Como funcionam as câmeras digitais

Autor: 
Tracy V. Wilson and K. Nice and G. Gurevich

Nos últimos 20 anos, a maioria das grandes inovações tecnológicas nos produtos eletrônicos fez parte de um mesmo processo básico: a conversão de informações analógicas convencionais (representadas por uma onda variável) em informações digitais (representadas por uns (1s) e zeros, ou bits). CDs, DVDs, HDTVs, MP3s e DVRs são todos feitos de acordo com esse processo. Essa mudança fundamental na tecnologia alterou totalmente a maneira como lidamos com as informações visuais e de áudio: ela redefiniu completamente o que foi possível.

nikon
©2009 HowStuffWorks

A câmera digital é um dos exemplos mais marcantes dessa mudança porque é bem diferente de sua predecessora. As câmeras convencionais dependem totalmente de processos químicos e mecânicos: você nem precisa de eletricidade para utilizá-las. Por outro lado, todas as câmeras digitais possuem um computador embutido e todas elas registram imagens eletronicamente.

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, veja esta 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 para digitalizar 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.

Fatos interessantes

  • Com uma câmera de 3,2 megapixels, você pode tirar uma foto com resolução maior do que a maioria dos monitores é capaz de exibir.
  • Você pode usar seu navegador web para visualizar fotos digitais usando o formato JPEG.
  • As primeiras câmeras digitais voltadas aos consumidores comuns foram vendidas pela Kodak e pela Apple em 1994.
  • Em 1998, a Sony inadvertidamente vendeu mais de 700 mil câmeras de vídeo com capacidade limitada de ver através das roupas.

Uma câmera sem filme


Sensor de imagem CMOS

Em vez de um filme, uma câmera digital possui um sensor que converte luz em cargas elétricas.

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

Sensor CCD

  • 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;

Apesar das numerosas diferenças que existem entre os dois sensores, ambos cumprem o mesmo papel na câmera: convertem luz em eletricidade. 

Resolução
A quantidade de detalhes que a câmera pode capturar é chamada de resolução 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.

Quantos pixels?

Você pode ter notado que o número de pixels e a resolução máxima não são exatamente iguais. Por exemplo, uma câmera de 2,1 megapixels pode produzir imagens com uma resolução de 1600 x 1200, ou 1.920.000 pixels. Mas "2,1 megapixels" significa que deveria haver pelo menos 2.100.000 pixels.

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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