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Câmeras Digitais
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Introdução
Por falta de alternativas, a fotografia convencional reinou de forma absoluta durante muito tempo. Evoluções, é claro, ocorreram. Do monocromático para o colorido, revelações rápidas, máquinas de baixo custo ou máquinas sofisticadas controladas eletronicamente, etc.
A fotografia digital mudou a situação. De início os equipamentos eram caros e a qualidade deixava a desejar. De forma similar a outros aparelhos eletrônicos, a evolução tem sido constante e os preços mais acessíveis, tornando a câmera digital um dos objetos de consumo mais desejados nos tempos atuais.
Fotografia convencional
Apesar
da longa idade, ainda é o meio que produz imagens de melhor qualidade
por ser um processo fotoquímico. A camada ativa do filme contém
grãos microscópicos de cristais produzidos pela combinação
de nitrato de prata e haletos.
Na máquina, um conjunto de lentes com diafragma
e obturador projeta por um breve período a imagem na
superfície do filme. Nos grãos sensibilizados
pela luz ocorre a separação de alguns átomos
de prata, mas é ainda uma imagem latente que só
é visível após o processo de revelação.
Nesta, um agente redutor transforma os íons em prata
metálica e as partes mais sensibilizadas (ou seja, as
mais claras da imagem) ficam mais escuras e vice-versa, formando
um negativo da imagem.
Na impressão da foto ocorre um processo semelhante ao
do filme. Desde que é projetado um negativo, as partes
mais escuras, que correspondem às mais claras da imagem
original, ficam mais claras, reproduzindo o original.
Na realidade, o processo é mais complexo, envolvendo vários outros materiais e etapas, que não são do escopo desta página. Na fotografia colorida, filmes e papéis fotográficos têm 3 camadas de cores. Um processo similar (mas não igual) ao da formação de cores em um cinescópio.
Digitalizando uma imagem
Na figura abaixo, o quadro da direita é uma ampliação de uma pequena área próxima do centro da imagem do quadro esquerdo.
Notar que ela é descontínua, formada por uma matriz de pequenos quadrados ou elementos. Eles são chamados de pixels (do inglês picture element).
Portanto, uma matriz formada por minúsculos fotossensores e um circuito de leitura e processamento dos sinais captados podem substituir o filme fotográfico, sendo este o princípio básico da fotografia digital.
Os fundamentos são simples, mas a implementação prática é mais complexa. Para obter uma imagem de boa qualidade, a quantidade de pixels por unidade de área deve ser alta e, portanto, as dimensões dos sensores elementares devem ser mínimas, o que só foi conseguido com a evolução dos processos de fabricação de circuitos integrados.
As vantagens da fotografia digital são evidentes. Algumas delas: não há revelação, as imagens podem ser vistas quase de imediato. Podem ser enviadas para o computador sem ajuda de scanners. Podem ser facilmente organizadas e, com procedimentos adequados, armazenadas de forma segura e/ou confidencial.
Sensores de imagem
O
sensor mais comum usado em câmeras digitais é chamado
CCD (charge coupled device).
A Figura 3 dá idéia da estrutura de um pixel sensor. Quando fótons de luz atingem a região, pares de elétrons e buracos são criados devido ao efeito fotoelétrico. Os elétrons são atraídos pelo potencial da porta, criando uma carga elétrica na região, que será tanto maior quanto maior a intensidade da luz incidente.
Portanto,
o valor da carga em cada pixel tem relação com
a intensidade da luz recebida e uma matriz dos mesmos pode captar
uma imagem.
Entretanto, não há como ler diretamente o valor da carga em cada pixel. O potencial da porta é fixo, mantido apenas para segurar a carga.
A Figura 4 mostra o processo que permite a leitura: na realidade, cada pixel tem duas portas auxiliares. A aplicação sucessiva de potenciais diferentes move as cargas ao longo de uma linha ou coluna.
Com o uso de uma linha auxiliar na parte inferior conforme Figura 5, a imagem pode ser movida linha a linha pela aplicação simultânea em cada coluna dos potenciais sucessivos da Figura 4.
E, no canto inferior direito, um eletrodo recebe a informação seqüencial de cada linha da imagem.
Notar
que é um dispositivo analógico. O sinal de saída,
que é bastante fraco, precisa ser amplificado e transformado
em digital por um conversor apropriado.
As dimensões dos pixels são bastante pequenas. Valores típicos estão na faixa de 10 a 20 µm. Assim, a área de imagem de um CCD de 1024 x 1024 pixels pode ser tão reduzida como 10 x 10 mm.
O nome (charge coupled device) é dado em razão do processo de movimento das cargas. Existem também sensores com tecnologia CMOS, que usam fotodiodos e transistores para os pixels. Nestes, o acesso a cada pixel é individual, não há movimento de cargas. Em geral, os sensores CMOS apresentavam qualidade de imagem inferior, menores resoluções e sensibilidades. Mas o custo é menor e o consumo de energia também. E a velocidade é maior pois não há o processo de transferência de cargas.
A tecnologia CMOS também evolui e já é possível encontrar performance parecida, com a significativa vantagem do menor consumo.
Inserindo cores
Se fossem usados apenas sensores conforme item anterior, a imagem seria monocromática, pois só há informação da intensidade em cada pixel, não da cor.
Existem
vários meios de captura de cor. Um deles é indicado
na Figura 6. Um dispositivo ótico dotado de filtros para
cada cor fundamental (vermelho, verde, azul) dirige a imagem
para o respectivo sensor.
Por usarem 3 sensores, máquinas deste tipo são obviamente mais caras e não podem ser muito compactas.
A
Figura 7 dá outro arranjo que já foi usado. Um
disco giratório com filtros permite a projeção
de cada cor em um único sensor.
Não é uma solução muito prática. Ocupa espaço físico e, desde que as informações das cores não são obtidas de forma simultânea, a câmera e a cena devem estar imóveis para melhor resultado.
O
método de captura de cor mais usado é indicado
na Figura 8. É chamado filtro Bayer. Em frente a cada
pixel são colocados filtros de cores fundamentais, dispostas
de forma alternada.
Na recomposição da imagem, o software usa um algoritmo que calcula a cor de cada pixel pela média dos adjacentes, resultando boa aproximação com a imagem real.
Notar que a quantidade de verdes é maior que as demais. Isso serve para compensar a sensibilidade da vista humana, que não é igual para todas as cores.
Resolução
O processamento digital da imagem permite recursos como a aproximação (zoom), quando se deseja detalhes de uma área pequena da cena.
Entretanto,
sempre há perda de qualidade, por melhores que sejam
os algoritmos de interpolação do software.
O exemplo da Figura 9 não foi feito com máquina, mas com um programa gráfico. Pode-se notar a perda de nitidez da área ampliada.
Câmeras mais sofisticadas têm zoom ótico, para aproximação sem perda de qualidade.
Outros dados
Uma vez tomada a foto, o microprocessador faz seu trabalho e a imagem está pronta para ser vista e/ou armazenada. A maioria das máquinas atuais dispõe de um visor de cristal líquido (LCD) que permite a visualização.
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Encontram-se no mercado câmeras diversos meios de armazenagem das imagens em forma de arquivos: disquete, memória flash (no circuito ou removível em forma de cartão), disco rígido e, mais recentemente, até CD e DVD. Normalmente, são usados softwares de compressão de imagens para maximizar o aproveitamento da memória. Muitas máquinas permitem mais de um nível de compressão, de acordo com a qualidade desejada (alta compressão significa arquivos menores e menor qualidade também).
O tipo e o tamanho da memória mais adequados dependem muito da utilização pretendida. Exemplo: um cartão de memória flash de 128 MB permite armazenar até cerca de 75 fotos de uma imagem 1600 x 1200 pixels em formato JPEG de alta qualidade. Para transferir os arquivos para o computador sem uso de cabos é preciso uma interface no mesmo.
Algumas coisas são similares às das máquinas convencionais. Exemplo: diafragma, para regular a intensidade de luz de acordo com a cena e obturador para controlar o tempo de exposição. Nas máquinas digitais este último não precisa ser mecânico, pois o sensor pode ser ativado e desativado eletricamente. Algumas usam uma combinação de ambos os tipos.
O sistema ótico também é similar, com as diferenças técnicas exigidas pela menor área projetada em relação ao filme convencional (menor distância focal). Podem ter lentes com foco fixo e sem zoom, lentes com foco automático ou manual e com zoom e mesmo sistemas removíveis para as mais sofisticadas.
Desenvolvido e cedido por Marco Soares - www.myspace.eng.br. Publicação autorizada - 04/07/2004.