Picture SNR 1.0.0
Seit dem Aufkommen der Digitalkameras wird immer wieder das Rauschverhalten verschiedener Kameras verglichen. Nur durch das Betrachten der Bilder ist es aber schwer, Unterschiede im Bildrauschen bei ähnlichen Aufnahmeeinstellungen zu finden. Was liegt also näher, als die Analyse einem Programm zu überlassen? Aber zuvor ein kleiner Ausflug in die Physik des Rauschens.
Was ist Rauschen?
Rauschen ist allgemein gesagt eine Störgröße, die sich in der Elektronik durch unregelmäßige Schwankungen der Stromstärke und der Spannung bemerkbar macht. Misst man immer wieder dasselbe Signal, erhält man Werte, die um einen Mittelwert schwanken. Je stärker die Schwankungen sind, desto stärker ist das Rauschen. Das Bildrauschen von Digitalkameras hat zwei Ursachen:Thermisches Rauschen
Das, was in den meisten Füllen als Bildrauschen war genommen wird, ist das Wärmerauschen. Dieses Rauschen entsteht durch thermische Bewegungen der Ladungsträger und wird hauptsächlich im Bildsensor, auf Grund seiner geringen Größe, erzeugt. Aber auch alle anderen Leitungen und Bauelemente bis zur Analog- Digitalwandlung tragen zum Rauschen bei. Das Rauschen der Bauelemente, inklusive des Bildsensors, hängt nur von ihren physikalischen Parametern und der aktuellen Betriebstemperatur ab.Dunkelstrom
Der Dunkelstrom ist eine physikalische Eigenschaft der einzelnen Elemente des Bildsensors. Durch Tunneleffekte und Generations-Rekombinationsrauschen entstehen in den einzelnen Sensorelementen elektrische Ladungen, die messbare Bildsignale ergeben. Allerdings ist dieser Effekt so gering, dass er nur bei Belichtungszeiten ab dem Sekundenbereich sichtbar wird. Jedoch je höher die Betriebstemperatur des Sensors ist, desto stärker ist der Effekt und desto früher ist er zu sehen.
Vergleich des Rauschverhaltens verschiedener Kameras
Um verschiedene Kameras und damit verschiedene Bilder zu vergleichen, muß man die Bilder unter identischen Bedingungen mit dem gleichen ISO-Wert aufnehmen. Das Programm analysiert die Bilder, indem es die Unterschiede jedes Pixels zu seinen Nachbarn betrachtet. Dazu werden die drei RGB-Kanäle und der L*-Kanal aus dem L*a*b*-Farbraum herangezogen. Dabei wird angenommen, daß die RGB-Werte im sRGB-Farbraum vorliegen. Das hat zur Folge, daß strukturierte Motive auch zum gemessenen Rauschen beitragen. Am Besten ist es daher, Bilder ohne Struktur zu fotografieren. Zwei Möglichkeiten bieten sich dazu an:
Graukarte
Ein Graukarte ist die beste Möglichkeit, ein Bild zu erzeugen, mit dem man das Rauschen analysieren kann. Die Oberfläche ist sehr homogen und die Belichtungsmessung der Kameras ist darauf ausgelegt, dieses grau als mittleres grau darzustellen.Papier
Weißes Papier ist ähnlich verwendbar, wie eine Graukarte. Optische Aufheller, die manche Papiere enthalten, wirken sich in diesem Fall nicht so problematisch aus, wie beim Weißabgleich über solches Papier. Am besten eignet sich weißer Zeichenkarton.
Auswertung
Haben Sie mit allen Kameras bei allen ISO-Werten, die Sie vergleichen wollen, die Bilder gemacht, können Sie mit der Auswertung beginnen. Starten Sie dazu das Programm Picture SNR. Zum direkten Vergleich zweier Bilder können Sie das Programm auch zweimal starten. Um die Anzeige zu optimieren, minimieren Sie alle anderen eventuell offenen Fenster. Dann klicken Sie mit der rechten Maustaste auf einen freien Bereich auf der Taskleiste und wählen den Punkt "Fenster nebeneinander anzeigen". Danach füllen die beiden Instanzen des Programms den Bildschirm optimal aus.Picture
Hier stehen die Abmaße des Bildes und die Position der linken oberen Ecke, sollte das Register einer Region angezeigt werden. Beim ganzen Bild auf dem ersten Register ist die Position immer Null.Kanäle
Die Einzelkanäle enthalten zwei Bereiche:Numerische Angabe
Hier werden drei Werte angezeigt:S/N ratio
Das ist der Signal- Rauschabstand. Er wird in diesem Programm über
10 * lg(S mean / N mean)
berechnet und wird in dB angegeben.S mean
Hier wird die Signalstärke angegeben. Dazu werden alle Werte eines Kanals addiert und durch die Anzahl der Werte geteilt.N mean
Unter diesem Punkt findet man die Stärke des Rauschens. Dieser Wert wird berechnet, indem das Programm zu jedem Bildpunkt den Betrag jeder Differenz zu jedem Nachbarpunkt aufsummiert und durch die Anzahl der Differenzen teit.
Grafische Darstellung
In der Grafik wird die prozentuale Verteilung des Bildrauschens über die möglichen Werte dargestellt. Der Wertebereich bewegt sich von 0 für kein Rauschen bis 255 für maximales Rauschen. Wobei der höchste Wert den Unterschied zwischen tiefstem Schwarz und hellstem Weiß kennzeichnet.
In den überlagerungen der Einzelkanäle RGB L* und RG GB BR entfüllt die Anzeige der numerischen Werte.R, G und B
Die ersten drei Grafiken zeigen die drei RGB-Kanäle. Diese Werte zeigen nicht das Farbrauschen, sondern nur das Rauschverhalten der einzelnen Kanäle.L*
Dieser Kanal ist der Helligkeitskanal aus dem L*a*b*-Farbraum und dient zur Analyse des Helligkeitsrauschens.RGB L*
Hier werden die RGB-Kanäle und der L*Kanal übereinander dargestellt. Damit lassen sich die einzelnen Kanäle optisch besser vergleichen.RG, GB und BR
Diese drei Kanäle zeigen das Verhältnis des Rauschens aus den drei RGB-Kanälen zueinander und entsprechen dem Farbrauschen.RG GB BR
Auch diese drei Kanäle werden zum besseren Vergleich nochmal übereinander angezeigt.
Weitere Möglichkeiten
Regionen
Um Messungen in Bilder mit Motiven vornehmen zu können, können Sie einzelne Regionen auswählen, die dann separat analysiert werden. Klicken Sie dazu mit der linken Maustaste in das Bild und ziehen Sie bei gedrückt gehaltener Taste einen Rahmen. Dei Analyse diese Bereiches wird dann in einem weiteren Register angezeigt. Sie können auch mehrere Regionen anlegen und die Größe und Position ändern.
Weitergabe
Um ein Bild samt Regionen weiterzugeben, speichern Sie Ihre Analyse unter dem Menüpunkt "File/save project with picture". Die gespeicherte Datei können Sie dann z.B. mit einer EMail verschicken.