Alles was du über Bildrauschen & die ISO-Empfindlichkeit wissen musst [Fototipp 58]

In diesem Artikel erfährst du, was die ISO-Empfindlichkeit ist, wie es zu Bildrauschen kommt und was passiert dabei in der Kamera passiert?
Der Inhalt:

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In jedem Kameratest ist ein wichtiger Punkt das Bildrauschen. Immer wieder wird getestet, bis zu welchem ISO-Wert eine Kamera akzeptable Bilder liefert. Aber was ist die ISO-Empfindlichkeit, was ist Bildrauschen und was passiert dabei in der Kamera überhaupt?

Kurze Vorbemerkung
Ich betone immer wieder, wie wichtig es ist, rauszugehen und zu fotografieren. Was intern in der Kamera passiert, kann dir dabei egal sein. Willst du aber technisch einwandfreie Fotos schießen, schadet etwas Basiswissen nicht.

Was tatsächlich in der Kamera passiert, ist nicht ganz einfach und wohl eher etwas für Elektrotechniker (ich bin keiner) als für Fotografen, deshalb versuche ich nur die wichtigsten Dinge zu erklären und dies auch so einfach (vereinfacht), wie möglich.
Am Ende es Artikels habe ich weiterführende Quellen verlinkt, dort geht es an’s Eingemachte!

Was bedeutet ISO überhaupt?

Die ISO-Empfindlichkeit stammt noch aus der Zeit der analogen Fotografie und gibt an, wie empfindlich ein Film auf Licht reagiert.
Dabei gilt:

• Niedriger ISO-Wert = niedrige Empfindlichkeit, es ist also mehr Licht erforderlich, um den Film zu belichten.
• Hoher ISO-Wert = hohe Empfindlichkeit.

Standardisiert wurde das, damit du als Fotograf weißt, auf was du dich einlässt.
Die ISO-Empfindlichkeit von Digitalkameras ist an die Filmempfindlichkeit angelehnt.

Das heißt, egal mit welcher Digitalkamera (bzw. mit welchem Film) du fotografierst, bei gleichen Einstellungen (Blende, Belichtungszeit und ISO), sollte das Bild gleich hell sein (oder zumindest ähnlich).

So funktioniert ein Bildsensor

Einfach ausgedrückt besteht ein Bildsensor aus vielen einzelnen Pixeln, die eine Spannung abgeben, sobald Photonen (Licht) auf sie fallen.
Diese Spannung durchläuft dann einen Verstärker und wird anschließend von einem Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) in digitale Daten übersetzt. Die Daten landen daraufhin im Bildprozessor und von dort auf deiner Speicherkarte.

Das passiert, wenn du die ISO-Empfindlichkeit änderst

Vielleicht ahnst du es schon, änderst du die ISO-Empfindlichkeit an deiner Kamera, dann fängt diese nicht plötzlich mehr oder weniger Photonen (Licht) ein. Nein, du änderst schlicht und einfach den Grad der Verstärkung der erzeugten Spannung. Bei Videokameras spricht man hier auch von Gain.

Die Lichtmenge, die auf den Sensor fällt, steuerst du mit der Blende und der Belichtungszeit.

Das Signal kann entweder analog verstärkt werden, bevor die Daten durch den A/D-Wandler rutschen oder es wird digital im Bildprozessor verstärkt.
Wie das bei einzelnen Kameras tatsächlich funktioniert, wissen nur die Hersteller. Schlussendlich ist es aber auch egal, ich vertraue darauf, dass die Ingenieure in der Entwicklungsabteilung wissen, was sie tun.

Und wo kommt das Bildrauschen her?

Du weißt jetzt, dass auftreffendes Licht auf den einzelnen Pixeln eine Spannung erzeugt. Leider machen das nicht nur die Photonen. 🙁
Eine Spannung wird auch erzeugt, wenn

• der Sensor zu warm wird,
• radioaktive Strahlung auftrifft,
• kosmische Strahlung auftrifft
• und durch elektromagnetische Strahlung benachbarter Bauteile usw. …

Auch der analoge Verstärker hinter den einzelnen Pixeln fügt sein eigenes Rauschen hinzu.

Natürlich machen diese Fehlsignale nur einen Bruchteil der gesamten Spannung aus – sonst hätten wir an der Fotografie keinen Spaß! 🙂

Bei Langzeitbelichtungen nimmt das Rauschen allerdings tatsächlich zu, ganz einfach, weil mehr Zeit bleibt, sich Fehlsignale einzufangen. Doof, ich weiß!

Mehr Bildrauschen bei höherer ISO-Empfindlichkeit

Das Bildrauschen wird also immer von den gleichen Dingen verursacht und ist dementsprechend mehr oder weniger konstant.

Erhöhst du die ISO-Empfindlichkeit bei gleichen Bedingungen, muss gleichzeitig die Blende geschlossen oder die Belichtungszeit verkürzt werden, sonst bekommst du ein überbelichtetes Foto.
Es fällt also weniger Licht auf die einzelnen Pixel, die Anzahl der »echten« Signale ist kleiner, das Rauschen bleibt aber konstant.
Jetzt wird die Summe der echten Signale mit den Rauschsignalen verstärkt und schon hast du mehr Rauschen im Bild.

Hier eine Grafik, um das Gesagte zu verdeutlichen:

 

Beispiele: Die ISO-Empfindlichkeit ändern

Nach so viel Theorie, will ich dir all das in der Praxis zeigen. Die Testbilder schoss ich mit der Sony Alpha 77 II.
Als Referenztestbild soll uns dieses Bild mit ISO 200 dienen:

Beispiel 1: Niedriger ISO (200) vs. hoher ISO (25.600)

Um dir zu verdeutlichen, was Rauschen überhaupt ist und was passiert, wenn du die ISO Empfindlichkeit zu weit erhöhst, hier 2 Beispiele.
Links: ISO 200 8 Sek. f/11
rechts: ISO 25.600 1/15 Sek. f/11

Beispiel 2: ISO in der Kamera erhöhen vs. bei der Nachbearbeitung die Belichtung erhöhen

Da die Verstärkung des Signals auch digital ablaufen kann, habe ich das Ganze in Lightroom simuliert. Dazu schoss ich 2 Bilder mit unterschiedlichen ISO-Werten, sonst aber identischen Einstellungen.
Links: ISO 1600 1 Sek. f/11 (korrekt belichtet)
Rechts: ISO 200 1 Sek. f/11 (unterbelichtet)

Anschließend habe ich das unterbelichtete Bild in Lightroom so weit aufgehellt (Belichtung +2.85), dass es korrekt belichtet ist.
Aber beurteile einfach selbst, links ein Ausschnitt aus dem ISO 1600 Bild, rechts das aufgehellte Foto mit ISO 200.

Krass, oder? Ich sehe da keinen Unterschied.

Zur Sicherheit führte ich den Test auch mit ISO 6400 und ISO 200 durch. Hier liefert die kamerainterne Verarbeitung ein besseres Ergebnis.

Was ist der erweiterte ISO?

Wir wissen nicht, was genau in der Kamera geschieht, wenn wir die ISO-Empfindlichkeit erhöhen – das ist ein Betriebsgeheimnis. Es kann digital und/oder analog verstärkt werden. Es können einzelne Tonwerte unterschiedliche verstärkt werden usw. …
Deshalb lässt sich auch nicht genau sagen, was der erweiterte ISO-Bereich ist.
Ich konnte dazu nirgends eine eindeutige Aussage finden.

Meine persönliche Definition des erweiterten ISO

Erweiterter ISO nach oben

Bei der erweiterten ISO-Empfindlichkeit nach oben ist es relativ einfach. Das wird nur für die Marketingabteilung gemacht, damit die mit astronomisch hohen Werten protzen kann, auch wenn Fotos mit diesen Werten absolut unbrauchbar sind.

Wie die Verstärkung dabei abläuft, ist zweitrangig. Fotografieren am oberen Ende der ISO-Empfindlichkeit solltest du um jeden Preis vermeiden.

Erweiterter ISO nach unten

Beim erweiterten ISO nach unten wird es jedoch spannend.
Für mich heißt das, dass die Spannung aus den Pixeln nicht verstärkt sondern verringert wird.
Es wird also ein überbelichtetes Bild aufgenommen, welches dann so weit abgedunkelt wird, dass die Belichtung stimmt.

Das Gute daran, du kannst länger belichten, ohne einen ND-Filter zu nutzen.

Schlecht ist, dass du ggf. den Dynamikumfang des Bildes beschneidest.
Wenn die Pixel eigentlich ein überbelichtetes Bild liefern, kann es passieren, dass die Lichter (hier spreche ich von den Tonwerten, engl. Highlights) ausgefressen sind. Man spricht dann von Clipping.
Das bedeutet, dass in diesen Bereichen alles total weiß ist und somit keine Bildinformation mehr vorhanden ist.
Wird das Bild abgedunkelt, erscheint die weiße Fläche grau, weitere Details werden nicht sichtbar.

In dem Fall wäre es besser gewesen, mit einer höheren ISO-Empfindlichkeit zu fotografieren, bei der das Signal nicht heruntergerechnet werden muss und dafür kürzer zu belichten.

Beispiel:

Das sind 2 extrem überbelichtete Fotos, die ich im Nachhinein mit Lightroom korrigiert habe.
Links: IS0 200 0,8 Sek. f/11
Rechts ISO 50 3,2 Sek. f/11

Am Glanzpunkt des Apfels, aber auch an der Banane kannst du schön sehen, dass sich bei ISO 200 mehr aus dem Bild herausholen ließ, als bei erweiterten ISO 50.

Kurz gesagt:
Nutze den erweiterten ISO-Bereich nur im Notfall.

Unabhängig vom erweiterten ISO gilt das Gesagte auch für abgesoffene Tiefen. Hast du Bereiche im Bild, die so dunkel sind, dass der Sensor reines Schwarz aufzeichnet, kannst du durch Erhöhen des ISO-Werts dort keine Details sichtbar machen.

So vermeidest du Bildrauschen

Bildrauschen vermeidest du am effizientesten, wenn du in kürzester Zeit, möglichst viel Licht mit dem Sensor einsammelst,

1. dann hat das Rauschen wenig Zeit, um überhaupt zu entstehen und
2. die erzeugte Spannung muss nicht oder nur wenig verstärkt werden.

In der Praxis heißt das:

• Öffne die Blende, soweit es dein Motiv zulässt.
• Leuchte dein Motiv so gut wie möglich aus.
• Fotografiere mit einem großen Sensor.

Bildrauschen entfernen

Leider ist es nicht immer möglich, kurz zu belichten oder mit niedriger ISO-Empfindlichkeit zu fotografieren.
Das dadurch entstandene Rauschen kannst du mit verschiedenen Softwarelösungen reduzieren. Sei dir aber bewusst, dass sich das immer auf die Schärfe deines Bildes auswirkt.
Zum Entrauschen nutze ich hauptsächlich das Lightroom Plug-in PerfectEffects. Damit kann ich gezielt nur die Tiefen entrauschen. Das sind die Bildbereiche, in denen das Rauschen am sichtbarsten ist.
Sehr gute Ergebnisse bekommst du auch mit Define 2, einem Tool der freien NIK-Collection.
Reines Farbrauschen kannst du auch mit Lightroom gut entfernen.

Die kamerainterne Rauschunterdrückung bei Langzeitbelichtungen

Wahrscheinlich hat deine Kamera eine spezielle Funktion, um das Rauschen bei Langzeitbelichtungen zu unterdrücken. Bei meinen Sonys heißt der Menüpunkt dafür »Long Exposure NR«.
Diese Funktion wird aktiviert, sobald du länger als 1 Sek. belichtest.
Deine Kamera nimmt dann 2 Bilder auf, einmal das eigentliche Motiv und das 2. Bild mit geschlossenem Verschluss, sonst aber identischen Einstellungen.
Mit dem 2. Bild erkennt die Kamera sogenannte Hotpixel. Das sind Fehlsignale, die immer da sind. Diese können dann aus dem 1. Bild herausgerechnet werden.

Hier von Rauschunterdrückung zu sprechen ist also nicht 100%ig korrekt, denn Rauschen ist zufällig. Aber egal, diese Technik funktioniert und erfüllt ihren Zweck. Einziger Nachteil: Es dauert doppelt so lange, bis dein Bild im Kasten ist. Ich habe die Funktion bei mir abgeschaltet.

Selbstverständlich kannst du die kamerainterne Rauschunterdrückung auch selbst per Software durchführen.

Multi Frame Noise Reduction oder Median Stacking

Eine andere Möglichkeit wäre Median Stacking.
Dabei nimmst du mehrere Bilder desselben Motivs auf und verrechnest diese mittels Median Stacking.
Das geht mit Photoshop aber auch mit GIMP und Co.

Der Vorteil dieser Methode:
Beim Median Stacking errechnet die Software den Durchschnitt der Farbwerte jedes einzelnen Pixels der einzelnen Bilder.
Da Rauschen zufällig ist, rauscht jedes Einzelbild anders und das Bildrauschen im Ergebnis nimmt ab, je mehr Einzelbilder du der Software fütterst.

Sony Kameras haben diese Funktion eingebaut, dort heißt sie »Multi Frame Noise Reduction«.

Wie du siehst, ist das Entrauschen deiner Bilder eine Wissenschaft für sich. Besser du achtest beim Fotografieren darauf, dass erst gar nicht übermäßig viel Rauschen entsteht.

Zusammenfassung

Ein Bildsensor wandelt Licht in elektrische Spannung um. Mit der ISO-Empfindlichkeit deiner Kamera regelst du, wie stark diese Spannung verstärkt wird.
Sowohl beim Sammlen des Lichts als auch bei der Verstärkung entstehen Fehler, diese sind im Bild als Rauschen sichtbar.

Möglichst rauschfreie Fotos schießt du, wenn dein Sensor möglichst viel echtes Licht im Verhältnis zu den Fehlsignalen einsammelt.

Gute Quellen zur Sensortechnik und zur ISO-Empfindlichkeit

Ich bin kein Elektrotechniker, deshalb kann es sein, dass ich manche Dinge etwas »unscharf« erklärt habe. Falls du dich weiter mit der Sensortechnik und der internen Verarbeitung beschäftigen willst, habe ich hier etwas Lesestoff für dich:

• All you need to know about noise
• Sensorempfindlichkeit ISO bei Digitalkameras
• Bildsensor bei Wikipedia
• D7000 sensible sensor data
• Native VS Extended ISO range (nur die Kommentare)
• Does Pixel Size Matter?

Über Fototipp

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