Curso de Fotografia Digital – 5ª Lição

5. SENSORES DE IMAGEM

CONTEÚDO

Tipos de foto sensores

Resolução dos sensores

Resolução-optica e interpolada

Proporção de aspecto

Profundidade de Cores

Sensibilidade

Qualidade da imagem

Velocidede entre exposições

Todas as câmaras de filme são apenas caixas escuras em que você pode introduzir qualquer tipo de filme que você quiser, sendo do tamanho correto. Se o filme que você escolhe deixa suas imagens muito azuis, ou vermelhas, ou o que for para o seu gosto, você pode usar outro filme. Com câmeras digitais, o "filme" faz parte da câmera, tanto que comprar uma câmera digital em parte é como selecionar um filme para usar. Como os filmes, sensores diferentes apresentam as cores diferentemente, tem variações de "grão", diferentes sensibilidades à luz, e assim por diante. A única maneira para avaliar estes aspectos dos fotosensores é de comparar fotos feitas em diferentes câmaras, ou ler as avaliações feitas por editoras de confiança, tanto de revistas como da internet.

Tipos de foto sensores

Até recentemente, os fotossensores CCD (charge-coupled device) eram os únicos sensores de imagem usados em câmeras digitais. Foram bem desenvolvidos devido ao seu uso extensivo em telescópios astronômicos, scanners e filmadoras. Entretanto, há um concorrente novo no horizonte, o sensor da imagem CMOS, que promete se transformar eventualmente no sensor da imagem de preferência em um grande segmento do mercado. Os sensores CCD e os de CMOS captam a luz em um tramado de pixels pequenos em suas superfícies. É como processam a imagem e como são fabricados que se diferenciam.

Esta foto mostra alguns dos pixels num sensor de imagem, fotografado com um microscópio. Courtesy da IBM.

Foto sensores CCD

O charge-coupled device (CCD) ganhou seu nome devido à maneira que as cargas em seus pixels são lidas após uma exposição. Após a exposição, as cargas na primeira fileira de pixels é transferida a um lugar no sensor chamado o "read out". De lá, os sinais são amplificadas e logo processadas num conversor analogico-a-digital. Uma vez que a fileira foi lida, suas cargas na fileira do registro do readout são excluidas, e a inteira fileira seguinte entra, e todas as fileiras acima decem uma fileira. As cargas em cada fileira são "acopladas" àquelas na fileira acima, assim quando uma abaixa, o seguinte abaixa para encher seu espaço. Nesta maneira, cada fileira pode ser lida, uma fileira cada vez.

O CCD desloca as informações de toda uma fileira de pixels à fileira abaixo, cada vez que o registro é lido.

Foto sensores CMOS

Os sensores de imagem são fabricadas em fábricas chamadas fundições de wafer, onde os dispositivos e os circuitos minúsculos são gravados em microplaquetas de silicone. O maior problema com CCDs é que não há demanda suficiente para baratear os custos de produção. Eles são fabricados nas fundições usando processos especializados e caros que podem somente ser usados fazer outros CCDs. Entrementes, as fundições vizinhas estão usando um processo diferente chamado semicondutor do óxido de metal de Complementar (CMOS) para fabricar os milhões de microchips para processadores e memórias de computador. O CMOS é muito mais comum e o mais eficiente processo de fabricação de wafers de silicone na terra. Os processadores mais avançados de CMOS, como o Pentium IV, contenha mais de 20 milhões de elementos ativos. Usando este mesmo processo, os custos dos sensores de imagem CMOS são dramaticamente reduzidos porque os custos fixos da fábrica são espalhados sobre um maior número de dispositivos. Em conseqüência destas economias, o custo de fabricar um wafer CMOS é um terço do custo de fabricar um wafer similar usando o processo especializado do CCD. Os custos são reduzidos mais ainda porque os sensores CMOS podem ter seus circuitos processadores criados no mesmo chip. Quando CCDs são usados, os circuitos processadores precisam de outro chip. As versões antigas de sensores CMOS tinham muitos problemas com ruído, e são usado principalmente nas câmeras baratas. Entretanto, grandes avanços foram feitos nos sensores CMOS, tanto que hoje sua qualidade é comparável aos CCDs usados em algumas das melhores câmeras.

A Canon EOS 10D é uma câmara de reflexo de primeira qualidade, usando um fotosensor CMOS. A Canon EOS 1Ds, usada por profissionais, tembém usa um chip CMOS, sendo de 11,1 megapixels. Cortesia da Canon.

Resolução do Sensor de Imagem

A definição da imagem é uma maneira de expressar o quanto de nitidez que a câmara oferece. Atualmente, câmaras amadores básica oferecem dois a trê megapixels, apesar de que isso esta sempre se melhorando. Câmaras melhores oferecem entre 4 e 6 megapixels. As câmaras profissionais hoje oferecem 10 ou 12 megapixels. Impressionante, mas nem estas resoluções alcançam a resolução (estimada) do filme 35mm de uns 20 megapixels, nem os 120 megapixels do olho humano.

Outro Mundo

O termo "definição" foi introduzido ao mundo do computador como uma maneira para descrever a resolução da tela. Antigamente, uma tela teria a definição de CGA ou de VGA. Mais tarde, outros nomes foram aplicados para descrever telas maiores. Os termo era usado para definir o número de pixels na tela. Por o exemplo, uma tela pode ter 1024 pixels de largura por 768 de altura (1024 x 768). Ninguém se preocupou com o uso do termo quando começou. Somente quando a fotografia se tornou digital que um outro grupo de profissionais entrou na cena com um uso totalmente diferente do termo. Para o fotógrafo (e quem trabalho com optica), o termo define a habilidade de um dispositivo de distinguir e apresentar linhas tais como aquelas encontrados em uma imagem de teste.

PIMA / ISO Camera Resolution Chart. Courtesy of Sine Patterns LLC

Todos os outros fatores sendo iguais, o preço da câmara sobe com a resolução. Alta resolução cria outros problemas também. Por exemplo, mais pixels significa arquivos maiores. Arquivos maiores não são apenas mais dificeis de armazenar, mas tambem mais dificeis de manipular, enviar por e-mail, colocar em website, etc.

• Resoluções baixas, como 640 x 480 são perfeitas para uso na Internet, impressões pequenas, ou para incluir em documentos eletrônicos. Usando imagens de alta resolução nestas aplicações aumenta o tamanho do arquivo sem proporcionar benefício.
• Resoluções de 3 MP ou mais, são melhores para imprimir fotos até o tamanho 13x18cm, com perfeita qualidade fotográfica.

A Kodak indica que uma câmera com aproximadamente 1MP dará uma foto 13x18 foto-realística. Porém, até neste tamanho é possivel vêr a diferença entre a imagem criada de 1MP e uma de 2-3MP.

Resolution determines the size of the image.

Resolução óptica e interpolada

Preste bem atenção à que certos fabricantes chamam de "resolução", pois existe resolução óptica, ou real, e resolução interpolada. A definição de resolução óptica de uma câmara ou de um scanner é o número absoluto fotoelementos que o sensor de imagem possui. Para melhorar a definição em alguns respeitos limitados, a definição óptica pode ser aumentada usando software. Este processo, definido interpolação, adiciona pixels à imagem para aumentar o número total dos pixels. Para fazer assim, o software avalía aqueles pixels que cercam cada pixel real para determinar sua cor e intensidade. Por exemplo, se todos os pixels ao redor do pixel recentemente introduzido forem vermelhos, o pixel novo será vermelho. O que é importante de se manter na mente é que a definição interpolada não adiciona nenhuma informação nova à imagem; ela apenas adiciona pixels, deixando o arquivo maior. O mesmo efeito pode ser aplicado em um programa como Photoshop. Fique sempre atento à que o fabricante esta anunciando. Se a resolução óptica não estiver claramente definida pelo fabricante, evite este produto.

Ao trabalhar com imagens digitais, você tem sempre um número fixo dos pixels originais. O número é determinado pelo número de pixels no sensor da imagem. Para reduzir uma imágem, alguns pixels são removidos. Para fazer com que uma imágem fique maior, pixels novos são adicionados. A adição dos pixels novos não adiciona nenhuma informação nova à imagem. A imagem à esquerda era primeiramente "interpolada" a um tamanho menor (abaixo à esquerda) e logo apmpliado novamente com interpolação.

Proporção de Aspecto

Como os negativos de diferentes formatos de filme, os fotosensores também existem em diferentes proporções da aspecto, sendo a proporção de altura por largura. A proporção de um quadrado é 1:1, enquanto o quadro do fotograma 35mm é 1:1,5, sendo 1,5 vezes mais largo do que ele é alto. A maioria dos fotosensores caem entre estes extremos, sendo mais quadrados que o negativo 35mm, mas não tão quadrado quanto um quadrado. Esta proporção é importante, pois ela determinará as proporções da fotografia. Quando o fotosensor tem uma proporção diferente à da mídia em qual a imagem será impressa, é necessário ou cortar a imagem ou perder parte do papel. Isso pode ser visualisado tentando enquadrar uma fotografia quadrado numa folha retangular e as proporções das fotografias que você cría.

A proporção de aspecto do fotosensor da imagem determina o formato das suas cópias. Uma imagem somente encherá perfeitamente uma folha de papel se ambos tiverem a mesma proporção de aspecto. Se as proporções forem diferentes, você tem que escolher entre cortar parte da imagem, ou deixando algum espaço branco no papel.

Imagem	Largura x Altura	Proporção de Aspecto
Fotograma 35 mm	36 x 24 mm	1.50
Monitor	1024 x 768	1.33
Câmara Digital	1600 x 1200	1.33
Papel fotográfico	10x15cm	1.50
Papel fotográfico	20x25cm	1.25
Papel fotográfico	15x21	1.40
Folha papel ofício	210 x 297	1.41
TV	2 x 3	1.5
HDTV	16 x 9	1.80

Para calcular a proporção de aspecto de uma câmera, divida o número maior em sua definição pelo número menor. Por exemplo, se um sensor tiver uma definição de 3000 x 2000, divida 3000 por 2000. Neste caso a proporção de aspecto é 1,5, igual ao fotograma do filme 35mm.

Profundidade de cor

A resolução não é o único fator que dicta a qualidade das suas imagens. De igual importancia é a cor. Quando você vê uma cena natural ou uma cópia fotográfica colorida bem feita, você pode distinguir milhões de cores. As imagens digitais podem aproximar cores realisticas, mas como as cores são apresentadas depende muito do computador e suas configurações. O número de cores distintas que uma imagem pode ter á conhecido como a profundidade de cor, profundidade dos pixels ou profundidade dos bits. Computadores mais antigos conseguem apresentar apenas 16 ou 256 cores. Os computadores de hoje podem apresentar cores no padrão de 24 (ou 32) bits chamado "True Color" (cor verdadeira). É chamado Cor Verdadeira estes sistemas apresentam 16 milhões de cores, similar ao número de tons que o olho humano consegue distinguir.

DICA: Testando seu Computador Pode ser necessário ajustar seu sistema para que ele apresente todas as cores, algo que não acontece automaticamente. Para ver se seu sistema de Windows suporta True Color, clique no botão direito do mouse em qualquer área vazia da area de trabalho, e logo clique em "Propriedades". Logo, clique na aba "Configurações" no menu que aparece. Em "cores", selecione "True Color"

Por que precisa-se de 24 bits para criar 16 milhão cores? É matemática simples. Para calcular quantas cores diferentes podem ser apresentadas, simplesmente leve o número 2 para o exponente do número de bits usados para gravar a imagem. Por exemplo, 8-bits lhe dá 256 cores porque 2⁸=256. Estude esta tabela para ver algumas outras possibilidades.

Nome	Bits por pixel	Fórmula	Número de Cores
Preto e Branco	1	21	2
Display do Windows	4	24	16
Tons de Cinza	8	28	256
256 cores	8	28	256
High color	16	216	65.000
True color	24	224	16 milhões

Algumas câmeras digitais (e scanners) usam 30 ou mais bits por pixel, e algumas aplicações profissionais requerem profundidade de 36-bits, um nível disponível somente em câmeras digitais profissionais. Estes bits adicionais não são usados diretamente para gerar as cores que serão apresentadas. São usadas para melhorar a cor da imagem enquanto ela é processada e reduzida para a sua configuração final de 24-bit.

Sensibilidade

O número ISO (International Organization for Standardization) que aparece na embalagem do filme especifica a velocidade ou sensibilidade do filme. Quanto mais alto o número, "mais rápido" ou mais sensível à luz o filme é. Se você já tem costume de comprar filme, você já deve conhecer certas velocidades, tais como 100, 200 ou 400. Cada vez que se dobra o número ISO, duplica-se a sensibilidade do filme.

Os fotosensores da câmara digital também são classificadas usando números equivalentes ao ISO. Igual ao filme, um fotosensor com um ISO mais necessita de mais luz para obter uma exposição boa do que um de ISO mais alto. Para obter mais luz, precisa-se de mais tempo de exposição, o que pode causar fotos tremidas ou de abertura maior da lente, reduzindo a profundidade do campo de foco. Por isso, é melhor ter um fotosensor mais sensível, permitindo captar imagens em pouca luz. Classificações ISO de fotosensoresa existem tipicamente de 100 até 3200.

Algumas câmaras tambem permitem ajustar o ISO. Em situações de pouca luz, é possível aumentar a amplificação do sinal gerado pelo senso. Note que, como o filme, um ISO elevado aumenta o grão e o "ruido"eletrônico na imagem, deixando-a menos nitida.

Situações de pouca luz requerem uma lente rápida e um ISO alto, ou você precisa usar o Flash.

Qualidade da imagem

O tamanho do arquivo de uma imagem depende em parte na definição da imagem. Quanto mais alta a definição, mais pixels precisam ser armazenados, causando este aumento. Com propósito de reduzir o tamanho do arquivo, freqüentemente os arquivos são salvos em formato JPEG, o qual comprime os dados. Este formato não apenas comprime as imagens, mas também permite escolher quanta compressão deve ser aplicada. Isso é prático, pois o quanto mais a imagem é comprimida, mais sofre sua qualidade. Com menos compressão você pode imprimir fotos maiores, de melhor qualidade, mas cabem menos fotos na memória. Mais compressão permite armazenar muitas fotos perfeitas para enviar por e-mail ou colocar na Web, mas sua qualidade pode não ser adequada para imprimir uma ampliação.

Uma imagem muito comprimida mostrará "artefatos" digitais quando ampliada.	Uma imagem com pouca compressão permanece nitida.

Além de, ou ao invés de usar compressão, algumas câmeras permitem que você mude a definição como uma maneira de controlar o tamanho dos arquivos de imagem. Já que cabem mais imagens de resolução 640x480 numa memória do que imagens 1280x1024, podem existir momentos em que você prefira salvar em resolução reduzida para economizar espaço, sacrificando qualidade por quantidade.

Velocidade entre Exposições

o fotógrafo Henri Cartier-Bresson ficou famoso devido à sua habilidade de captar "momentos" em suas fotografias, quando ações aleatórias aparecem que em um único instante permitem criar uma fotografia cativadora. Sua coordenação era inédita, e ele podia conseguir os resultados que obteve porque estava sempre pronto, nunca tendo que ajustar os controles da câmara, assim evitando oportunidades perdidas. A maioria das câmaras digitais possuem um sistema automático de exposição que o livra o fotografo da preocupação sobre controles. Entretanto, estas câmeras apresentam outros problemas que podem dificultar fotografar "momentos". Há dois atrasas inerentes nas câmeras digitais que afetam sua abilidade de responder ao comando do disparador. Isto atrasa, chamou a taxa refrescar, ocorre porque a câmera cancela o sensor da imagem, ajusta o contrapeso branco para corrigir para a cor, ajusta a exposição, e focos a imagem. Finalmente ateia fogo ao flash (se é needed) e faz exame do retrato - o segundo atrasa, o tempo do recycle, ocorre quando a imagem capturada for processada e armazenada. Isto atrasa pode variar de alguns segundos à metade um do minuto.

• O primeiro é o atraso entre o momento que você pressiona o disparador, e o momento em que a camara capta a imagem. Este atrase chama-se o refresh rate, (taxa de atualização), e ocorre porque a câmara zera o fotosensor, ajusta o ponto branco, calcula a exposição e focaliza a imagem. Só apos tudo isso ela pode bater a foto.
• O segundo atraso ocorre quando a imagem recem-tirada é processada e armazenada na memória. Dependendo da câmara, isso pode levar entre menos de um segundo a meio-minuto.

O atraso entre o momento em que pressione o disparador e o em que a foto é captada implica que as vezes é preciso antecipar o momento desejado, ou perder o momento.

Ambos estes atrasos afetam a habilidade de rapidamente tirar uma seqüencia de fotos. Se este atraso for muito longo, você pode perder a oportunidade de tirar a foto. Para captar rápidamente uma foto após a outra, muitas câmaras possuem uma função chamada contínua, ou seqüencial, permitindo tirar rápidamente uma foto após a outra enquanto manter o disparador pressionado. Para permitir isso, essas câmaras incorporam uma memória chamada buffer, que armazena

os dados de várias imagens, permitindo que a câmara as processa e salva normalmente uma vez que se terminou a seqüencia (ou o buffer se esgotou). Quantas fotos podem ser tiradas neste modo depende do tamanho da imagem e do buffer.

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