Wie bekämpft man Rauschen per Software?

Von Uli Plank

Auch wenn uns High-Definition einen ganz neuen Detailreichtum im Videobild beschert hat, so brachten die neuen kleinen HD-Camcorder in einem Punkt doch einen deutlichen Rückschritt: beim Rauschen. Weil die Chips mit 1/3 Zoll klein geblieben sind (oder zum Teil sogar noch kleiner wurden), ist jedes einzelne Pixel viel kleiner als bei SD. Resultat: Das einzelne Pixel erhält weniger Lichtenergie. Und wenig Licht ist bei Video nun mal gleichbedeutend mit mehr Bildrauschen, das ist nichts Neues. Erst seit Kurzem kommen auch Camcorder mit größeren Chips auf den Markt, wie die Sony EX-1, und die kann auch prompt mit den klassischen Nachteulen nach Art der PD-170 gleichziehen. Aber nicht jeder hat das Geld für so eine Kampfmaschine, und deshalb möchte ich Euch heute zeigen, wie Ihr mit Software lästigem Schneegestöber wenigstens am Bildschirm zu Leibe rücken können. Bewusst habe ich meine Bemühungen mit Aufnahmen einer Canon HV20 betrieben. Die gehört zwar mit Recht zu den derzeit beliebtesten kleinen HDV-Camcordern, muss aber mit einem einzelnen CMOS-Sensor von wenig mehr als einem Drittelzoll auskommen, dessen Fläche sich fast drei Millionen Pixel teilen.

Was ist Rauschen?

Auch wenn wir bei unseren Kameras immer von Digitalvideo reden: Eigentlich sind sie ganz am Anfang – also am Aufnahmechip – analog. Die Umwandlung von Lichtintensität in elektrische Signale ist nämlich ein analoger Prozess, erst die weitere Verarbeitung geschieht dann digital. Und das Rauschen entsteht leider schon hier, es handelt sich um kleinste, unregelmäßige Schwankungen bei der Lichtmessung. Sie ändern sich von Pixel zu Pixel und von einem Einzelbild zum nächsten mit weitgehend zufälliger Struktur. Für die elektronischen Schaltkreise ist das leider alles "Information", sie machen keinen Unterschied zwischen tatsächlichem Bild und Rauschen. Ganz übel wirkt sich daher eine zu kräftige Kantenschärfung in der Kamera aus, weil sie nicht nur erwünschte Details, sondern auch das Rauschen deutlicher macht.



Die übliche Kantenschärfung bei Video steigert zwar den Detaileindruck, hebt aber auch das Rauschen hervor.





Die Canon HV20 nimmt im Film-Modus die Kantenschärfung zurück und wirkt dann selbst ohne Nachhilfe schon rauschärmer.


Eine Besonderheit bei der HV20 ist der Filmmodus, ein Motivprogramm, das unabhängig von der Vollbildaufzeichnung aktiviert werden kann. Der wendet nicht etwa einen Weichzeichner an, wie in manchen oberflächlichen Tests behauptet wurde. Die Kamera verzichtet dabei nur auf die übliche Nachschärfung, nimmt aber durchaus feinste Details auf. Und siehe da: In diesem Modus ist das Rauschen der HV-20 gleich viel dezenter, selbst wenn man fairerweise den in diesem Modus bewusst verringerten Kontrast wieder auf vergleichbare Werte wie im Videomodus anhebt. Um Rauschen schon an der Quelle zu bekämpfen, solltet Ihr also bei schlechten Lichtverhältnissen die künstliche Detailschärfung etwas zurücknehmen, wenn Eure Kamera das ebenfalls erlaubt. Nach der Rauschverminderung per Software kann dann ganz zum Schluss in der Nachbearbeitung wieder eine behutsame Schärfung erfolgen.


Außerdem macht Rauschen den modernen Kompressionsmethoden wie MPEG-2 und H.264 (alias AVCHD) schwer zu schaffen. Diese Kompressionsverfahren setzen bei der Datenreduktion darauf, möglichst viele Gemeinsamkeiten zwischen den Nachbarpixeln und den einzelnen Bildern zu finden. Zu viel Rauschen vereitelt diese clevere Idee und führt bei den komprimierten Videoformaten leicht zu fleckigen Strukturen oder Klötzchenbildung, was eine nachträgliche Rauschverminderung bei gleichzeitiger Erhaltung des Detailreichtums zusätzlich erschwert. Bei meinem Test wurde das Bild der HV20 einmal per HDMI live von der Kamera abgenommen und dann mit der gleichzeitigen Bandaufnahme verglichen. Beide Aufnahmen rauschen bei dem extrem schwachen Licht im winterlichen Morgengrauen ganz übel. Doch in der Vergrößerung ist recht deutlich zu erkennen, dass bei der HDMI-Übertragung jedes Pixel seine eigene Detailinformation plus Rauschen behält, während die HDV-Kompression per MPEG-2 zu gröberen Klötzchen führt. Was hier schon verloren ging, kann leider keine Software wieder herbeizaubern.

Einzelbildmethoden

Die einfachste Form der Rauschminderung ist ein Median-Filter, den fast alle Programme zur Videobearbeitung besitzen, wenn auch nicht immer unter diesem Namen, sondern oft auch als "Weichzeichner" oder "Rauschen vermindern". Er vergleicht Nachbarpixel und geht davon aus, dass kleinste, plötzliche Unterschiede von Pixel zu Pixel eher Rauschen als echte Details darstellen. Diese Annahme ist nicht ganz falsch: Keine Kameraoptik löst so gut auf, dass nicht in der Regel mehrere Pixel an jedem Bilddetail beteiligt sind. Dieser Filter gleicht den Farb- und Helligkeitswert für jeden Pixel an dessen Nachbarn an und reduziert so das Rauschen, bügelt aber auch feinste Details glatt. Letztlich ist dieser Filter einfach nur eine Form des Weichzeichners.


Links der Medianfilter mit 1, in der Mitte mit 2 und rechts mit 4: Entweder es bleibt Rauschen übrig, oder das Bild sieht nach Wasserfarben aus…

In der Regel gibt es nur eine Einstellung in ganzen Zahlenwerten, nämlich die des Wirkungsradius in Pixeln. So könnt Ihr selbst in Abhängigkeit vom Motiv festlegen, wo der beste Kompromiss zwischen Rauschminderung und Detailverlust liegt. Wenn man es übertreibt, fällt das schnell auf: Das Bild wirkt dann zu flächig und macht eher den Eindruck einer Malerei als einer fotografischen Abbildung. Eventuell kann eine leichte Scharfzeichnung wie "Unscharf Maskieren" nach dem Rauschfilter helfen, die verbliebenen Bilddetails wieder etwas herauszuarbeiten, doch auch die muss gefühlvoll dosiert werden. Es gibt aufwändigere Versionen dieser Filterung, bei denen Konturen im Bild ermittelt und von der Weichzeichnung ausgenommen werden. Doch das treibt die Rechenzeit in die Höhe und kann je nach Motiv auch neue Artefakte wie Treppchenkanten hervorzaubern. Diese einfachen, aber relativ schnellen Methoden sind also letztlich immer von recht geringer Wirksamkeit.



Der Filter "Körnung entfernen" in After Effects reduziert das Rauschen sehr wirkungsvoll ohne große Detailverluste, braucht dafür aber extrem lange.

Die aufwändigsten Verfahren analysieren das Bild mit statistischen Methoden und versuchen so, das Rauschen von erwünschter Bildinformation zu trennen. Sie stammen meist aus der Fotografie, aber vor einiger Zeit hat die Firma Adobe ein solches Verfahren mit dem witzigen Namen "Grain Surgery" aufgekauft und ihrem Programm After Effects unter der banalen Bezeichnung "Körnung entfernen" einverleibt. Die Ergebnisse sind deutlich besser als beim einfachen Median-Filter, erfordern aber auch mehr Geduld bei der Feinjustage und brauchen wesentlich längere Renderzeiten. Der Filter bietet viele Eingriffsmöglichkeiten, die ich hier nicht alle im Detail erläutern kann, da sie letztlich auch viel zu stark vom Motiv abhängen. Sogar die Auswahl der Rauschmuster (Samples) lässt sich bei Bedarf von Hand vornehmen. Dazu solltet Ihr Flächen verschiedener Farbe und Helligkeit aussuchen, die aber keine weitere Detailzeichnung außer dem Rauschen aufweisen. Damit kann das Programm dann oft schon in der Standardeinstellung sehr gute Ergebnisse erzielen, aber in der Regel solltet Ihr den Regler für "Störungen reduzieren" deutlich zurücknehmen, da das Bild sonst schon zu glatt aussieht. Vorsicht mit der Zahl der Durchgänge: Schon mit dem vorgegebenen Wert von drei Durchgängen dauert die Berechnung mit Faktor 70 sehr lange. Höhere Werte können die Zeiten in ungeahnte Höhen treiben…



Adobes "Körnung entfernen" bietet viele Möglichkeiten zur Feinjustage, unter anderem separate Werte für die Farbkanäle und manuelle Platzierung der Rauschproben – natürlich auf Bereiche ohne feine Bilddetails!

Einen wichtigen Trick möchte ich aber noch verraten, weil er sich auch auf andere Filter übertragen lässt, soweit diese eine separate Einstellung für die Farbkanäle aufweisen. Aus physikalisch-technischen Gründen ist die Tendenz zum Rauschen im blauen Farbkanal am stärksten. Gleichzeitig sehen wir Menschen reine Blautöne nicht sehr scharf, so dass ein Verlust von Details in diesem Kanal leichter zu verschmerzen ist. Soweit Eure Software es zulässt, kann sich also ein Versuch mit kräftigerer Rauschverminderung im Blaukanal und etwas zurückgenommenen Werten in den anderen Kanälen lohnen. In einem Node-basierten Programm wie Color oder Shake lässt sich das Verfahren auch leicht durch Auftrennen der Farbkanäle nachbauen, selbst wenn ein Rauschfilter das von Hause aus nicht anbieten sollte.

Zwischenbildmethoden

Noch trickreicher gehen Filter mit temporaler Rauschverminderung vor. Sie vergleichen die Pixel der Nachbarbilder und versuchen, identische Details im Motiv zu finden. Wenn es dann trotzdem einen Unterschied zwischen den Pixeln gibt, muss das wohl Rauschen sein und die Werte werden mit denen der Nachbarbilder angeglichen. Bei ruhigen Aufnahmen vom Stativ funktioniert das in unbewegten Flächen hervorragend: Das Rauschen verschwindet und die Detailverluste sind gering. Im unbewegten Hintergrund fällt das Rauschen den Zuschauern natürlich auch am meisten auf, und so erscheint die Methode auf den ersten Blick ideal.

Die Schwierigkeit bei diesem Verfahren ist es aber, bewegte Objekte im Bild zu erkennen und von der Angleichung auszunehmen. Wenn das nicht perfekt klappt, werden schnell bewegte Objekte auf merkwürdige Weise durchsichtig oder es entstehen neue Störungen wie falsche Konturen oder Flecken im Bild. Außerdem sind die Rechenzeiten bei diesen Verfahren ebenfalls enorm, da für jedes einzelne Videobild mehrere Nachbarbilder mit zur Berechnung herangezogen werden müssen. Neben dem Filter "Körnung entfernen" aus Adobes After Effects, wo Ihr diese temporale Filterung wahlweise hinzuschalten könnt, sind es in erster Linie Hersteller von zusätzlichen Plug-Ins, die solche Verfahren anbieten. Ich möchte Euch hier zwei solcher Filter stellvertretend vorstellen: "DE:Noise" von Re:Vision Effects (www.revisionfx.com), der für mehrere Profiprogramme auf PC und Mac zu haben ist, und "Noise Reduction" aus der CHV Repair Collection (www.chv-plugins.com), den es nur für Apples Final Cut Pro gibt.

Relativ einfach gehalten ist das Verfahren bei After Effects, wo Ihr nur die entsprechende Funktion hinzuschalten und neben der Intensität der Filterung noch einen Schwellwert für die Bewegungserkennung einstellen könnt. Die Vorgabewerte sind ganz in Ordnung und sie verlängern die an sich schon lange Rechenzeit nur um etwa 15 Prozent. Gelegentlich erzeugt der Filter auf bewegten Objekten leichte Flecken oder ein gewisses Durchscheinen des Hintergrundes, was aber bei Bewegungsunschärfe kaum stört. Ihr bekommt andererseits relativ wenig zusätzliche Wirkung bei diesem schon im Einzelbildverfahren sehr wirkungsvollen Filter, nur bei ganz genauem Hinsehen sind statische Flächen noch etwas sauberer.



Fast kein Licht und sehr unruhige Kameraführung – das bewältigt keiner so gut wie DE:Noise von RE:VisionFX !

DE:Noise beruht auf den anspruchsvollen Verfahren zur Bewegungsanalyse und Errechnung von Zwischenbildern, für die der Hersteller in einem anderen Fall schon mit einem technischen Oskar prämiert wurde. Hier wird das Verfahren benutzt, um herauszufinden, wo sich ein Objekt aus den Nachbarbildern auf dem aktuellen Bild befinden müsste und so zwischen erwünschten Details und dem Rauschen zu unterscheiden. Das ist raffiniert gedacht (und mit einem Faktor knapp unter 40 sehr rechenaufwändig), aber leider ist der Erfolg stark vom Motiv abhängig. Die Wirkung reicht von spektakulär bis unbrauchbar: Einerseits kann der Filter sogar Fussel, Flecken oder Dropouts entfernen, die nur auf einem Bild existieren, andererseits zeigen sich manchmal auffällige Störungen, die bis in unbewegte Teile des Motivs reichen oder Teile des Hintergrundes verziehen. Außerdem überzieht der Filter das ganze Bild mit einer Unruhe in der Art von Hitzeflimmern. Ihr solltet daher mit Hilfe der frei ladbaren Demoversion ausprobieren, inwieweit DE:Noise Euch bei einer wertvollen, aber verrauschten Aufnahme wirklich helfen kann.



Der temporale Filter DE:Noise unterdrückt das Rauschen sehr wirkungsvoll, neigt aber bei bewegten Objekte zu Artefakten, die selbst in unbewegten Bereichen stören.

Noise Reduction von CHV gibt es nur für Final Cut Pro – Pech für die Anderen, muss man sagen, ist doch der Filter höchst wirkungsvoll und sogar etwas schneller als DE:Noise. Er beseitigt ebenfalls das Rauschen sehr wirkungsvoll und lässt die feinen Details unangetastet. Schraubt Ihr aber den Wert für das zu beseitigende Rauschen bei "Noise (to eliminate)" zu hoch, führt auch dieses Verfahren zu Fleckenbildungen und sogar zum teilweisen Verschwinden bewegter Objekte. Anders als bei DE:Noise reichen aber die Artefakte nicht in unbewegte Bildteile hinein und Schnitte werden durch die passende Einstellung von "Sensitivity" bei "Scene-change" automatisch erkannt, so dass Bilder benachbarter Einstellungen nicht in die Berechnung einbezogen werden. Bei DE:Noise dagegen müsst Ihr Schnitte mit "Mark Segments" von Hand kennzeichnen, damit das nicht passiert.



Ebenfalls temporal arbeitet "Noise Reduction" von CHV. Er ist leichter zu bedienen, aber auch nicht immer frei von Nebenwirkungen.

Empfehlungen

Es ist mit dem Rauschen wie mit einer Krankheit: Am besten bekämpft man das Übel schon an der Wurzel, denn keine Medizin ist frei von Nebenwirkungen. Die in meinen Tests bei winterlicher Dämmerung benutzte Canon HV20 neigt mit ihrem kleinen Chip durchaus zum deutlichen Rauschen. Aber zumindest könnt Ihr die Belichtung auch manuell korrigieren, so dass die Kamera dunkle Szenen nicht unnötigerweise durch Zusatzverstärkung weiter aufhellt, als es für das Motiv wirklich nötig ist. Falls Eure Kamera keine manuelle Bedienung bietet, hat sie vielleicht wenigstens unter den Bildprogrammen eine Nachteinstellung zu bieten, die Schwarz nicht zu verrauschtem Grau macht. Außerdem solltet Ihr bei schlechtem Licht unbedingt die künstliche Kantenschärfung reduzieren, wenn Eure Kamera das überhaupt zulässt – besser erst entrauschen und dann dezent nachschärfen.
Von den Software-Filtern darf man keine Wunder erwarten: Das beste Mittel gegen Rauschen ist genug Licht bei der Aufnahme. Die besseren Rauschfilter sind selbst auf einem modernen Rechner mit 4 Xeon-Kernen nervtötend langsam. Wenn aber eine unwiederbringliche Szene gerettet werden muss, sind der Filter "Körnung entfernen" in Adobes After Effects oder die temporalen Methoden Eure aussichtsreichsten Kandidaten. Tendenziell kommt DE:Noise besser mit unruhigen Aufnahmen aus der Hand zurecht, währen der Rauschfilter aus der "Repair-Collection" von CHV die besten Ergebnisse bringt, wenn ein Stativ verwendet wurde. Letzterer ist dabei noch fast doppelt so schnell wie der Filter von Adobe, aber halt Mac-only.

Zuerst erschienen bei Computervideo: www.computervideo.de