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• Was ist "Rauschen"?

• Ursache des Rauschens

• Farb- und Helligkeitsrauschen

• Auflösung und Rauschen

• Sensorzellengröße = Rauschen?

• Rausch-Vergleich von Kameras

• Weniger MP einstellen?

• Rauschen nachträglich reduzieren

• Beispiele

• Rauschen bei Basis-Empfindlichkeit

• Rauschen bei Langzeitaufnahmen

• Rauschen durch Hitze

Vorab:
Von "Rauschen" spricht man z.B. dann, wenn z.B. ein Radiosender zu schwach ist und deshalb nicht störungsfrei empfangen werden kann und deshalb durch ein Hintergrundrauschen gestört ist. Bei Digitalkameras gibt es etwas ähnliches. Hier wird z.B. eine gleichmäßig blaue Fläche griesselig dargestellt, weil die Signale der Sensorzellen zu schwach sind und übermäßig verstärkt werden müssen. Deshalb tritt Bildrauschen besonders stark in schlecht beleuchteten (unterbelichteten) Bildbereichen auf, erheblich weniger in den hellen.
Das demonstriert überzeugend ein Bildbeispiel, das bei 100 ISO aufgenommen wurde.


Wenn bereits bei den (bei heller Studiobeleuchtung aufgenommenen) Testbildern (dunkle) einfarbige Flächen deutlich "rauschen", dann ist die betr. ISO-Einstellung nicht ratsam. In den Schattenbereichen wird das Rauschen dann katastrophal sein!
Wie das Rauschen in den Schattenbereichen sein wird, kann man aus den Testbildern bei entspr. höheren ISO-Werte abschätzen.

Panasonic LX1 bei 400 ISO (dpreview.com)

Was ist die Ursache dieses Rauschens?

Wie ausführlich auf der Seite "Sensoren" beschrieben wird, wird die Gefahr des Rauschens immer größer, je kleiner die einzelnen Zellen des Sensors sind. Wenn sich z.B. auf einem 1/1,7" Sensor nicht 6 MP sondern 12 MP drängeln, müssen sie entsprechend kleiner sein und bekommen natürlich jeweils nicht so viel Licht ab! Auf einem kleinem 1/2,7" Sensor haben 12 MP sogar nur halb so viel Fläche zur Verfügung wie auf einem 1/1,7" Sensor! Da muss das schwache Signal halt kräftig verstärkt werden! Jede Signalverstärkung bedeutet aber Erhöhung des Rauschens ... wenn der Hersteller nicht zusätzliche Maßnahmen zur Signalaufbereitung vorsieht!
Wenn man dann noch eine höhere ISO-Zahl einstellt, dann muss das Signal noch mehr verstärkt werden .... Ergebnis: siehe obiges Bild!
Starke Schärfung und besonders eine nachträgliche "Aufhellung" von Schattenpartien verstärkt das Rauschen!

Aber nur aus der Größe der Sensorzellen auf das Rauschverhalten zu schließen, ist auch nicht richtig!
( → Mehr Infos)

Kameras mit großen APS-Sensoren (Kameras mit Wechseloptik) sind naturgemäß weniger von diesem Problem geplagt. Auf einem APS-Sensor haben die Zellen fast 20x mehr Platz als auf einem 1/2,7" Sensor. Wenn auf beiden jeweils 6 MP Zellen sind, können sie auf dem APS-Sensor erheblich größer (und lichtempfindlicher) sein! So sind dort auch ISO-Zahlen bis zu 3200 möglich, ohne dass alles im Rauschen versinkt!
Wenn man überwiegend mit niedrigen ISO-Werten fotografiert, muss man nicht unbedingt eine große SLR kaufen! Auch kleinere Sensoren liefern bei der Basis-Empfindlichkeit praktisch rauschfreie Fotos. Was bereits 2005 möglich war, zeigt die nebenstehende Grafik. Die Fuji F10 mit dem Super-CCD-Sensor der 5.Generation tummelte sich selbst bei 1600 ISO noch im Bereich der (damaligen) SLR-Kameras.

Aber die Zeit steht nicht still! Sicherlich wird (wenn wir Kunden das verlangen!) von der Industrie zukünftig die Rauschfreiheit einer Kamera (auch bei höheren ISO-Werten) mehr und mehr als Entwicklungsziel erkannt und nicht nur immer höhere Pixelzahlen angestrebt werden!

Die beiden hier gezeigten Bild-Ausschnitte stammen aus Fotos, die mit der gleichen Kamera (Fuji 602) bei zwei unterschiedlichen ISO-Einstellungen aufgenommen wurden.

1.Farbrauschen
Deutlich ist auf dem obigen linken Bild zu sehen, dass einfarbige Flächen im Schattenbereich keine gleichmäßige Einfärbung aufweisen. Es tritt ein Farbmuster auf. Das sog. Farbrauschen würde verschwinden, wenn man auf Schwarz-Weiß-Darstellung umschalten würde.
Die Kamerahersteller versuchen besonders dieses auffällige Farbrauschen durch entsprechende Programme zu unterdrücken. Das bewirkt aber, dass bei hohen ISO-Werten die Farben "ausbluten" (blass wirken). Hier zwei Ausschnitte aus Aufnahmen der FH100 mit 100 und 1600 ISO:

2. Helligkeitsrauschen
Neben dem Farbrauschen gibt es noch Helligkeits-Unterschiede bei eigentlich einfarbigen, dunklen Flächen. Dieses Helligkeits-Rauschen würde bestehen bleiben, wenn man auf Schwarz-Weiß-Darstellung umschalten würde.
Die Kamerahersteller versuchen das Helligkeitsrauschen ebenfalls mit Rausch-Unterdrückungs-Programmen zu reduzieren. Das geht dann aber auf Kosten der Auflösung (sh. nächstes Kapitel).
Im Gegensatz zum Farbrauschen wird das Helligkeitsrauschen allerdings eher toleriert, da es an das grobe Korn hochempfindlicher KB-Filme erinnert. →Bildbeispiel der Fuji 6500

Da seit Erscheinen der F10 die Käufer zunehmend auch den Wert höherer Empfindlichkeiten begreifen, meinen nun alle Hersteller, möglichst hohe ISO-Werte anbieten zu müssen ... ohne Rücksicht auf die Bildqualität! Danach fragt ja zunächst niemand!
Die Hersteller versuchen zwar, das Rauschen durch spezielle Programme oder andere Methoden zu reduzieren (bei kleinen Sensoren mit mehr als 10MP ist das bereits bei 100 ISO notwendig!), aber das geht immer zu Lasten der Auflösung. Insofern sind die oben beschriebenen Kennzahlen nur die eine Seite der Medaille!
Die Hersteller stehen deshalb vor der Wahl:

• Das Rauschen stark reduzieren (ergibt gleichmäßige Flächen) aber dafür werden alle Details weggebügelt   
  oder

• mehr Rauschen in Kauf nehmen, aber dafür mehr Details erhalten.

Für die erste Methode entscheiden sich viele Hersteller und werden dann auch noch in Testberichten unbedarfter Tester dafür gelobt. Ein extremes Beispiel war ein Testbericht, in dem verkündet wurde, dass die Kamera (Panasonic LX2) bei 1600 ISO weniger rauscht als bei 100 ISO. Warum wohl?

Die zweite Methode ist besser, da dann - je nach Geschmack - nachträglich mit einem entsprechenden Programm das Rauschen am PC reduziert werden kann. Bei der ersten Methode hat man keine Wahl mehr. Alle Details sind unwiederbringlich weg! Gute Kameras bieten die Möglichkeit, sich zwischen den beiden Methoden zu entscheiden.

Das Vergleichsbild mit Ausschnitten aus älteren dpreview-Testbildern macht diese Zusammenhänge deutlich. Während bei der LZ1 bereits bei 400 ISO (und heller Studiobeleuchtung!) das Rauschen unübersehbar ist, scheint bei der Olympus mju 800 (durch Pixel-Mixing) sogar bei 800 ISO auf dem linken Bildchen alles in Ordnung zu sein. Aber das Testbild daneben ist erschreckend unscharf.
Die Fuji F10 hält sich ganz wacker in beiden Disziplinen. Die SLR 350D ist auch bei 1600 ISO noch recht gut. Aber bei einem 10x größeren Sensor sollte man das eigentlich auch erwarten können!

Das bisher schlimmste Beispiel lieferte die 2006 neu vorgestellte 6MP Panasonic FZ7. Die erlaubt zwar auch die Einstellung von 1600 ISO, aber bereits bei 800 ISO ist die Auflösung schlechter als bei einer 2MP-Kamera! Ursache: Durch Pixel-Mixing wird zwar das Rauschen reduziert, aber das zwangsläufig kleinere Bild wird anschließend rigoros wieder auf 6 MP hochgerechnet! Grauenhaft!

Fazit:
Zu einem seriösen Test gehört auch die Bestimmung der Auflösung bei höheren ISO-Werten! Leider testen das bisher nur wenige Zeitschriften. Die Testbilder bei dpreview lassen auch gewisse Rückschlüsse zu.

Immer wieder taucht die Theorie auf, dass von der Größe der Einzelzellen direkt das Rauschverhalten abgeleitet werden könne. Man macht es sich aber zu einfach, kurzerhand die Sensorbreite durch die Anzahl der nebeneinander liegenden Einzelzellen zu teilen und aus den sich dann ergebenden z.B. 2,7μm auf das Rauschverhalten der betr. Kamera zu schließen! Diese Überlegung vernachlässigt die ständige Verbesserung der Sensoren (Stichwort: BSI-CMOS-Sensor) und Datenaufbereitung.
Auf dem APS-Sensor der ersten Canon SLR (EOS D30) befanden sich im Jahre 2000 kümmerliche 3MP (aber sehr große) Zellen. Besonders rauscharm war die Kamera bei 1600 ISO trotzdem nicht! Heutige APS-Sensoren beherbergen 18MP mit deutlich kleinere Zellen und rauschen trotzdem weniger.

Aber ...
Vergleicht man allerdings nicht verschiedene Kamera-Generationen miteinander, sondern die (guten) Kameras einer Generation, so gibt die Größe der Sensorzellen durchaus einen Hinweis auf die Notwendigkeit von Maßnahmen gegen das Rauschen einer Kamera.

Beispiel:
Vergleich der F31 (6MP; 1/1,7") mit der Canon Ixus 850 (7MP; 1/2,5") ergibt: 7,6/2848 = 2,7 μm bzw. 5,76/3072 = 1,9 μm
Die Rauscharmut der F31 überrascht dann nicht mehr!

Sinnvoller ist allerdings die Größe "MP geteilt durch Sensorfläche [cm²]", was dpreview angibt. Dadurch werden auch unterschiedliche Sensor-Seitenverhältnisse (16:9 und 3:2) berücksichtigt. Bei dieser Angabe lassen niedrige Werte geringeres Rauschen erwarten. In unserem Beispiel ergibt sich übrigens 14 bzw. 29.

Gleichgültig, wie viele Fortschritte in Zukunft auch erreicht werden; eine 12MP-Kameras mit einem kleinen 1/2,7" Sensor wird immer sehr viel stärker rauschen als eine 12MP-Kamera mit einem 1/1,7" Sensor; denn letzterer hat eine etwa doppelt so große Fläche und deshalb können die Sensorzellen darauf doppelt so groß sein!
Zukünftig wird das Rauschen aber (hoffentlich) erst bei immer höheren ISO-Werten einsetzen.

Mit dieser Grafik möchte ich versuchen, die komplexen Zusammenhänge anschaulich zu machen. Die Angaben sind aber nur "qualifiziert geschätzt".

Erkennbar ist:

• Mit zunehmenden MP nimmt die Auflösung keineswegs ständig zu. Besonders bei den kleinen Sensoren (kleine Standard-Brennweite) ist etwa oberhalb 10MP kaum noch eine Steigerung möglich. Mehr als 12MP sind nur bei sehr großen Sensoren sinnvoll. →mehr Infos
• Für 13x10 Bilder (bzw. am normalen Bildschirm) sind nicht viel mehr als 4MP notwendig, egal welchen Sensor man in seiner Kamera hat.
• Bis etwa 8MP ist bei 100 ISO die Auflösung einer SLR nicht besser als die einer (guten) Taschenkamera.
• Bei kleinen Sensoren ist oberhalb 4MP auf Papierbildern bei 400 ISO bereits Rauschen (bzw. Detailverluste) erkennbar.
• Wer eine 14MP-Kamera auf 8MP umstellt, hat dann "nur" die Auflösung einer 8MP-Kamera aber weiterhin das starke Rauschen der 14MP-Kamera. (sh. weiter unten)
• Der Vorteil der großen Sensoren liegt bei 12MP nicht in der besseren Auflösung, sondern dem geringeren Rauschen bei höheren ISO-Werten.

Mehr Infos zum Thema Rauschen/Zellengröße:
http://sprec000.xardas.lima-city.de/Digicam7.html

Vergleich verschiedener Kameras

Ob eine Kamera stärker rauscht als eine andere kann man ganz einfach feststellen. Man fotografiert mit beiden Kameras ein Motiv, das möglichst viele Details aber auch verschiedene einfarbige Flächen enthält, bei z.B. 800 ISO, reduziert die Bilder auf gleiche Größe und sieht diese sich dann mit einem Bildbearbeitungsprogramm im "blauen Kanal" an. Selbst wenn bei RGB (normales Farbbild) noch nichts Auffälliges zu sehen ist ... der Blau-Kanal zeigt schonungslos ein evtl. vorhandenes Rauschen.
Zugegeben, Rauschen das man nur im Blaukanal sieht, ist relativ unkritisch. Aber sobald man z.B. ein unterbelichtetes Foto am PC aufhellt, wird das Rauschen deutlich sichtbar. Bei rauscharmen Kameras  können selbst scheinbar völlig schwarze Schattenbereiche noch aufgehellt werden, ohne dass Rauschen auftritt (→ Bildbeispiel)

Um Kameras mit verschiedenen MP-Zahlen bezüglich des Rauschens vergleichen zu können, müssen ihre Bilder zuvor immer auf gleiche Größe gebracht werden! Ggf. tut es auch die jeweils bildschirmfüllende Betrachtung oder der Vergleich von 13 x 10 cm Papierbildern, wenn dann bereits Unterschiede erkennbar werden.
Dann spielt es keine Rolle mehr, ob die betr. Kamera viele MP hatte oder weniger, ob in der Kamera heruntergerechnet wurde oder ein kleineres Dateiformat durch Pixel-Mixing entstanden ist. Die Kamera mit dem geringsten Rauschen (und trotzdem guter Detailauflösung!) ist die beste! →dPreview-Testbild (Ausschnitte aus Handy-Fotos)

Da Bilder von Kameras mit hohen MP-Zahlen stärker reduziert werden, wird deren bei 1:1 Ansicht erkennbares Rauschen entsprechend reduziert und es kann theoretisch sogar sein, dass sie weniger rauschen als Bilder von Kameras mit weniger MP. Wichtig ist aber auch ein Vergleich der Farb- und Detailwiedergabe.

Nur wenn mit dieser Methode keine Unterschiede erkennbar sind (z.B. Rauschen bei 100 ISO), dann sollte man die betr. Testbilder auf ein größeres Format umrechnen und Bildausschnitte vergleichen.

Streng genommen ist es aber nicht korrekt, 800 ISO mit 800 ISO zu vergleichen. Eine Kamera mit max. Blende 4 muss 800 ISO wählen, während eine Kamera mit Blende 2,0 bei gleicher Belichtungszeit noch mit 200 ISO auskommt.
 

Falls die Bilder einer Kamera bei bildschirmfüllender Betrachtung oder auf Papierbildern stärker rauschen als die einer anderen Kamera, dann empfehlen manche Testzeitungen, einfach auf geringere MP-Werte umzuschalten. Dann sei das Problem gelöst.
Das ist nicht richtig! Am Rauschverhalten einer Kamera ändert das Reduzieren der MP gar nichts!
Anders ausgedrückt: 10 x 13 cm Papierbilder von reduzierter und Original-Datei sind exakt gleich!

Wer es nicht glaubt, sollte einfach ein großes "rauschendes" Bild mit Photoshop auf die gewählte Bildschirm-Auflösung reduzieren und dann beide Bilder bildschirmfüllend nacheinander ansehen. Beide Bilder sind exakt gleich!

Erklärung:
Hier wurde das nachvollzogen, was sonst in der Kamera stattfindet, wenn man ein kleineres Format vorgibt.
Kameras nehmen bei allen ISO-Einstellungen immer mit voller MP-Zahl (mit allen winzigen Sensorzellen!) auf. Anschließend rechnen sie dann ggf. auf die gewünschte MP-Zahl herunter.
 
Ein Beispiel:

Hier ein Ausschnitt aus einem 6 MP-SLR-Foto (3200 ISO), wie es bei 1:1 Betrachtung (vergrößert!) aussieht. Deutlich ist das (Farb-) Rauschen erkennbar.

Bei bildschimfüllender Betrachtung ist das Rauschen aber kaum noch zu erkennen.

Und hier ein 1:1 Ausschnitt aus einem vorher am PC auf Bildschirmgröße heruntergerechneten Bild. Es sieht exakt so aus, wie das Originalbild, wenn es bildschirmfüllend betrachtet wird.

Da man bei einer normalen "Diashow" seine Fotos aber immer nur bildschirmfüllend ansieht, hat das Reduzieren der Bilddatei keinen Einfluss auf das Rauschen!

Der schnelle CMOS-Sensor macht's möglich: Manche Kameras machen mehrere Aufnahmen bei z.B. 6400 ISO kurz nacheinander und verrechnen die dann automatisch zu einem Bild mit besserer Auflösung und geringerem Rauschen. Die Idee dahinter: Rauschen tritt rein zufällig verstreut auf und infolgedessen nicht bei jeden Foto an exakt der gleichen Stelle. So kann das Rechenprogramm Störpixel erkennen und eliminieren. Das funktioniert natürlich nur bei unbewegten Motiven.
Der Gewinn entspricht mind. einer ISO-Stufe.

Mit entsprechenden Programmen kann das Rauschen mancher Bilder deutlich reduziert werden. Aber sie können natürlich nicht den von der kamerainternen Rauschunterdrückung verursachten Schärfeverlust rückgängig machen. Im Gegenteil! Das Programm reduziert weitere Bilddetails! Einfarbige Flächen wirken dann aber gleichmäßiger und weniger verrauscht.

Sehr sinnvoll sind solche Programme aber bei der Bearbeitung von RAW-Dateien, bei denen das Rauschen ja nicht schon in der Kamera reduziert wird. Das Problem ist, das Rauschen zu reduzieren, (fast) ohne Details wegzubügeln. Hier ein Beispiel mit Tapaz DeNoise::

Wer sich für solche Programme (auch als Plugin für Photoshop) interessiert ... hier ein ausführlicher externer Test von 6 Programmen:

Alle Kamerahersteller arbeiten fieberhaft daran, in ihre Kamera-Software ein solches, wirksames Programm einzubauen.

Dieses Bild wurde 2009 mit der Panasonic TZ1 aufgenommen. Sie wurde 2006 gebaut und hatte zwar den kleinen 1/2,5" Sensor, aber nur 5MP. Das ergibt einen scheinbar günstigen dpreview Kennwert von 20 MP/cm². (Zum Vergleich: die wegen ihres geringen Rauschens gelobte LX3 hat nur 25 MP/cm², ist aber zwei Jahre jünger).
Trotz des niedrigen 125 ISO-Wertes (1/30 Sek.; Blitz)  ist das Rauschen aber bei 1:1 Betrachtung (sh. Bildausschnitt) unübersehbar. Auf einem kleinen Bildschirm fällt es einem Laien nicht unangenehm auf, zumal die hellen Bildbereiche fast rauschfrei sind. Aber man muss nicht viel Phantasie haben, um sich vorzustellen, wie das wohl bei 400 ISO wäre ...
 

Und noch ein typisches Beispiel, das bei vielen kleinen Kameras auftritt: Das eingebaute Blitzlicht ist zu schwach für eine Gruppenaufnahme, obwohl grundsätzlich 400 ISO gewählt wird. Die weiter hinten sitzenden Personen bekommen zu wenig Licht ab und die Kameras (hier die TZ7) setzen dann rigorose Rauschunterdrückungs- und Aufhellungsprogramme ein. Die vorne sitzenden Personen sind nicht betroffen.
Möglicher Ausweg: Einsatz eines Zusatzblitzgerätes oder Kamera mit größerem Sensor.

Zumindest sollte an der Kamera eine Basis-Empfindlichkeit einstellbar sein, die Rauschfreiheit garantiert! Auch wenn das dann "nur" 50 ISO sind!
In den "guten alten Zeiten" hat man ja auch einen 25 ISO-Film verwendet, wenn man auf höchste Kornfreiheit und Bildschärfe Wert legte ... und auf hohe Empfindlichkeit verzichtet!

Ich arbeite übrigens oft mit niedrigster ISO-Einstellung und nehme dafür gelegentliche Bewegungsunschärfe in Kauf .... was manchmal sogar stimmungsvollere Fotos ergibt!
Das folgende Bild (Ausschnitt) wurde mit 1/15 Sek. aufgenommen!