por Tracy V. Wilson, K. Nice e G. Gurevich - traduzido por HowStuffWorks Brasil
Neste artigo
Introdução
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| Câmera digital | | ||
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 ©2009 HowStuffWorks |
As câmeras digitais não substituíram completamente as câmeras convencionais. Mas, à medida que a tecnologia de geração digital de imagens avança, as câmeras digitais se tornam cada vez mais populares.
Neste artigo, vamos descobrir exatamente o que acontece no interior desses incríveis dispositivos da era digital.
Compreendendo os fundamentos
Digamos que você queira tirar uma foto e enviá-la por e-mail para um amigo. Para isso, precisará que a imagem seja representada em uma linguagem que o computador reconheça: bits e bytes. Essencialmente, uma imagem digital é uma longa seqüência de 1s e 0s que representam todos os minúsculos pontos coloridos, ou pixels, que compõem a imagem (para informações sobre a amostragem e representações digitais de dados, vejaesta explicação da digitalização de ondas sonoras). Digitalizar ondas de luz funciona de forma similar.
Se você quiser tirar uma foto desta forma, terá duas opções:
- pode tirar uma fotografia usando uma câmera de filme convencional, processando o filme quimicamente, imprimindo-o em papel fotográfico e depois usando um scanner digital paradigitalizar a impressão (gravar o padrão de luz como uma série de valores de pixels);
- pode digitalizar diretamente a luz original refletida pelo seu objeto, decompondo imediatamente esse padrão de luz em uma série de valores de pixels. Em outras palavras, você pode usar uma câmera digital.
Em seu nível mais básico, uma câmera digital, assim como uma câmera convencional, possui uma série de lentes que focaliza a luz para criar a imagem de uma cena. Mas em vez de focalizar essa luz sobre um pedaço de filme, ela o faz sobre um dispositivo semicondutor que grava a luz eletronicamente. Um computador então decompõe essas informações eletrônicas em dados digitais. Todo o divertimento e os recursos interessantes das câmeras digitais vêm como um resultado direto desse processo.
Nas próximas seções, vamos descobrir exatamente como a câmera faz tudo isso.
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Uma câmera sem filme
 Sensor de imagem CMOS |
O sensor de imagem utilizado pela maioria das câmeras digitais é um CCD, charge coupled device. Em vez disso, algumas câmeras usam a tecnologia de CMOS - complementary metal oxide semiconductor. Ambos os sensores de imagem CCD e CMOS convertem luz em elétrons. Uma maneira simplificada de pensar a respeito destes sensores é imaginar uma matriz bidimensional de milhares ou mesmo milhões de minúsculas células solares.
Assim que o sensor converte a luz em elétrons, ele lê o valor (a carga acumulada) de cada célula na imagem. É nesse ponto que estão as diferenças entre os dois principais tipos de sensores:
- um CCD transporta a carga através do chip e a lê em um canto da matriz. Um conversor analógico para digital (conversor A/D) transforma o valor de cada pixel em um valor digital por meio da medição da quantidade de carga de cada photosite (diodo fotossensível) e converte essa medição para a forma binária;
- os dispositivos CMOS usam diversos transistores em cada pixel para amplificar e mover a carga usando fios tradicionais. O sinal de CMOS é digital, assim ele não necessita do conversor A/D.
Fótons atingindo um photosite e liberando elétrons
As diferenças entre os dois tipos de sensores levam a diversos prós e contras:
 Foto cedida DALSA |
- os sensores CCD criam imagens de alta qualidade e baixo nível de ruído. Os sensores CMOS geralmente são mais suscetíveis a ruídos (interferência eletromagnética);
- como cada pixel em um sensor CMOS possui diversos transistores localizados próximos a ele, a sensibilidade à luz de um chip CMOS é menor. Muitos dos fótons atingem os transistores em vez do fotodiodo;
- os CCDs consomem 100 vezes mais energia do que um sensor CMOS equivalente;
- os sensores CCD têm sido produzidos em massa por um período maior, assim a tecnologia está mais madura. Eles tendem a ter pixels de maior qualidade e em maior quantidade;
Resolução
A quantidade de detalhes que a câmera pode capturar é chamada deresolução e é medida em pixels. Quanto mais pixels uma câmera possui, mais detalhes ela pode capturar e fotos maiores podem ser feitas sem granulação ou perda de nitidez. Veja abaixo algumas resoluções.
A quantidade de detalhes que a câmera pode capturar é chamada deresolução e é medida em pixels. Quanto mais pixels uma câmera possui, mais detalhes ela pode capturar e fotos maiores podem ser feitas sem granulação ou perda de nitidez. Veja abaixo algumas resoluções.
- 256 x 256 - encontrada em câmeras muito baratas, essa resolução é tão baixa que a qualidade da foto quase sempre é ruim. Isso corresponde a um total de 65 mil pixels.
- 640 x 480 - essa resolução é ideal para fotos enviadas por e-mail ou publicação de fotos em sites.
- 1216 x 912 - este é um tamanho de imagem "megapixel": 1.109.000 pixels totais. Bom para fotos impressas.
- 1600 x 1200 - com quase 2 milhões de pixels, essa é uma alta resolução. Pode-se imprimir uma foto de 10 cm x 13 cm tirada com essa resolução com a mesma qualidade obtida em um laboratório fotográfico.
- 2240 x 1680 - encontrada em câmeras de 4 megapixels, permite fotos impressas ainda maiores, com boa qualidade para impressões de até 40 cm x 51 cm.
- 4064 x 2704 - uma câmera digital top de linha com 11,1 megapixels tira fotos com esta resolução. Nessa configuração, podem-se criar fotos impressas de 35 cm x 23 cm sem perder qualidade de imagem.
 Foto cedida Morguefile Tamanho de uma imagem obtida com resoluções diferentes |
As câmeras para consumidores de produtos de alto desempenho podem capturar mais de 12 milhões de pixels. Algumas câmeras profissionais suportam acima de 16 milhões de pixels ou 20 milhões de pixels nas câmeras de formato grande. A Hewlett Packard estima que a qualidade do filme de 35 mm é de cerca de 20 milhões de pixels [ref - em inglês].
A seguir, vamos dar uma olhada em como a câmera adiciona cor a essas imagens.
Isso não é um erro de arredondamento ou uma trapaça da matemática binária. Existe uma discrepância real entre estes números porque o CCD precisa incluir os circuitos para o conversor A/D para medir a carga. Esses circuitos são tingidos de preto, de modo que não absorvem a luz e distorcem a imagem.
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Capturando a cor
Infelizmente, cada photosite é "cego" para as cores. Ele somente rastreia a intensidade total da luz que atinge sua superfície. Para obter uma imagem totalmente colorida, a maioria dos sensores usa uma filtragem para enxergar a luz em suas três cores primárias. Assim que a câmera grava todas as três cores, ela as combina para criar o espectro completo.Como as três cores se misturam para formar outras cores
Há diversas maneiras de registrar as três cores em uma câmera digital. As câmeras de maior qualidade usam três sensores independentes, cada um com um filtro diferente. Um separador de feixes direciona a luz para os diferentes sensores. Imagine a luz entrando na câmera como a água flui através de um cano. Usar um separador ou divisor de feixes seria como dividir uma quantidade idêntica de água para três canos diferentes. Cada sensor obtém uma visão idêntica da imagem, mas devido aos filtros, cada sensor responde somente a uma das cores primárias.
 Como a imagem original (à esquerda) é dividida em um separador de feixes |
A vantagem deste método é que a câmera registra cada uma das três cores para cada localização de pixel. Infelizmente, as câmeras que usam este método tendem a ser volumosas e caras.
Outro método consiste em girar uma série de filtros vermelhos, azuis e verdes na frente de um único sensor. O sensor registra três imagens separadas em uma rápida sucessão. Este método também fornece informações sobre todas as três cores em cada localização de pixel, mas como as três imagens não são obtidas precisamente no mesmo instante, tanto a câmera quanto o alvo da foto devem permanecer estacionários para todas as três leituras e isso não é prático.
Filtro de disco giratório
Os dois métodos funcionam bem para câmeras de estúdio profissional, mas não são muito práticas para fotos casuais. Uma maneira mais econômica e prática para registrar as cores primárias é colocar permanentemente um filtro chamado conjunto de filtro de cores sobre cada photosite individual. Ao decompor o sensor em uma variedade de pixels vermelhos, azuis e verdes, é possível obter informações suficientes nos arredores de cada sensor para fazer estimativas muito precisas sobre a cor verdadeira naquele local. Esse processo de olhar os outros pixels na vizinhança de um sensor e fazer uma estimativa aproximada é chamado de interpolação.
O padrão mais comum de filtros é o padrão de filtro Bayer, que alterna uma fileira de filtros vermelhos e verdes com uma fileira de filtro azuis e verdes. Os pixels não são divididos por igual: há tantos pixels verdes quanto azuis e vermelhos combinados. Isso ocorre porque o olho humano não é igualmente sensível a todas as três cores. É necessário incluir mais informações provenientes dos pixels verdes para criar uma imagem que o olho perceberá como uma "cor verdadeira".
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As vantagens deste método estão na necessidade de um único sensor e todas as informações de cores (vermelho, verde e azul) são registradas no mesmo instante. Isso significa que a câmera pode ser menor, mais barata e útil em uma maior variedade de situações. A saída bruta de um sensor com um filtro Bayer é um mosaico de pixels vermelhos, verdes e azuis de diferentes intensidades.
As câmeras digitais usam algoritmos conhecidos como demosaicing algorithms para converter esse mosaico em outro de tamanho igual que apresenta cores verdadeiras. A chave é que cada pixel colorido pode ser usado mais de uma vez. A cor verdadeira de um único pixel pode ser determinada por meio da média dos valores dos pixels circundantes mais próximos.
Um demosaicing algorithm em funcionamento
Algumas câmeras de sensor único usam alternativas ao padrão de filtro Bayer. A tecnologia X3 (em inglês), por exemplo, embute fotodetectores vermelhos, verdes e azuis em silício. Algumas das câmeras mais avançadas subtraem valores usando a composição das cores ciano, amarelo, verde e magenta em vez de misturar vermelho, verde e azul. Existe até um método que usa dois sensores. Entretanto, a maioria das câmeras para consumidores no mercado atualmente usa um único sensor com fileiras alternadas de filtros verdes/vermelhos e verdes/azuis.
Exposição e foco
Assim como acontece com o filme, uma câmera digital precisa controlar a quantidade de luz que atinge o sensor. Os dois componentes que ela usa para isso, a abertura e a velocidade do obturador, também estão presentes nas câmeras convencionais.
Assim como acontece com o filme, uma câmera digital precisa controlar a quantidade de luz que atinge o sensor. Os dois componentes que ela usa para isso, a abertura e a velocidade do obturador, também estão presentes nas câmeras convencionais.
- Abertura: tamanho da abertura na câmera. A abertura é automática na maioria das câmeras digitais, mas algumas permitem o ajuste manual para dar aos fotógrafos profissionais e amadores um controle maior sobre a imagem final.
- Velocidade do obturador: a quantidade de tempo que a luz pode passar através da abertura. Ao contrário do filme, o sensor de luz de uma câmera digital pode ser reajustado eletronicamente, de maneira que as câmeras digitais possuem um obturador digitalem vez de um obturador mecânico.
Esses dois aspectos trabalham juntos para capturar a quantidade de luz necessária para produzir uma boa imagem. Em termos fotográficos, eles ajustam a exposição do sensor. Você pode aprender muito sobre a abertura e a velocidade do obturador de uma câmera em Como funcionam as câmeras fotográficas.
Somado ao controle da quantidade de luz, a câmera deve ajustar as lentes para controlar como a luz será focalizada sobre o sensor. Em geral, as lentes de câmeras digitais são similares às lentes das câmeras convencionais, e algumas câmeras digitais podem até mesmo usar lentes convencionais. A maioria usa técnicas de focalização automática, sobre as quais você pode aprender mais no artigo Como funcionam as câmeras com foco automático.
No entanto, a distância focal é uma diferença importante entre a lente de uma câmera digital e a lente de uma câmera 35 mm. A distância focal é aquela entre a lente e a superfície do sensor. Os sensores dos diversos fabricantes variam muito em tamanho, mas em geral são menores que um pedaço de filme de 35 mm. Para projetar a imagem em um sensor menor, a distância focal é diminuída pela mesma proporção. Para informações adicionais sobre tamanhos de sensores e comparações com o filme de 35 mm, você pode visitar o site Photo.net (em inglês).
A distância focal também determina a ampliação, ou zoom, quando se olha através da câmera. Nas câmeras de 35 mm, uma lente de 50 mm proporciona uma visão natural do objeto fotografado. Aumentar a distância focal aumenta a ampliação e os objetos parecem ficar mais próximos. O inverso acontece quando se diminui a distância focal. Uma lente com zoom é qualquer lente que possua uma distância focal ajustável e as câmeras digitais podem ter zoom óptico ou digital (algumas chegam a ter ambos). Outras câmeras também possuem capacidade de macro focusing, o que significa que a câmera pode tirar fotos bem próxima do objeto fotografado.
As câmeras digitais possuem um dos seguintes tipos de lentes:
- lentes de foco fixo e zoom fixo - estes são os tipos de lentes das câmeras de filme baratas e descartáveis: são boas para fotos instantâneas, mas bastante limitadas.
- lentes de zoom óptico com foco automático - similar à lente de uma câmera de vídeo, possuem opções "grande angular" e "teleobjetiva", além de foco automático. A câmera pode ou não suportar foco manual. Elas realmente mudam a distância focal da lente em vez de apenas ampliar a informação que atinge o sensor.
- lentes de zoom digital - com o zoom digital, a câmera pega pixels do centro do sensor de imagem e os interpola para gerar uma imagem de tamanho completo. Dependendo da resolução da imagem e do sensor, esta abordagem pode criar uma imagem granulosa ou embaçada. Você pode fazer a mesma coisa manualmente com um software de processamento de imagem: basta recortar a seção central da imagem e ampliá-la.
- sistemas de lentes intercambiáveis - são similares às lentes intercambiáveis de uma câmera de 35 mm. Algumas câmeras digitais podem usar lentes de uma câmera 35 mm.
A seguir, vamos aprender como a câmera armazena as fotos e as transfere para um computador
Armazenamento
A maioria das câmeras digitais possui uma tela de cristal líquido (LCD), de modo que você pode visualizar sua foto imediatamente. Essa é uma das grandes vantagens de uma câmera digital: você obtém um retorno de informação imediato daquilo que captura. É claro, visualizar a imagem em sua câmera perderia o charme se isto fosse a única coisa que você pudesse fazer. Você também pode carregar a foto para seu computador ou enviá-la diretamente para uma impressora. E há várias maneiras para isso.
 Foto cedida HSW Shopper Cartão CompactFlash |
As primeiras gerações de câmeras digitais tinham armazenamento fixo em seu interior. Você precisava conectar a câmera diretamente a um computador por meio de cabos para transferir as imagens. Apesar de a maioria das câmeras de hoje ser capaz de se conectar por meio de conexões seriais,paralelas, USB ou FireWire, geralmente elas também possuem algum tipo de dispositivo de armazenamento removível.
As câmeras digitais usam diversos sistemas de armazenagem. Eles são como um filme digital reutilizável e usam um leitor de cartões para transferir os dados para um computador. Muitos deles envolvem memória flash fixa ou removível. Os fabricantes de câmeras digitais freqüentemente desenvolvem seus próprios dispositivos de memória flash, incluindo cartões SmartMedia, cartõesCompactFlash e Memory Sticks. Alguns outros dispositivos removíveis de memória incluem:
- disquetes
- discos rígidos ou microdrives
- CDs e DVDs graváveis
Não importa o tipo de armazenamento que usem, todas as câmeras digitais precisam de muito espaço para as fotos. Elas geralmente armazenam as imagens nos seguintes formatos: TIFF, que não é compactado, e JPEG, que é compactado. A maioria das câmeras usa o formato de arquivo JPEG para armazenar as fotos e algumas vezes elas oferecem configurações de qualidade (como média ou alta). O seguinte quadro dará uma idéia dos tamanhos de arquivos que você poderá esperar com diferentes tamanhos de fotos.
(não compactado) | (qualidade alta) | (qualidade média) | |
Para aproveitar ao máximo o espaço de armazenamento, quase todas as câmeras digitais usam algum tipo de compactação de dados para diminuir o tamanho dos arquivos. Dois recursos das imagens digitais tornam a compactação possível. Um deles é a repetição (compressão reversível) e o outro a invisibilidade (compressão irreversível).
Imagine que em uma determinada foto, certos padrões se desenvolvam nas cores. Por exemplo: se um céu azul ocupa 30% da fotografia, pode ter certeza que alguns matizes de azul se repetirão várias vezes. No processode repetição, as rotinas de compactação aproveitam os padrões que se repetem, não há perda de informação e a imagem pode ser reconstruída exatamente como foi registrada. Infelizmente, isso não reduz os arquivos em mais de 50% e, algumas vezes, não conseguem chegar nem perto deste nível.
Na irrelevância, consegue-se uma compressão maior que com o sistema reversível. Fotografias digitais são registros de informações de uma imagem, que evidentemente ocupam espaço, sendo que muitos destes dados não são reconhecidos facilmente pelo olho humano, ou são invisíveis, portanto, sem relevância. O olho é muito sensível a variações de brilho e proporcionalmente pouco sensível a variações de cor, especialmente às das freqüências mais altas. Algumas rotinas de compressão tiram proveito deste fator para descartar informações menos significativas.
A seguir, vamos juntar todas as informações e ver como uma câmera digital tira uma foto.
Resumo
São necessárias várias etapas para que uma câmera digital tire uma foto. Veja o que acontece em uma câmera CCD, do início ao fim:
São necessárias várias etapas para que uma câmera digital tire uma foto. Veja o que acontece em uma câmera CCD, do início ao fim:
- você aponta a câmera para o tema da foto e ajusta o zoom óptico para se aproximar ou se afastar;
- você pressiona levemente o botão de liberação do obturador;
- a câmera focaliza automaticamente a imagem e faz uma leitura da luz disponível;
- a câmera ajusta a abertura e a velocidade do obturador para a exposição ideal;
- você pressiona completamente o botão de liberação do obturador;
- a câmera reinicializa o CCD e o expõe à luz, acumulando uma carga elétrica até que o obturador se feche;
- o conversor A/D mede a carga e cria um sinal digital que representa os valores da carga em cada pixel;
- um processador interpola os dados provenientes dos diferentes pixels para criar a cor natural. Em muitas câmeras, neste estágio é possível ver o resultado no visor de LCD;
- um processador pode efetuar um nível pré-estabelecido de compactação dos dados;
- as informações são armazenadas em alguma forma de dispositivo de memória (provavelmente um cartão de memória Flash);
 Foto cedida HSW Shopper Um memory stick |
Para mais informações sobre câmeras digitais e assuntos relacionados, confira os links na próxima página.
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