Wie entsteht eigentlich das Bildrauschen

[Gast_2184]

Hallo zusammen

Man liest immer wieder verschiedenes über das Bildrauschen. Daher meine Frage, wie entsteht das Bildrauschen?

Habe mal in einem Artikel gelesen, dass Bildrauschen entsteht, weil die Pixeldichte auf einem Sensor zu gross ist und daher dann die einzelnen Pixel zu klein sind um genügend Licht aufzunehmen. Daher müsse dies dann künstlich hergestellt werden, und das verursacht dann das Bildrauschen. Ob das genau stimmt weiss ich nicht. (Ist natürlich abhängig von der Qualität des Chips).

Natürlich entsteht auch Bildrauschen bei Unterbelichtung in den Tiefen.

Was wisst ihr dazu. Toll wäre, wenn die Beiträge einfach geschrieben sind, und wenn jemand sehr technisch wird, er seine Ausführungen erklärt, und nicht nur mit Fachausdrücken um sich wirft.

 

[fantomas]

Hallo zusammen

Man liest immer wieder verschiedenes über das Bildrauschen. Daher meine Frage, wie entsteht das Bildrauschen?

Einige Infos hast du ja schon, aber mit Google hättest du sicherlich mehr Infos als man hier reinschreiben könnte.

gruss

 

[Hoogo]

Alles Analoge ist halt mit Störungen und Messungenauigkeiten behaftet, ist das Gleiche wie bei Audio auch. Einfallendes Licht erzeugt auf dem Bildsensor freie Elektronen, Wärme und der Zufall setzen aber ebenfalls Elektronen frei, und so entsteht schon an der Quelle ein Rauschen. Auf dem Weg zum Bild muss für jedes Bildelelement gemessen werden, was an Ladung gesammelt wurde. Die "Skaleneinteilung" dieser "Meßgeräte" ist bei großen und kleinen Sensorelementen gleich, aber prozentual gesehen wird der Messfehler kleiner, wenn es mehr zu messen gibt. Rechne Dir mal die Quadartzentimeter einer Briefmarke und einer Tischplatte aus, wenn Du nur +-1mm messen kannst.

 

[Gast_11019]

Guckst du unter anderem hier

 

[matze79]

Ich stell mir das so vor:

Jeder Pixel bekommt eine gewisse Menge Licht ab. Wenn es wenig Licht gibt, schaltet man auf einen höheren ISO-Wert. Das bedeutet eigentlich erst mal nur, dass das Signal der empfangenen Lichtmenge künstlich erhöht wird.
Also mal ein Beispiel: Deine Kamera hat nur 3 Pixel insgesamt.

1) Du stellst ISO 100 ein. Pixel 1 misst den Wert "1", Pixel 2 misst den Wert "1,1" und Pixel 3 misst auch "1". So, jetzt definieren wir mal, Du kannst auf dem fertigen Bild, erst einen Pixelunterschied ab 0,5 erkennen. Da der Unterschied nur maximal 0,1 ist erscheint dir das Bild also sehr homogen.

2) Du stellst ISO 1600 ein. Das bedeutet, dass der gemessen Wert noch verstärkt werden muss. Sagen wir mal, wir multiplizieren den gemessen Wert mit 10.
Alle Pixel messen wieder die gleiche Werte, aber dann kommt der Faktor 10 dazu.
Pixel 1: 1*10 = 10
Pixel 2: 1,1* 10 = 11
Pixel 3: 1*10 = 10

Jetzt ist der Unterschied zwischen Pixel 1 und Pixel 2 nicht mehr 0,1 sondern 1. Genau so zwischen Pixel 2 und Pixel 3. Wir hatten definiert, dass Du schon einen Unterschied von 0,5 erkennst. Das Bild erscheint Dir also als heterogen. Es "rauscht".

 

[ghuebner]

Das Bildrauschen entsteht durch "Unsicherheit" zweier Komponenten - der Lichintensität und der Farbe.

Man muss sich das Licht als eine Wolke von Teilchen vorstellen, die auf den Sensor fliegt. Es ist ungefähr so, als würde man mit einer Schrotflinte auf eine Scheibe schießen, die in Quadrate aufgeteilt ist und dann hinterher die Anzahl Treffer pro Quadrat abzählen. Je mehr Kugeln die Schrotladung hat, um so gleichmäßiger sind die Treffer auf die Quadrate verteilt. Ein anderes Beispiel sind Meinungsumfragen: je weniger Leute befragt werden, desto unsicherer ist das Ergebnis.

Etwas exotischer ist die Ursache des Farbrauschens - sie liegt in der Heisenberg'schen Unschärferelation. Die Pixel sind so klein, dass sie schon an die Wellenlänge des Lichts heranreichen. In diesem Fall muss man sich ein Pixel wie eine Antenne vorstellen, die Lichtwellen empfängt. Wenn die Antenne zu klein ist, kann sie die Wellenlänge nicht mehr genau genug messen.

 

[otako]

Das sichtbare Rauschen ist immer ein Resultat von einem Signal/Rausch Verhältnis. In helleren Bereichen wo die Signale stärker sind, sehen wir dass es hier weniger rauscht als in den dunkleren bereichen. Vielleicht kann man bei einem CCD/CMOS Sensor das Rauschen als eine Konstante sehen. Da es bei hohen ISO Werten sowohl die Signale als auch das Rauschen verstärkt werden, empfinden wir mehr rauschen als bei niedrigen ISO Werten.
Für das Rauschen gibt es viele Gründe. Die wichtigsten sind jedoch das Photonenrauschen und der Dunkelstrom.

Nehmen wir an dass das Rauschen einen Wert von 5 hat. Immer und überall. In hellen Bereichen hat das Signal einen wert von 1.000 und in dunklen Bereichen vielleicht einen Wert von 50. Dann entstehen folgende Ergebnisse:

Signal/Rauschverhältnis: hell 1.000:5=200:1
Dunkel: 50:5 also 10:1

In dunklen Bereichen rauscht es 20-mal stärker in diesem Beispiel. Jetzt das gleiche für ISO 1600 wo das gleiche Bild 16 mal verstärkt werden muss:

Signal/hell=62,5*16=1.000
Signal/dunkel=3,125*16=50
Rauschen=5*16=80

Signal/Rauschv./hell: 1.000:80=12,5
Dunkel: 50:80

Das Rauschen steigt nicht ganz linear, so wie ich es beschrieben weil das Rauschen von vielen Faktoren abhängt.



Photonenrauschen

Das Photonenrauschen ist eine elementare Eigenschaft von Lichtquellen. Eine gleichförmig helle Lichtquelle sendet spontan emittierte Photonen nicht gleichmäßig, sondern in Gruppen mit verschiedener Population aus. Zudem ist der Zeitpunkt des Aussendens für den Beobachter nicht vorhersagbar. Das Problem, wieviele Photonen innerhalb eines Zeitraums zu erwarten sind, läßt sich nur mit Hilfe der Wahrscheinlichkeitsrechnung beantworten. Die Wahrscheinlichkeit kann mit der Poisson-Verteilung berechnet werden.

Allgemein gilt für große Signale:
Rauschen = Standardabweichung sigma des Signals
Aus der Poissonverteilung folgt:
Standardabweichung = Quadratwurzel des Signals


Dunkelstrom

Durch thermische Schwingungen im Siliziumkristall entstehen auch ohne Lichteinfall freie Elektronen. Diese bilden den sogenannten Dunkelstrom (ID). Diese thermisch erzeugte Ladung ist proportional zur Zeit und extrem temperaturabhängig. Man kann mit Hilfe der Boltzmannverteilung den Dunkelstrom abschätzen.

Der Dunkelstrom verdoppelt sich bei einer Erhöhung der Temperatur um etwa 8° C. Eine Kühlung des Chips setzt die Schwingungsenergie der Siliziumatome im Kristallgitter herab und verringert so den Dunkelstrom. Bei Belichtung des Chips führt der immer vorhandene Dunkelstrom zu einem zusätzlichen Signal, welches die Messung der einfallenden Lichtmenge vom Beobachtungsobjekt verfälscht. Deswegen muß eine Korrektur der Aufnahme mit einer gleichlangen Dunkelaufnahme (Belichtung ohne Lichteinfall , engl. dark frame) erfolgen.

Thermisches Rauschen

Die Anzahl der thermischen Elektronen, die in einem bestimmten Zeitintervall entstehen, unterliegt außerdem noch zufälligen Schwankungen. Diese Variation im Dunkelstrom wird unter dem Begriff Thermisches Rauschen zusammengefaßt.

Wichtig für die Datenreduktion ist es zu wissen, daß auch das Abziehen einer einzelnen gleichlangen Dunkelaufnahme vom Rohbild einen Rest thermischen Rauschens hinterläßt. Dieses Restrauschen addiert sich als zufällige Variation auf das kalibrierte Bild und läßt sich nur durch Mittelung mehrerer Dunkelbilder verkleinern.

Empfindlichkeitsunterschiede zwischen den Pixeln

Herstellungsbedingt ist nicht jedes Bildelement gleich empfindlich. Von einem Pixel zum nächsten kann der Empfindlichkeitsuterschied bis zu 1% und über die ganze Breite des Chips bis zu 10% betragen. Mögliche Ursachen hierfür sind :
Unterschiedliche Größe der Pixel
Dünne Kristalldefekte
Verschiedene Schichtdicken des polykristalinen Siliziums und des Siliziumdioxids.

Manche Pixel sind gar nicht aktiv (dead pixels) und andere erreichen die Sättigung sehr schnell (hot pixels). Die zuletzt genannte Pixelsorte erzeugt mehr thermische Elektronen als im Durchschnitt alle anderen Pixel. Durch Belichtung einer gleichmäßig hellen Fläche mit dem gleichen Teleskop erhält man ein Bild (flat-field frame), das die Empfindlichkeitsunterschiede des CCD-Chips in der Wellenlänge und von Pixel zu Pixel widerspiegelt. Und so läßt sich mit Hilfe eines flat-field frames durch Bildverarbeitung neben den Empfindlichkeitsunterschieden zwischen den Pixeln, zusätzlich noch die Vignettierung der Optik und Verunreinigungen auf dem Glasdeckplättchen des Chips beseitigen.

Ausleserauschen

Auch bei perfekter Kühlung verbleibt das Rauschen der Ausleseelektronik. Dieses Rauschen entsteht, weil der Verstärker nicht genau messen kann, wieviele Elektronen von jedem Pixel kommen. Die Kamerahersteller spezifizieren das Ausleserauschen durch sein mittleres Betragsquadrat (rms-Wert, englisch Root Mean Square) z.B. 80 e rms, d.h. der durchschnittliche Fehler beim Auslesen beträgt 80 Elektronen. Da es sich beim Ausleserauschen um einen Zufallsprozeß handelt, kann über Mittelung mehrer Aufnahmen die Amplitude des Rauschens reduziert werden. Die Rauschreduzierung ist proportional zur Quadratwurzel der gemittelten Aufnahmen.

 

[Stuessi]

Den vorangehenden ausführlichen Erläuterungen möchte ich einige Messbeispiele hinzufügen:
Ausgezählt habe ich den mittleren Pixelwert anhand MRW Dateien einer Dynax 7D. Die Werte gehen von 0 bis 4096 (12 Bit).
Dunkelbild bei 60 s Belichtungszeit ohne Rauschverminderung, Zimmertemperatur. Die Werte in Klammern wurden gemessen an Bildern, die gemacht wurden, nachdem die Kamera 4 Stunden im Kühlschrank war.

100 ASA : 4 (2)
200 ASA : 8 (4)
400 ASA : 16 (7)
800 ASA : 31 (13)
1600ASA : 55 (24)

Dunkelbild bei 1/4000 s Belichtungszeit

100 ASA : 1 (1)
200 ASA : 1 (1)
400 ASA : 3 (3)
800 ASA : 5 (5)
1600ASA : 8 (8)

Gruß
Stuessi