Astrofotografie :: Rauschreduktion

Rauschreduktion

Ganz davon abgesehen, daß man mit Rauschen so allerlei anstellen kann, wird das Farbrauschen eines CCD-Sensors stets als "Störenfried" empfunden, der die Qualität der Aufnahme erheblich reduziert.

Doch das Rauschen kann erheblich reduziert werden, wenn man die Natur des Rauschens versteht. Das Rauschen (und auch Störungen, die durch die Luftunruhe verursacht werden!!!) ist stets ein unsystematischer Fehler, also ein Fehler, der sich durch zufällige und nicht reproduzierbare Abweichungen von der "Soll-Helligkeit" eines Bildpunkts bemerkbar macht.

Signal-Rauschabstand durch Bildaddition verbessern

Wenn man nun so ein Rauschsignal einfach aufaddiert und anschließend mittelt, reduziert sich die durchschnittliche Rauschamplitude zur Wurzel der Anzahl der Addierungen.

Folgendes Beispiel soll das verdeutlichen:
In dem Bild links sehen wir 16 Rauschsignale, denen ein Nutzsignal im schattierten Bereich überlagert ist. Dieses Nutzsignal ist darin kaum zu erkennen. Nach 16-maliger Addition und anschließender Mittelung bleibt das Nutzsignal voll erhalten, die Rauschamplitude hat sich jedoch um den Faktor 4, also die Wurzel aus 16, reduziert, wodurch in der untersten Kurve das Nutzsignal deutlich zu erkennen ist.

Analog zu diesem Beispiel lassen sich durch das Aufaddieren möglichst vieler Bilder mit identischem "Nutzsignal" das Rauschen und auch andere unsystematische Störungen erheblich reduzieren.

Ein weiterer Effekt bezieht sich auf das Quantisierungsrauschen das beim Digitalisieren analoger Signale immer auftritt. Dieses Quantisierungsrauschen ist leider reproduzierbar und kann durch die beschriebene Methode nicht beseitigt werden. Durch die im Bildbereich übliche 8-Bit-Auflösung würde das Farbrauschen spätestens nach einer 65.536-fachen Addition vollständig im Quantisierungsrauschen verschwinden.
 

Glücklicherweise sind Programme zum Addieren von Bildern, etwa Giotto schlau genug, eine höhere Farbauflösung als 8 Bit zu verarbeiten. Im Idealfall hätte man nach 256 Additionen nicht nur eine Rauschunterdrückung um den Faktor 16 (bezogen auf die höchstwertigen 8 Bit), sondern sogar ein Summenbild von 16 Bit / Farbkanal, also ein Bild mit äußerst feinen 65.536 Helligkeitsabstufungen zwischen Schwarz und Weiß. Oder - anders ausgedrückt - 281.474.976.710.000 verschiedene Farben. Das wird zwar keine Grafikkarte, geschweige denn, so ein menschliches Auge darstellen können, doch zur Weiterverarbeitung ist ein solches Bildformat ganz hervorragend geeignet!

Fazit:

Das Addieren (»Kombinieren«, »Stacken«) von vielen guten Einzelbildern ist die mit Abstand beste Rauschunterdrückung! Bei 256 Additionen ist selbst ein kräftiges Farbrauschen praktisch verschwunden, da sich der Signal-Rauschabstand um den Faktor 16 vergrößert hat. Andererseits läßt sich die Helligkeit der Aufnahme bei gleichbleibendem Signal-Rauschabstand rein rechnerisch versechzehnfachen (!!!), was einer 16-fachen Belichtungszeit gleichkommt. Auf diese Weise können die Vorteile einer kurzen Belichtungszeit (Seeing), sowie die freie Wählbarkeit guter Einzelbilder voll genutzt werden ohne den Nachteil der »Nichterfaßbarkeit« von lichtschwachen Objekten allzusehr zu spüren.