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Rausch-Gift

Bilder unter Linux entrauschen

29.11.2008 Wirken die Bilder Ihres letzten Urlaubs matschig und unstrukturiert? Wahrscheinlich hat Ihre Kamera bei der Rauschentfernung etwas übertrieben. Besser, Sie erledigen das zukünftig selbst.

Als Rauschen bezeichnet man allgemein die Überlagerung des Nutzsignals mit einer unerwünschten Störung. Das betrifft alle Arten von Signalträgern, wie Musik und Video oder eben Bildaufnahmen. Bei Digitalbildern gibt es prinzipbedingt mehrere Quellen des Rauschens, der Kasten "Rauschen von Bildsensoren" gibt darüber Auskunft.

Das Rauschen steigt speziell bei hoher Empfindlichkeit und großer Pixeldichte dramatisch an, also bei kleineren Sensorelementen. Dementsprechend steuern Sie hier schon bei der Aufnahme entgegen, indem Sie eine möglichst niedrige ISO-Einstellung verwenden. Reicht das Licht dafür nicht aus, verwenden Sie ein Stativ oder eine Unterlage, um längere Belichtungszeiten zu ermöglichen.

Sinnvoller ist es natürlich, bereits beim Kamerakauf diese Problematik zu berücksichtigen. Die billige Lösung: Ersteigern Sie bei eBay eine 3- bis 5-Megapixel-Kamera. Die tatsächlich notwendige Pixelanzahl überschätzen viele Hobbyfotografen maßlos, denn selbst für Bilder im Format 30 x 40 cm genügen im Grunde drei Megapixel: Man betrachtet diese Bilder üblicherweise nicht aus nächster Nähe, beim Ausdruck genügt eine vergleichsweise niedrigere Auflösung. Außerdem lösen auch die Objektive, etwa von 12-Megapixel-Kompaktkameras, nicht höher auf als die von 5-Megapixel-Kameras.

Die teurere Lösung sind digitale Spiegelreflexkameras, die im Vergleich zu Kompakt- und Bridge-Kameras einen um den Faktor 10-12 größeren Bildsensor besitzen, womit sich das Rauschen erst bei wesentlich höheren höheren Empfindlichkeitseinstellungen störend auswirkt.

Rauschen von Bildsensoren

Sensoren auf Basis von CCDs (Charge coupled device) und CMOS (Complementary metal oxide semiconductor) wandeln Licht in elektrische Signale um. Wegen der geringen Größe der Sensorelemente muss dabei ein Verstärker die sehr kleinen elektrischen Ladungen erhöhen, die das auftreffende Licht in den Elementen erzeugt. Je kleiner das Sensorelement, desto schwieriger geringer fällt der Unterschied zwischen einer echten Ladung – also einem Signal – und zufälligen Ladungen etwa durch thermische Prozesse aus. Verwendet der Fotograf darüber hinaus hohe Bildempfindlichkeiten, fällt noch weniger Licht auf die Sensoren.

Letztlich führt das Verfahren dazu, dass die ausgelesenen Pixelwerte "zufällige" Wertverschiebungen enthalten. In digitalen Bildern erscheinen diese Fehler insbesondere als Farbrauschen. Ein anderes Rauschmuster erzeugen defekte Sensorelemente: Sie liefern konstant schwarze oder weiße Pixel, weshalb diese Störung auch Salt-and-Pepper-Rauschen heißt.

Software oder Kamera?

Ist das Kind bereits in den Brunnen gefallen, müssen Sie sich zwischen zwei Alternativen entscheiden: Entweder Sie überlassen die Rauschreduzierung der Kamera, oder Sie steuern sie selbst. Da die Kameras teilweise sehr aggressiv entrauschen und dabei fast aquarellartige Bilder produzieren, fahren Sie ohne die Rauschreduzierung der Kamera in der Regel besser. Allerdings ermöglichen nicht alle Digicams das völlige Abschalten der Rauschreduzierung, die meisten aber immerhin eine Verminderung dieser Funktion.

Ob Kamera oder PC-Software: Wie der Kasten "Techniken zum Entrauschen" erläutert, funktioniert alle Verfahren praktisch nur per Weichzeichnung. Jeder Algorithmus führt also zu unschärferen Bildern und dem Verlust feiner Details. Wenn allerdings feine Strukturen wegen des Rauschens gar nicht vorhanden sind, lohnt sich die Mühe auf alle Fälle.

Die folgenden Abschnitte stellen eine Reihe von Programmen zur Rauschreduzierung vor. Hier finden Sie einerseits alte Bekannte wie Gimp und Imagemagick, andererseits aber auch auch professionelle Tools, die nicht einer Open-Source-Lizenz unterliegen.

Techniken zum Entrauschen

Das Rezept für die Rauschreduzierung ist im Grunde einfach: Man ersetzt die falschen Pixel durch die richtigen, also etwa störende rote und grüne Pixel in einem blauen Himmel durch entsprechende blaue. Entrauschungsalgorithmen betrachten dazu die Umgebung eines Pixels und gleichen den Wert des gerade bearbeiteten Pixels an die "richtigen" Werte der Umgebungspixel an.

Eine Technik hierzu heißt Median-Filter. Er ordnet die Werte der Nachbarpixel der Größe nach und pickt sich den Bildpunkt heraus, der in der Mitte der Rangskala liegt. Dieses Verfahren arbeitet sehr effizient beim sogenannten Salt-and-Pepper-Noise, also einzelnen extrem aus der Reihe fallenden Pixeln.

Beim vorherrschendem Rauschen in digitalen Bildern hilft allerdings der Median-Filter nicht weiter. Hier muss ein Algorithmus die Pixelwerte mitteln, um nützliche Ergebnisse zu erhalten. Auch hier heißen die mathematischen Funktionen Filter. Ein bekannter Vertreter ist der Gaußsche Weichzeichnungsfilter, der die Gewichtung vom Zentrum ausgehend verringert.

Eine Alternative heißt Binning (von englisch "bin", Tonne). Dieser spezielle Verkleinerungsfilter mittelt jeweils vier Pixel und macht eines daraus. Bei Aufnahmen mit den heutigen 10-Megapixel-Kameras bleiben trotzdem noch genug Pixel für einen ordentlichen Ausdruck übrig.

Ohne Pixelverlust arbeitet dagegen die Weichzeichnung. Sie ersetzt ein Pixel durch einen gewichteten Durchschnitt seiner Umgebung. Da der blaue Himmel des Beispiels überwiegend blaue Pixel enthält, ergibt das Weichzeichnen als Ergebnis einen deutlich homogeneren blauen Himmel – die roten und grünen Pixel, die das Rauschen ausmachten, sind verschwunden.

Betrachter empfinden allerdings Glattheit und Unregelmäßigkeit je nach Oberfläche unterschiedlich. Ein Himmel mit Struktur wirkt künstlich, ein gleichbleibend einfarbig blauer Himmel allerdings ebenso. Glatte und unstrukturierte menschliche Haut wirkt wächsern. Bei Stoffen nimmt der Betrachter aus der Ferne einen Verzicht auf Struktur in Kauf; aus der Nähe gesehen weiß er aber, das Stoffe eine solche besitzen. Aus diesen Gründen müssen Sie abhängig vom Motiv beim Weichzeichnen immer die Balance zwischen Glattheit auf der einen Seite und Strukturverlust auf der anderen halten. Um hier feiner zu dosieren, gibt es eine Reihe von Tricks.

Ein Verfahren mischt dabei das Originalbild mit dem weichgezeichneten Bild, bei Gimp zum Beispiel über den Ebenendialog. Der Vorteil dabei: Sie dürfen beim Entrauschen übertreiben, da die Struktur auf der anderen Ebene vorhanden bleibt und wieder hinzugemischt wird. Eine Verfeinerung dieser Methode verwendet Masken. Hierbei legt ein Graustufenbild als Maske fest, wie das Mischungsverhältnis aussieht. Schwarze Stellen der Maske verwenden nur das Originalbild, weiße Stellen die entrauschte Variante. Bei Grauwerten liegt das Mischungsverhältnis dazwischen. Dieses Verfahren führt deshalb oft zu einem besseren Ergebnis, da das Rauschen in den dunkleren Bildpartien meist stärker und störender erscheint als in den hellen Bereichen. Mit dieser Maske entrauschen Sie dann gezielt diese dunkleren Bildteile.

Manche Techniken gehen noch einen Schritt weiter und versuchen durch intelligente Bildanalyse beziehungsweise durch Informationen über typische Rauschstrukturen die echten Strukturen in den Bildern von den verrauschten Flächen zu trennen. Diese Tools wenden die Weichzeichnungsalgorithmen nur selektiv auf einzelne Flächen an. Ein anderer Ansatz beschränkt das Entrauschen auf einen bestimmten Farbraum. Statt die Pixel in Rot-Grün-Blau-Tripeln zu kodieren, trennt der so genannte Lab-Farbraum die Helligkeit (L-Kanal, von Luminanz) vollständig von der Farbinformation in den A- und B-Kanälen. Zeichnet ein Algorithmus daher nur diese Kanäle weich, sollte er die Schärfe aus dem L-Kanal erhalten.

Im normalen Bearbeitungsablauf von Digitalbildern steht am Ende vor dem Druck das Schärfen der Bilder. Das Schärfen kann allerdings den Effekt der Weichzeichnung wieder aufheben. Bei stark verrauschten Bildern müssen Sie also nicht nur fein dosiert weichzeichnen, sondern auch noch vorsichtig nachschärfen.

Gimp

Gimp bietet nativ verschiedene Methoden, um Bilder weichzuzeichnen und damit zu entrauschen. Sie sollten alle Methoden nur auf einer Ebenenkopie anwenden. Dazu öffnen Sie über Dialoge | Ebenen oder [Strg]+ [L] den Ebenendialog und duplizieren darin die Ebene mit [Umschalt]+ [Strg]+ [D] . Die Beschriftung der Ebene ändern Sie durch einen Doppelklick darauf.

Der Trick mit der Ebenenkopie erlaubt es, über den Regler Deckkraft das Original mit dem entrauschten Bild zu mischen. Außerdem besitzen Sie nach wie vor das unveränderte Original. Eine Alternative zum Rauschentfernen erreichen Sie im Menü unter Filter | Verbessern | Flecken entfernen.... (Abbildung 1). Der Filter dient eigentlich zum Entfernen einzelner Fehler wie Staubkörner oder Moiré-Muster im Bild, eignet sich aber auch recht gut zum Entrauschen. Die Schwellwerte sollten Sie allerdings nahe Null beziehungsweise 256 belassen.

Abbildung 1

Abbildung 1: Der eigentliche Einsatzzweck des Gimp-Filters Flecken entfernen ist zwar, einzelne Bildfehler zu korrigieren, er eignet sich aber auch zum Vermindern des Bildrauschens.

Eine bessere Alternative bietet der gaußsche Weichzeichner, den Sie über Filter | Weichzeichnen | Selektiver Gaußscher Weichzeichner... öffnen (Abbildung 2). Damit Strukturen erhalten bleiben, versucht dieser Filter, Kanten zu erkennen und diese nicht weichzuzeichnen.

Abbildung 2

Abbildung 2: Der Gaußsche Weichzeichner versucht durch eine Kantendetektion die Strukturen des Bildes beim Entfernen des Bildrauschens zu erhalten.

Mit der Einstellung des Radius sollten Sie jedoch vorsichtig umgehen. Bereits die Grundeinstellung von 5 erweist sich oft schon als zu hoch. Die Feinabstimmung bei diesem Filter erledigen Sie wie oben beschrieben über die Ebenendeckkraft.

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LinuxUser 05/2014

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