Rauschen bei Bildern digitaler Kameras

Als Rauschen werden in der Technik die zufälligen Schwankungen bezeichnet, die einer eigentlich stabilen Größe überlagert sind. Wer in einiger Entfernung von der Stadt auf einem Hügel steht, hört keinen Lärm, sondern ein Rauschen - in diesem Fall die komplett zufällig Mischung aus sehr vielen Einzelgeräuschen. Der Vorgang als solcher ist zufällig (stochastisch). Das bedeutet, dass es völlig unmöglich ist vorherzusagen, wie sich das Geräusch im nächsten Moment verhalten wird.

Es lassen sich nur bestimmte  Aussagen etwa über Durchschnittswerte machen wie: "Morgens ist es lauter als nachts." Das Gegenteil von Rauschen sind strikt periodische Vorgänge wie Tag und Nacht, die Vorhersagen recht einfach machen. Wer glaubt, das Rauschen sei eine Erscheinung des digitalen Zeitalters, irrt: Auch das Korn des guten alten Silberfilms ist eine klassische Rauscherscheinung.

Wie entsteht das Rauschen?Das bei Digitalkameras auftretende Rauschen hat verschiedene Quellen.

1) Quantenrauschen

Elektrische Ladung und Licht kommen in Päckchen: Wenn der winzige Sensor einer kompakten Digitalkamera acht Millionen Pixel hat, ist für den einzelnen Pixel nicht mehr viel Platz übrig. Die Seitenlänge eines einzelnen Pixels beträgt zum Teil nicht einmal mehr 2 µm. Die Folge: Er muss sich mit winzigen Lichtmengen zufrieden geben. Und hier kommt die Quantenmechanik ins Spiel, denn wie Max Planck entdeckt hat, kommt das Licht in Paketen mit einer bestimmten Mindestgröße an, dem Photon (Welle/Teilchen-Dualismus). Das menschliche Auge kann übrigens im besten Fall schon ein einziges dieser, Photonen genannten, Lichtteilchen wahrnehmen. Das Photonenrauschen stellt die theoretisch erreichbare Untergrenze dar. Für die Bildqualität ist es jedoch fatal, wenn je Pixel nur noch wenige Photonen erfasst werden, da damit Störungen (Rauschen) eine größere Relevanz erhalten als bei hohen Photonenzahlen und entsprechend starken daraus abgeleiteten Signalen. Dieselbe Logik gilt fatalerweise auch für die Elektronen als Träger der elektrischen Ladung in allen Bauteilen der Digitalkamera. Weniger Ladung als ein Elektron geht nicht, und darum ist bei sehr kleinen Strömen, wie sie im CCD bei wenig Licht fließen, das Rauschen problematischer als bei großen Strömen. Nimmt man in beiden Fällen das gleiche Rauschen an, ist der Abstand Rauschpegel zu Signalpegel bei kleinen Strömen geringer als bei hohen Strömen.

2) Berauschende Technik

Auch die Verstärker haben ihr eigenes Rauschen: Wenn die Photonen in Leitungselektronen umgewandelt werden, ist deren Anzahl ein Maß für die Helligkeit der Belichtung. Die Ladungen werden über kleine Kondensatoren auf dem Chip gesammelt und in eine Spannung umgesetzt. Hier kommt eine Spezialität der CCDs ins Spiel:  Alle "Elektronen-Eimer" müssen vor jeder Bilderfassung geleert werden (Reset). Das geschieht aber nicht absolut gleichmäßig, und das Resultat der Restladung ist eine zufällige Schwankung im Ergebnis, genannt Reset-Noise. Durch ein doppeltes Auslesen vor und nach der Belichtung lässt sich diese Rauschquelle rechnerisch entschärfen.

Das nächste Problem betrifft den Dunkelstrom, denn auch bei ab-soluter Dunkelheit gibt ein Pixel Elektronen ab, für deren Entstehung Wärme und Defekte im Chip verantwortlich sind. Damit ist klar, dass die Herstellung und Konstruktion des CCDs hier großen Einfluss haben. Der Mittelwert des Dunkelstromes wird wiederum herausgerechnet, aber die Schwankungen tauchen als Dunkelrauschen auf. Hinzu kommt, dass auch die Verstärker ihr eigenes Rauschen haben: Beispielsweise muss in vielen Schaltungen auch dann ein Strom fließen, wenn kein Signal anliegt (Ruhestrom). Der erzeugt ein zusätzliches Rauschen.

3) Thermisches Rauschen

Wärme lässt die Teilchen tanzen. Eine weitere wichtige Quelle für Rauschen in elektronischen Geräten ist die Wärmebewegung der Elektronen in Leitermaterialien: Neben der Bewegung, die durch die Spannung verursacht wird (Drift), zappeln die Teilchen aufgrund der Wärmebewegung hin und her. Das ist physikalisch gegeben, und dagegen hilft nur kühlen. Wenn in einem Radioteleskop extrem geringe Strahlung entdeckt werden soll, kühlt man die Elektronik gerne mit flüssigem Stickstoff, denn bei -196 Grad Celsius oder 77 Grad Kelvin hat sich das thermische Rauschen gegenüber Zimmertemperatur auf ein Viertel verringert. Für den Alltagsbetrieb ist die Tiefkühl-Kamera aber wohl kaum zu gebrauchen.

4) Quantisierungsrauschen

Auch digital rauscht: Wenn die analogen Spannungswerte des CCDs in digitale Daten umgesetzt werden, muss ein Analog-Digital-Konverter ran. Der erzeugt eine eigene Art von Signalfehlern, die allerdings keine echten Zufallsprodukte sind. Wenn aber auch das Eingangssignal zufällige Anteile hat - wie bei jedem Analogsignal - machen sich diese Fehler als Schwankungen im Spannungswert bemerkbar. Sie werden als Quantisierungsrauschen bezeichnet und sind vor allem von der Auflösung (Anzahl der Bits) des AD-Konverters abhängig. Auch hier ist die Technik so weit entwickelt, dass das Quantisierungsrauschen keinen nennenswerten Beitrag zum Bildrauschen mehr leistet. Dafür steigt bei großen Chips der Takt, in dem die Pixel ausgelesen werden stark an. Diese hohen Frequenzen bringen neue Probleme: Sie können sich entweder direkt in die analogen Signale auf dem CCD mogeln (Übersprechen) oder indirekt über zufällige Taktschwankungen den Wandlungsvorgang beeinträchtigen (Clock-Jitter).

Kleine CCDs = hohes RauschenFür die CCD-Sensoren in der Digitalkamera bedeutet das: Viele Photonen, die ihrerseits in den einzelnen Pixeln viele Elektronen erzeugen und zu großen Signalen in den Verstärkern führen, verkleinern das Rauschen. Viele Photonen bekommt man über große Pixel, über lange Belichtungszeiten oder eine hohe Lichtintensität. Der aktuelle Trend zu kleinen Sensoren mit vielen Pixeln und hoher Empfindlichkeit führt also unweigerlich zu niedrigen Rauschabständen: Das Rauschen stört das Signal deutlicher, als dies bei einem stärkeren Signal der Fall wäre. Das war früher auch schon so: Die empfindlicheren Filme zeigen das gröbere Korn.

$umbruch$

Rauschunterdrückung per Software"Dann rechnen wir das eben einfach weg", sagen sich manche Kamerahersteller. In der Tat lassen sich mit Signalprozessoren und geschickten Rechenvorschriften Bilder nicht nur nachschärfen, sondern auch Rauschanteile unterdrücken. Im einfachsten Fall "glättet" der Hersteller das Bild mit einem Filter, der ähnlich einem Weichzeichner arbeitet: Alles, was sich von einem Pixel bis zum nächsten stark unterscheidet, wird als Rauschen interpretiert und geglättet. Aus harten Kanten werden weichere Übergänge, und feine Motivdetails fallen dieser Weichzeichnung ganz zum Opfer. Zudem enthalten manche Bildinhalte wie etwa eine grob verputzte Wand oder eine Asphaltstraße eine Struktur, die der Software-Algorithmus als "Motiv-Rauschen" gleich mitbeseitigt. Schlauer kann es ein Rauschunterdrücker machen, der auf die Eigenheiten der Technik eingeht: Je nach Licht- und Kontrastverhältnissen wird unterschiedlich gerechnet: Helle, kontrastreiche, im Sonnenschein liegende Bildbereiche werden vergleichsweise rauschfrei sein, da der CCD ein starkes Signal liefert. Hier kann der Rauschfilter außen vor bleiben. Dagegen fällt Rauschen in kontrastarmen dunklen Bereichen besonders stark auf. So stechen helle Punkte vor allem in dunk-len Bildpartien unangenehm ins Auge, während fehlende Details in diesen Bereichen leichter zu verschmerzen sind. Dementsprechend lassen die Hersteller ihre Rauschfilter genau diese Bereiche vordringlich bearbeiten - wobei in jedem Fall der Rauschfilter neben dem Rauschen auch feine Details abschwächt oder löscht.

Bei Aufnahmen unter mickrigem Licht senken deswegen einige Hersteller über eine intelligente Schaltung die Auflösung und erhöhen durch Pixel-Zuammenfassung die lichtempfindliche Fläche je Bildpunkt. Allerdings ist diese Art der Rauschbekämpfung weitgehend den Kameraherstellern vorbehalten. Wie die Algoritmen im Detail arbeiten, verraten die Hersteller nicht, man kann aber an  Hand der Bildresultate ahnen, wie es geht. Weil diese Berechnungen in programmierbaren DSPs stattfinden, kann ein Firmware-Update zudem das Verhalten der Kamera stark verändern.$umbruch$