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Fachbegriff Bildrauschen

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Bildrauschen - Beschreibung

 

 

 

 

 

 

 

Grundrauschen (vergleichbar mit der Körnigkeit eines Analogfilms) beschreibt die Summe aller nichtoptischen Bildsignale, die mit der elektrischen Betriebsbereitschaft des Bildchips verbunden sind (Dunkelstrom) und unter definierten Betriebsbedingungen in aller Regel abbildungslos aus der Bildinformation herausgerechnet werden können.

Bildrauschen ist der Anteil am Gesamtbildrauschen, der erkennbar über das Grundrauschen hinausgeht und durch besondere Licht- und Betriebsverhältnisse unverhältnismäßig verstärkt wird.

Eine wichtige Kenngröße für die Qualität in der Sensorchip-Signalverstärker-AD-Wandler-Bildspeicherkette ist der Signalrauschabstand, also das Verhältnis von Nutzdaten zu unerwünschten elektrischen Störungen, wobei die primäre Störquelle im Sensorchip zu suchen ist, während die übrigen Kettenglieder über die Betriebseinstellungen und -bedingungen Einfluss auf die Stärke und Sichtbarkeit des Bildrauschens haben.

Der AD-Wandler macht aus dem kontinuierlichen Stromfluss der vom Bildchip übermittel wird eine Abfolge digitaler Signale, wobei jedem Sensorpunkt ein Bildpixel mit farbcodierter Helligkeitsinformation zugeordnet wird und dann auf dem Bildspeicherchip dauerhaft im vorgegebenen Bildformat abgelegt werden kann.
Üblicherweise werden die Rohdaten (RAW) dabei in das komprimierte JPG bzw. in das umkomprimierte TIFF-Format umgerechnet und mit kameraseitigen Kenndaten versehen (EXIF-Daten).

Bildrauschen verursacht sandig-körnige monochrome oder farbige Fehler  in dunklen Bildanteilen oder vergleichbar strukturierte Farb- oder Helligkeitsfehler in farbigen Bildanteilen - die Helligkeitsfehler werden unter dem Begriff Luminanzrauschen und die Farbfehler unter dem Begriff Chrominanzrauschen zusammengefasst.

Hot Pixel sind helle/weiße Artefakte im Rahmen des Luminanzrauschens auf dunklem Hintergrund, die durch Ladestromverluste einzelner Sensorpunkte zur erhöhtem, punktuellem Dunkelstromfluss führen. Es handelt sich dabei ebenfalls um ein zufälliges, unsystematisches "Fehler"phänomen, das allen Bildchips anhaftet.

Stuck Pixel sind echte Chipfehler, wobei der schadhafte Sensorpunkt entweder im maximalen Ladungs- oder Entladungszustand verharrt und dementsprechend schwarze oder weiße Pixel immer an der gleichen Stelle auf dem Bild produziert. Stuck Pixel können einen Gewährleistungsanspruch begründen.

Blooming entsteht durch Überladung von Sensorbereichen bei zu starkem Lichteinfall, die Bildsignale benachbarter Areale werden im AD-Wandler nicht mehr sauber getrennt, so dass zu kontrastarmen überbelichteten (grellweißen) Bildbereichen kommt.
 

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Bildrauschen - Ursachen

Photonenrauschen

Auf Bildsensoren sind die Pixelpunkte streng geometrisch angeordnet, während die Lichtteilchen ungeordnet (schwirrend) auf den Chip auftreffen; benachbarte Bildpixel werden mit unterschiedlicher Häufigkeit in der Zeiteinheit getroffen ... daraus resultiert statistisch gesehen eine unterschiedliche Zufallshelligkeit, die - in Verbindung mit den interpolierenden Farbberechungsalgorithmen - einige Aspekte des Luminanz- und Chrominanzrauschens erklärt. Das Photonenrauschen gehört zu unsystematischen, zufälligen Störungen.
Abhilfe durch nachträgliche Überlagerung identischer Serienaufnahmen.
 

Fixed Pattern Rauschen

Durch geringfügige, fertigungstechnische Unterschiede in der Beschichtung des Bildchips bzw. der Farbfiltermaske kommt es zu hersteller- und fertigungstechnisch typischen Rauschsignalen, die allerdings durch Korrekturalgorithmen beeinflussbar sind.


Thermisches Rauschen

CCD-Sensoren erzeugen Wärme, was das Grundrauschen um so mehr verstärkt, je länger der Sensor in Betrieb ist und je wärmer es in der nächsten Umgebung ist. Das thermische Rauschen macht sich vor allem in dunklen Bildbereichen sichtbar; es hängt direkt mit dem Energiehaltevermögen für elektrische Ladungen in der Siliziumstruktur zusammen. Thermisches Rauschen verstärkt sich durch unmittelbare Wärmeeinwirkung (Sonneneinstrahlung auf das Kameragehäuse, Akkuerwärmung usw.).
Abhilfe durch Wärmeabschirmung des Gehäuses, durch Pelletier-Elemente am Sensorchip (Standard für Profikameras) und durch sorgfältige Belichtungseinstellung bei der Primäraufnahme ... thermisches Rauschen in unterbelichteten Bereichen wird bei der Aufhellung in der EBV weiter verstärkt.

Quantisierungsrauschen

Die Umwandlung des analogen Chipsignals in ein digitales Bildsignal erzeugt an hellen Farbverläufen in den Farbwechsel- und -übergangszonenan Farbübergängen griesartige oder treppchenförmige Strukturen.
Abhilfe durch nachträgliche Bildmanipulation im Rahmen der EBV mittels Pixelinterpolation durch Bildvergrößerung und Pixelextrapolation in anschließenden Wiederherstellung der Originalbildgröße durch Bildverkleinerung ... ersatzweise oder ergänzend Bearbeitung mit einem Weichzeichnungsfilter.

Komprimierungsrauschen

Dabei handelt es sich um ein Speicherformat abhängiges Rauschen, das bei der Umrechnung des RAW-Datenstromes in das JPEG-Format  als Kompressionsartefakt auftritt und weniger als umschriebener eng begrenzter Fehler zu erkennen ist, sondern eher als strukturelle "Unruhe" im Gesamteindruck auffällt.

Rauschpixelgruppen entstehen durch niederfrequentes Rauschen - typische Folge ist das Chrominanzrauschen.

Isolierte Rauschpixel  entstehen durch hochfrequentes Rauschen, das wir als Luminanzrauschen erkennen können.

Dunkelheitsaufnahmen

Bei geringer Lichtausbeute und langen Belichtungszeiten kommt es verstärkt zu Bildrauschen, weil sich der Bildchip durch das längere Anliegen der Steuerspannung stärker erwärmt ... hierbei stehen die Anteile des thermischen und des photonischen Bildrauschens im Vordergrund, das sich im Bild als niederfrequentes Rauschen in Form von Chrominanzrauschen bemerkbar macht.

Die Erhöhung der "Film"empfindlichkeit durch eine größere ISO-Zahl bringt in aller Regel kaum einen Vorteil, weil damit die Grundspannung am Chip erhöht wird, was zur Erwärmung mit gesteigertem thermischen Rauschen und  einer Verringerung des Signalrauschabstand führt, wodurch dann Chrominanz- und Luminanzrauschen gleichermaßen verstärkt werden.

Die Möglichkeiten des Denoisings mit Filtern in der EBV ist begrenzt, denn diese Filter führen über die punktuelle oder vektorielle Interpolation allesamt zu Unschärfeeffekten Wendet man nach dem Denoising dann Schärfungsfilter an, dann kommt es wiederum zu einer Verstärkung aller vorhandenen bzw. verbliebenen Rauschartefakte, besonders im Konturenbereich.

Im Zweifelsfall sollte man deshalb bei Dunkelaufnahmen mit einer moderaten Erhöhung der ISO-Zahl reagieren, weil dadurch ein homogeneres Rauschen entsteht, das mit moderatem Denoising im maskierten Dunkelbereich bzw. mit einem kompletten Schwarzersatz am elegantesten kaschiert werden kann.

Aus den genannten Gründen sollte bei vorhersehbaren Dunkelaufnahmen, die ISO-Automatik unbedingt abgeschaltet werden, denn die hat immer das Ziel, die Verwacklungsgefahr durch kurze Belichtungszeit bei hoher ISO-Ansteuerung zu kompensieren.

Wie in der Analogfotografie bestens erprobt, kann das Bildrauschen mit der typischen Körnung des Bildes aber auch bewusst als Mittel zur Bildgestaltung eingesetzt werden.
 

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Bildsensoren Grundlagen

Das CCD (charge coupled device) ist ein ladungsgekoppelter, lichtsensibler Baustein auf Silizium-/Germaniumbasis.

Die Photonen des Lichts treffen auf ein kreuzförmiges Bandraster aus sog. Ladungssenken und Ladungsbarrieren und werden punktuell in elektrische Ladung umgewandelt; durch den "inneren Fotoeffekt" werden die Elektronen vom Valenzband eines Atoms ins Leitungsband gebracht und dabei lediglich aus dem Molekülverband gelöst ohne das Material selbst zu verlassen.

Die Anzahl der einzeln auslesbaren Kreuzungspunkte (Ladungssenken) bestimmt die physikalische Auflösung des Bildchips.
Trifft viel Licht auf eine Ladungssenke, dann enthält diese mehr Ladung, als eine auf die wenig oder gar kein Licht trifft.
Nach erfolgter Belichtung werden die Ladungspakete als elektrischer Stromfluss zeilen- und spaltenweise in zum AD-Wandler geschickt und dort in digitale Information umgewandelt. Der Auslesevorgang erfolgt mit 3/4-Phasen-Ansteuerung nach dem Prinzip der Eimerkette.

Bei dieser Technologie werden nur Helligkeitsinformationen produziert (Graustufentechnik). Die Farbinformation wird dadurch erzeugt, dass vor jedem Sensorpunkt ein Filter sitzt, der entweder nur rote, nur grüne oder nur blaue Lichtanteile passieren lässt (RGB-Prinzip).
Die Helligkeitsinformation (Luminanzwert) wird dabei mit einer Farbinformation (Chrominanzwert) verbunden und im AD-Wandler entsprechend kodiert. In aller Regel werden die Farbinformationen über den R:G:B-Bereich im Verhältnis 1:2:1 eingemischt, weil das der natürlichen, menschlichen Farbintensitätswahrnehmung am nächsten kommt.

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) steht für eine mit dem CCD konkurrierende Bildchip-Technologie, bei der Transistoren, die paarweise komplementär zueinander angeordnet sind; dabei werden p-Kanal- und n-Kanal-Feldeffekttransistoren miteinander kombiniert und eine bestimmte Steuerspannung führt immer einen der zwei komplementären Transistoren in den sperrenden, den anderen in den leitenden Zustand.

Schaltet man beide Transistoren in Reihe, so fließt unabhängig von der Steuerspannung kein Strom von der Versorgungsspannung zum Bezugspunkt. Lediglich im  Umschaltmoment fließt kurzzeitig ein Strom. Die Stromaufnahme (Verlustleistung) ist demzufolge von der Umschalthäufigkeit abhängig.
Hohe Außentemperaturen führen auch beim CMOS-Chip zu einer gewissen unerwünschten Eigenleitfähigkeit des Transistors und haben das oben beschriebene Bildrauschen zur Folge.

Während beim CCD eine Kette von Komponenten bis hin zum Bildspeicherchip mittels Softwarsteuerung zusammenarbeitet, ist die im CMOS-Chip realisierte Technik der "very large scale integration" (VLSI) bereits mit zentralen Verarbeitungsfunktionalitäten direkt in den Bildchip integriert.
In jedem einzelnen Bildpixel ist ein mikroelektronischer Schaltkreis enthalten, der es mit seiner aktiven Pixelarchitektur und dem pixelselektivem Zugriff  möglich macht,  Kamerafunktionen wie Kontrastkorrektur und Analog-Digital-Wandlung direkt auf dem Bildchip zu tätigen.
 

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