Picture SNR 1.0.0

Picture SNRSeit 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.
     
    Um verschiedene ISO-Werte zu realisieren, wird das Bildsignal durch einen elektronischen Ver­stär­ker verstärkt. Da ein Verstärker aber nicht zwischen Nutzsignal und Rauschen unterscheiden kann, wird beides gleichermaßen verstärkt und es entsteht der Effekt des höheren Bild­rau­schens bei höheren ISO-Werten.

  • 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.
     
    Auch hier wird die Sichtbarkeit des Effektes durch das Einstellen höherer ISO-Werte verstärkt. Durch Abzug eines zeitnah erstellten Dunkelbildes kann der Dunkelstrom aber gut kompensiert werden.

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.
Um beim Fotografieren eine möglichst homogene Fläche zu erhalten, stellen Sie Ihre Kamera auf ma­nu­el­len Fokus und die Entfernung auf unendlich. Sollten Sie ein Zoomobjektiv verwenden, wählen sie die größte Brennweite. Benutzen Sie die Blendenvorwahl und dabei die größte Blende (kleinste Blendenzahl).
 
Die Ausleuchtung der Fläche sollte sehr homogen sein. Dazu kann man die Graukarte oder das Papier auf eine Fensterbank legen und darauf achten, daß der Fensterrahmen keine störende Schatten wirft. Lange Belichtungszeiten stören auch ohne Stativ kaum. Das Verwackeln unterstützt sogar die homogene Darstellung der Fläche. Sie müssen nur darauf achten, daß die Graukarte bzw. das Papier immer das gesamte Bild ausfüllt, und der Rand nicht in das Bild wandert.
 
Machen Sie nun Ihre Aufnahmen bei verschiedenen ISO-Werten ohne Belichtungskorrektur. Bei hö­he­ren ISO-Werten kann es sein, daß Sie die Blende weiter schließen müssen, um die kürzeste Be­lich­tungs­zeit nicht zu unterschreiten.

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.
 
Laden Sie nun eines Ihrer gemachten Bilder über den Menüpunkt "File/open picture" oder die Tas­ten­kom­bi­na­tion [Strg]+O. Haben Sie, wie beschrieben, das Programm zweimal geöffnet, öffnen Sie in der zweiten Instanz das Bild mit dem gleichen ISO-Wert einer anderen Kamera. Sie sehen nun fol­gen­de Werte:

  • 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.
         
        Zu beachten ist bei diesem Wert, daß er nur Vergleichbar zu anderen Bilder ist, wenn die Grundhelligkeit der Bilder auch gleich ist.

      • 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.