Bildrauschen

Bildrauschen sind zufällige Helligkeits- und Farbschwankungen im Bild, die nicht zum aufgenommenen Motiv gehören. Sie entstehen an mehreren Stellen auf dem Weg vom Objektiv zu Deiner Leinwand — in der Kamera, im Filmmaterial, in der Postproduktion und bei der Kompression —, und sie sehen je nach Ursache verschieden aus. Für die Wiedergabe zählt vor allem, was beim Herausrechnen passiert: Ein Rauschfilter kann eine Störung von einer feinen Struktur nicht sicher unterscheiden.

Ausführliche Erklärung

Wo das Rauschen herkommt

Vier Stellen im Weg vom Motiv zum Bildgerät fügen dem Bild Zufall hinzu.

Die Kamera. Licht kommt in einzelnen Portionen am Sensor an, und wie viele davon in der Belichtungszeit auf einen Bildpunkt fallen, schwankt. Bei viel Licht bleibt diese Schwankung gegenüber der Gesamtmenge klein; bei wenig Licht macht sie einen erheblichen Anteil der Messung aus. Dazu kommen Beiträge des Sensors selbst und seiner Ausleseelektronik. Wer die Empfindlichkeit hochstellt, verstärkt das schwache Signal samt seiner Schwankung — daher der bekannte Zusammenhang zwischen hohem ISO-Wert und sichtbarem Rauschen. Für die Rauschkennwerte solcher Kameras gibt es veröffentlichte Messverfahren; die Zahlen daraus stehen allerdings in den Datenblättern von Fernsehern und Projektoren nicht.

Das Filmmaterial. Analoger Kinofilm bringt sein eigenes Muster mit. Es entsteht bei Belichtung und Entwicklung der in der Fotoemulsion verteilten Silberhalogenidkristalle: Die Körner bilden sich dort, wo Silberkristalle entstanden sind, und liegen damit zufällig im Bild.

Die Postproduktion. Digitalkameras erzeugen dieses Korn nicht. Es wird dem aufgenommenen Material in der Nachbearbeitung häufig zugesetzt, um den Filmlook herzustellen — bei einem Kinofilm ist das Korn also oft eine gestalterische Entscheidung.

Die Übertragung. Skalierung und Kompression fügen eigene Muster hinzu, die dem Korn ähneln können, ohne aus der Aufnahme zu stammen.

Drei Arten, die verschieden aussehen

Sensorrauschen ist von Bildpunkt zu Bildpunkt unabhängig und wechselt mit jedem Einzelbild. Es wirkt fein und punktförmig, sitzt am stärksten in dunklen Bildteilen und in schwach ausgeleuchteten Szenen, und es hat andere Eigenschaften als Filmkorn.

Filmkorn ist räumlich zusammenhängend — ein Korn kann größer sein als ein einzelner Bildpunkt — und von Bild zu Bild unabhängig. Es wirkt gröber und gleichmäßiger über die Fläche verteilt als Sensorrauschen. Der entscheidende Unterschied liegt allerdings woanders: Filmkorn gehört häufig zur gestalterischen Absicht und soll bei der Codierung erhalten bleiben. Es ist Bildinhalt, kein Defekt.

Kompressionsartefakte haben eine andere Ursache. Sie stammen aus dem Rundungsfehler der Quantisierung im Codec und sitzen deshalb an vorhersagbaren Stellen: als sichtbare Kanten an den Rändern der Transformationsblöcke und als flirrender Saum entlang kontrastreicher Kanten, für den sich der Ausdruck Moskitorauschen eingebürgert hat. Die Codecs kennen dagegen eigene Werkzeuge — einen Filter über die Blockgrenzen, der die Blockkanten glättet, und einen gerichteten Filter gegen das Flirren an Kanten. Woran Du diese Art erkennst: Sie flimmert nicht gleichmäßig über die Fläche, sondern folgt dem Blockraster und den Konturen im Bild, und sie wird schlagartig deutlicher, wenn die Datenrate knapp wird. Wie eine solche Datenrate zustande kommt, führen die Bildtypen der Videokompression und die Seite zu Bitrate und Datenrate aus.

Warum Rauschen die Datenrate kostet

Zufall lässt sich schlecht komprimieren. Ein Codec lebt davon, das nächste Bild aus dem vorigen vorherzusagen und nur die Abweichung zu übertragen — und Rauschen ist genau der Teil des Bildes, der sich nicht vorhersagen lässt. Die Bewegungsschätzung wird ungenauer, und der Rest, der nach der Vorhersage übrig bleibt, enthält bei Bewegungskompensation Rauschen mit der doppelten Varianz des Korns. Um ein gekörntes Bild sauber zu rekonstruieren, sind deshalb oft unwirtschaftlich hohe Datenraten nötig.

Daraus wird ein Kreis, den Du auf der Leinwand siehst: Verrauschtes Material verbraucht Bits für die Störung, und was dann fehlt, fehlt dem Rest des Bildes — die Blockstruktur wird sichtbar, gerade in dunklen und bewegten Szenen.

Moderne Codecs lösen das, indem sie den Zufall gar nicht erst übertragen. Andrey Norkin bei Netflix und Neil Birkbeck bei Google haben das Verfahren 2018 auf der Data Compression Conference für AV1 vorgestellt: Der Encoder entrauscht das Material, beschreibt das entfernte Korn durch wenige Parameter und schickt diese Beschreibung mit; der Decoder erzeugt daraus ein passendes Korn und legt es über das fertige Bild. Für Material mit starkem Korn nennen die beiden als vorläufiges Ergebnis Einsparungen von bis zu 50 Prozent. In AV1 müssen alle Decoder dieses Werkzeug beherrschen, während H.264 und HEVC es nur als optionale Zusatzinformation kennen, die Decoder selten auswerten. Was Du in einem solchen Stream als Korn siehst, ist also nachgebildet und stimmt im Muster, ohne Bildpunkt für Bildpunkt dem Original zu entsprechen.

Warum Rauschminderung immer Detailverlust abwägt

Ein Rauschfilter mittelt über benachbarte Bildpunkte oder über aufeinanderfolgende Bilder und glättet damit, was sich zufällig ändert. Feine Bildstruktur ist ebenfalls kleinteilig und kontrastarm — Hautporen, Haare, Gewebe, Putz, Laub. Für den Filter sehen beide gleich aus, und jedes Gramm Glättung geht auf beide Konten.

Wie ernst diese Grenze ist, zeigt der Bau der Codecs selbst. Der Filter über die Blockgrenzen in AV1 arbeitet als Tiefpass und würde eine echte Kante weichzeichnen; deshalb erkennt eine vorgeschaltete Prüfung starke Signalsprünge und schaltet ihn dort ab. Der Filter gegen das Flirren an Kanten arbeitet aus demselben Grund nur entlang der erkannten Vorzugsrichtung und in engen Grenzen. Und die Urheber der Kornsynthese halten ausdrücklich fest, dass ein solcher Filter gegen Kantenflirren das Filmkorn zusätzlich unterdrücken kann. Ein Werkzeug gegen Störungen räumt also gewollte Textur mit weg, und die Fachleute, die es gebaut haben, bauen Sicherungen dagegen ein.

Am Bildgerät begegnet Dir dieselbe Abwägung in drei Richtungen.

Zu viel Rauschminderung glättet Gesichter, nimmt Haaren, Stoffen und Mauerwerk die Zeichnung und lässt Bewegtes bei zeitlich arbeitenden Verfahren nachziehen. Bei Filmmaterial verschwindet zusätzlich das Korn, das zum Bild gehören sollte.

Zu wenig Rauschminderung wirkt sich auf alles aus, was danach im Signalweg kommt: Schärfung und Hochrechnung heben das Rauschen mit an. Warum das auf großen Bildflächen stärker auffällt als auf dem Fernseher und warum die Reihenfolge der Rechenschritte darüber mitentscheidet, führt die Bildskalierung aus.

Der falsche Regler bringt am wenigsten. Ein Filter gegen körniges Rauschen wirkt gegen Blockkanten kaum, weil deren Ursache eine andere ist — deshalb führen bessere Bildgeräte getrennte Regler für körniges Rauschen, für Blockartefakte und für Moskitorauschen an Kanten.

Eine Einstellung, die immer gilt, gibt es damit nicht. Wie viel Rauschminderung vertretbar ist, hängt am Material — knapp komprimierter Stream oder saubere Disc, digital gedreht oder auf Film —, an der Bildbreite, am Sitzabstand und daran, ob Du ein ruhiges oder ein detailreiches Bild vorziehst. Die Kalibrierung setzt hier ihren Ausgangspunkt und keine Zielmarke; wie sie vorgeht, steht bei der Bildkalibrierung.

Häufiges Missverständnis

„Rauschen im Bild ist immer ein Fehler." Für Sensorrauschen und für Kompressionsartefakte stimmt das. Filmkorn ist der Gegenfall: Es gehört häufig zur gestalterischen Absicht und wird digital gedrehtem Material in der Nachbearbeitung sogar absichtlich zugesetzt. Ein Gerät, das jedes Korn wegrechnet, entfernt damit etwas, das zum Bild gehören sollte. Der Prüfsatz dafür ist einfach: Wirkt das Bild nach der Einstellung ruhiger — oder nur glatter?

„Ein besserer Fernseher rauscht weniger." Das Rauschen steckt bereits im Signal, bevor das Bildgerät es bekommt. Ein Bildgerät kann es mindern oder verstärken, aber nicht ungeschehen machen. Und weil dieselbe Störung auf einer drei Meter breiten Leinwand deutlich größer ankommt als auf einem 1,20 Meter breiten Fernseher, kann ein hochwertigeres, größeres Bild zunächst unruhiger wirken als das kleine davor. Der erste Ansatzpunkt liegt deshalb bei der Zuspielung.

Nicht zu verwechseln mit

• Rauschabstand: dasselbe Wort, eine andere Sache. Der Rauschabstand ist eine elektrische Verhältnisangabe in Dezibel und beschreibt, wie weit das Nutzsignal eines Geräts der Tonkette über dessen Restrauschen liegt. Er sagt nichts über das Bild aus. Wer im Datenblatt eines AV-Receivers einen Rauschabstand findet, liest eine Tonangabe.
• Banding: sichtbare Stufen in weichen Verläufen, die aus zu wenigen Helligkeitsstufen entstehen. Banding ist regelmäßig und steht still, Rauschen ist zufällig und flimmert. Interessant ist die Gegenrichtung: Beim Dithering wird einem Signal gezielt feines Rauschen zugesetzt, um die Stufenkanten aufzubrechen.
• Bildskalierung: verstärkt vorhandenes Rauschen beim Hochrechnen und bringt eigene Rechenfehler mit, erzeugt aber selbst kein Rauschen.
• Lüftergeräusch des Projektors: im Heimkino heißt „Rauschen" umgangssprachlich oft das Betriebsgeräusch im Raum. Das ist ein akustischer Pegel und gehört zum Grundgeräuschpegel.

In der Planung

Ein Heimkino mit 2,80 Metern Bildbreite läuft seit einem halben Jahr. Der Kunde meldet, das Bild wirke bei Serien aus dem Streaming unruhig und grieselig, während dieselbe Anlage bei der UHD-Blu-ray ruhig aussieht.

Zuerst die Frage nach der Ursache, denn Raum, Projektor und Sitzabstand sind in beiden Fällen dieselben. Übrig bleibt die Zuspielung, und damit liegt der Verdacht bei der Kompression. Bestätigen lässt sich das am Erscheinungsbild: Sitzen die Störungen entlang der Konturen und in einem groben Raster, sind es Kompressionsartefakte; grieselt es gleichmäßig über die ganze Fläche, kommt das Rauschen aus der Aufnahme.

Daraus folgt die Reihenfolge der Verfahren. An der Quelle beginnen — eine höhere Qualitätsstufe im Abo, eine kabelgebundene statt drahtlosen Anbindung, gegebenenfalls eine andere Anwendung für denselben Dienst. Eine Störung, die gar nicht erst entsteht, muss später niemand herausrechnen, und jede Rauschminderung kostet Detail. Erst danach die Regler am Bildgerät, einzeln und in kleinen Schritten, jeder geprüft an einer schwierigen Stelle: eine dunkle Szene mit Nebel oder Nachthimmel, ein Gesicht in Großaufnahme, ein Abspann mit feiner Schrift. Wer den Regler gegen körniges Rauschen aufdreht, um Blockkanten loszuwerden, verliert Zeichnung und behält die Kanten.

Geräte kommen zuletzt. Bleibt nach diesen Schritten ein sichtbarer Rückstand — vor allem bei altem Fernsehmaterial und bei knapp komprimierten Streams —, ist ein Gerät mit stärkerer Bildaufbereitung im Signalweg die nächste Stufe; woran sich das entscheidet, führt die Seite zum externen Videoprozessor aus.

Verknüpfte Inhalte

Warum Rauschen beim Hochrechnen mitverstärkt wird und weshalb die Rauschminderung im Signalweg davor steht, steht bei der Bildskalierung. Wie aus zu wenigen Helligkeitsstufen die regelmäßigen Streifen in Verläufen entstehen und warum ihnen mit zugesetztem Rauschen begegnet wird, erklärt Bittiefe und Quantisierung im Videosignal. Woher die knappen Datenraten kommen, an denen Kompressionsartefakte sichtbar werden, führen Bitrate und Datenrate und die Bildtypen der Videokompression aus; welche Verfahren dahinterstehen, der Videocodec. Warum Rauschen in dunklen Szenen zuerst auffällt, hängt am Schwarzwert. Und dass dasselbe Wort in der Tonkette etwas anderes bezeichnet, führt der Rauschabstand aus.

Quellen

Entstehung und Eigenschaften von Filmkorn, die Abgrenzung zum Sensorrauschen, der Aufwand, den Zufall zu codieren, und das Verfahren, Korn vor der Codierung zu entfernen und im Decoder wieder zuzusetzen, stammen aus der Arbeit zur Kornsynthese für AV1. Die Werkzeuge gegen Blockkanten und Kantenflirren sowie die eingebauten Sicherungen gegen Weichzeichnen echter Kanten stammen aus dem technischen Überblick zum AV1-Codec. Dass die Rauschkennwerte von Kameras genormt gemessen werden, belegen die beiden genannten Normen.