gruppe von Pixeln im Bildaufnahmesensor handeln (unerwünscht und unerwünscht, aber nicht unbedingt Rauschen); Wenn es unregelmäßig ist, ist es wahrscheinlicher, dass es sich um ein echtes Merkmal des Bildes handelt. Aber eine definitive Antwort ist nicht verfügbar.
Diese Entscheidung kann durch die Kenntnis der Eigenschaften des Quellbildes und des menschlichen Sehens unterstützt werden. Die meisten Rauschunterdrückungsalgorithmen führen eine viel aggressivere Chrominanzrauschunterdrückung durch, da es nur wenige wichtige feine Chrominanzdetails gibt, die man riskiert, zu verlieren. Darüber hinaus empfinden viele Menschen Luminanzrauschen für das Auge als weniger störend, da sein strukturiertes Aussehen das Aussehen von Filmkörnung nachahmt .
Die hochempfindliche Bildqualität einer bestimmten Kamera (oder eines RAW-Entwicklungsworkflows) kann stark von der Qualität des zur Rauschunterdrückung verwendeten Algorithmus abhängen. Da der Rauschpegel mit steigender ISO-Empfindlichkeit steigt, erhöhen die meisten Kamerahersteller die Aggressivität der Rauschunterdrückung bei höheren Empfindlichkeiten automatisch. Dies führt bei höheren Empfindlichkeiten in zweierlei Hinsicht zu einem Einbruch der Bildqualität: Der Rauschpegel steigt und feine Details werden durch die aggressivere Rauschunterdrückung geglättet.
Bei extremem Rauschen, wie beispielsweise bei astronomischen Bildern sehr weit entfernter Objekte, geht es weniger um die Rauschunterdrückung, als vielmehr darum, ein wenig Information in viel Rauschen zu extrahieren; Techniken sind unterschiedlich und suchen nach kleinen Regelmäßigkeiten in massiv zufälligen Daten.
Videorauschen
In Video und Fernsehen bezieht sich Rauschen auf das zufällige Punktmuster, das dem Bild durch elektronisches Rauschen überlagert wird, den „Schnee“, der bei schlechtem (analogen) Fernsehempfang oder auf VHS-Bändern zu sehen ist. Störungen und statisches Rauschen sind andere Formen von Rauschen in dem Sinne, dass sie ungewollt, aber nicht zufällig sind, die Radio- und Fernsehsignale beeinträchtigen können.
Digitales Videorauschen ist manchmal bei Videos, die im MPEG-2-Format codiert sind, als Komprimierungsartefakt vorhanden
Nützliches Geräusch
Hohes Rauschen ist fast immer unerwünscht, aber es gibt Fälle, in denen ein gewisses Rauschen sinnvoll ist, um beispielsweise Diskretisierungsartefakte (Farbstreifen oder Posterisierung ) zu vermeiden . Etwas Rauschen erhöht auch die Schärfe (scheinbare Schärfe). Rauschen, das für solche Zwecke absichtlich hinzugefügt wird, wird als Dither bezeichnet ; es verbessert die Wahrnehmung des Bildes, verschlechtert jedoch das Signal-Rausch-Verhältnis .
Beispiele für Rauschen mit niedrigem und hohem ISO-Wert
- Bilder einer Blume, aufgenommen bei ISO 100 und ISO 1600 mit einer Canon 400D Digitalkamera. Beide Bilder wurden unter ähnlichen Lichtverhältnissen aufgenommen, wobei nur die ISO-Einstellung und die Verschlusszeit variiert wurden.
ISO 100, f/ 5.6, 1/350 s
(für größere Version auf das Bild klicken)
ISO 1600, f / 5,6, 1/4000 s
(Klicken Sie auf das Bild für eine größere Version)
Vergleich beider Bilder. Dies ist ein Ausschnitt eines kleinen Abschnitts jedes Bildes, das mit 100 % angezeigt wird. Der obere Teil wurde mit 100 ISO aufgenommen, der untere Teil mit 1600 ISO.
Technische Prüfung mit niedrigem und hohem ISO-Wert
Ein Bildsensor in einer Digitalkamera enthält eine feste Anzahl von Pixeln (die die beworbenen Megapixel der Kamera definieren). Diese Pixel haben eine sogenannte Brunnentiefe. Der Pixelbrunnen kann man sich als Eimer vorstellen.
Die ISO-Einstellung einer Digitalkamera ist die erste (und manchmal einzige) vom Benutzer einstellbare ( analoge ) Verstärkungseinstellung in der Signalverarbeitungskette . Er bestimmt die Verstärkung des Spannungsausgangs des Bildsensors und wirkt sich direkt auf das Leserauschen aus . Alle Signalverarbeitungseinheiten innerhalb eines digitalen Kamerasystems haben ein Grundrauschen . Die Differenz zwischen Signalpegel und Grundrauschen wird als Signal-Rausch-Verhältnis bezeichnet . Ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis entspricht einer besseren Bildqualität.
Bei hellem Sonnenschein, einer langen Verschlusszeit, einer weit geöffneten Blende oder einer Kombination aus allen dreien können genügend Photonen auf den Bildsensor treffen, um die Pixel-Wells vollständig zu füllen oder auf andere Weise nahezu die Kapazität zu erreichen. Wird die Kapazität der Pixel-Wells überschritten, kommt dies einer Überbelichtung gleich . Wenn die Pixelwells fast ausgelastet sind, erzeugen die Photonen selbst, die dem Bildsensor ausgesetzt wurden, genug Energie, um die Emission von Elektronen im Bildsensor anzuregen und eine ausreichende Spannung am Bildsensorausgang zu erzeugen, was einem Mangel gleichkommt für ISO-Verstärkung (höhere ISO über der Grundeinstellung der Kamera). Dies entspricht einem ausreichenden Signalpegel (vom Bildsensor), der durch die verbleibende Signalverarbeitungselektronik geleitet wird, was zu einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis oder geringem Rauschen oder einer optimalen Belichtung führt.
Umgekehrt kann es bei dunkleren Bedingungen, kürzeren Verschlusszeiten, geschlossenen Blenden oder einer Kombination aus allen dreien zu einem Mangel an ausreichend Photonen kommen, die auf den Bildsensor treffen, um eine geeignete Spannung vom Bildsensor zu erzeugen, um das Grundrauschen der Signalkette zu überwinden , was zu einem niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis oder hohem Rauschen (vorwiegend Leserauschen) führt. Unter diesen Bedingungen erhöht eine Erhöhung der ISO-Verstärkung (höhere ISO-Einstellung) die Bildqualität des Ausgabebilds, da die ISO- Verstärkung die niedrige Spannung vom Bildsensor verstärkt und durch die verbleibende Signalverarbeitung ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis erzeugt Elektronik.
Es ist ersichtlich, dass eine höhere ISO-Einstellung (richtig angewendet) an sich keinen höheren Rauschpegel erzeugt und umgekehrt eine höhere ISO-Einstellung das Leserauschen reduziert. Die häufig auftretende Rauscherhöhung bei höheren ISO-Einstellungen ist auf die Verstärkung des Schrotrauschens und einen geringeren Dynamikumfang aufgrund technischer Einschränkungen der aktuellen Technologie zurückzuführen.
Siehe auch
Verweise
Externe Links
- Rauschen im dpreview-Glossar
- Kompaktkamera-High-ISO-Modi: Fakten vom Hype trennen
- Rauschmessungen der Nikon D700
- Vorträge über Bildverarbeitung von Alan Peters. Vanderbilt-Universität. Aktualisiert am 7. Januar 2016.