Sensores de câmeras digitais: uma visão geral

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1 Sensores de câmeras digitais: uma visão geral Mário Jorge Tavares 1 Introdução Muita coisa mudou, para melhor, desde que os filmes negativos e os diapositivos (também conhecidos como slides ou cromos) das câmeras analógicas, foram substituídos pelos sensores eletrônicos nas câmeras digitais. Enquanto os primeiros eram compostos de sais de prata e emulsões químicas, os sensores são formados, por milhões de fotodiodos ( photosites ), que transformam os sinais luminosos (fótons) em sinais elétricos analógicos. Por óbvios motivos mercadológicos, tem sido atribuída exagerada importância quanto à resolução dos sensores ("mito dos megapixels"), como se essa característica por si só, fosse a exclusiva solução na qualidade de uma imagem. Há outros importantes fatores envolvidos, além da quantidade suficiente de fotodiodos, o tamanho dos mesmos, amplo espectro (profundidade) de cores, o sistema autofoco (às vezes integrado aos sensores) 2, precisão do fotômetro, algoritmos, processadores e outros recursos existentes numa câmera fotográfica digital (impensados até algum tempo), além obviamente das lentes utilizadas e do que o fotógrafo faz com tais recursos tecnológicos cada vez mais sofisticados. Aprofundando o assunto - Via de regra, quanto maior a ampliação fotográfica almejada de uma imagem, maior deve ser a resolução (número de fotodiodos, ou simplificadamente de pixels) do sensor da câmera e consequente exigência de maior capacidade e velocidade de processamento da imagem, capacidade de memória, de bateria, etc. 1 Mário Jorge de O. Tavares Membro do Foto Clube de Londrina FCL (www.fotoclubelondrina.art.br). 2 As primeiras câmeras dotadas de tal recurso possuíam sistema ativo utilizando infravermelho ou infrassons. Nas câmeras atuais, basicamente dois são os sistemas AF: o de detecção de fase ( Phase Detection ) utilizado na maioria das câmeras DSLRs, onde se exige alta velocidade de focagem, (como a de capturar objetos em movimento) e o autofoco de detecção de contraste ( Contrast Autofocus ), mais lento, utilizado em cenas de baixa luminosidade, no modo liveview, e normalmente encontrado em algumas câmeras sem espelho ( mirrorless ), câmeras compactas, filmadoras, smartphones (que busca o maior contraste possível entre dois pixels próximos mas que facilmente perdem o foco quando se fotografa crianças e animais em movimento). Há ainda um sistema híbrido, utilizado em câmeras, como algumas mirrorless, além de sistemas avançados, como sistema preditivo de rastreamento de foco.

2 Contudo, a qualidade da imagem final também está relacionada com a tecnologia empregada, profundidade de campo 3 o tamanho, e demais características do sensor e sistema eletrônico que o acompanha. Da dimensão de cada fotodiodo ou foto ponto ( photosite ), que transforma a luz em sinais elétricos, que após processados, resulta numa imagem formada por pixels. Estes por sua vez, devem propiciar amplo espectro de cores, ou seja, uma gama dinâmica mais elevada, a denominada profundidade de cores. 4 Os primeiros sensores de qualidade utilizavam a tecnologia CCD ( Charged Coupled Device ), que apresentavam alta resolução, baixo ruído (utilizados, por exemplo, em Astronomia), mas em contrapartida, apresentavam lentidão na transferência das imagens, elevado custo e consumo de energia. A tecnologia evoluiu e hoje a CMOS ( Complementary Metal Oxide ), tem oferecido alta qualidade, desempenho, menor custo, menor consumo, maior velocidade na transferência de imagens, dentre outras variáveis, virando o jogo com louvor. Alguns exemplos - Citamos como exemplo, as câmeras DSLR ( Digital Single-Lens Reflex ), Nikon D610 e D7200, (lançadas em 2014 e 2015, em preço estimado respectivamente de U$ e U$ 1100) ambas com 24 megapixel (Mpx) de resolução, tendo a primeira, sensor full frame FX (36 x 24 mm) e a segunda, sensor cropado DX (24 x 16 mm) ambos de fabricação Sony. Contudo, os fotodiodos da D610 e D7200 têm dimensões respectivamente de 6,0 µm e 3,9 µm (micrometros ou milésimos de milímetro). 3 Sensores maiores (como os full frame ), oferecem menor profundidade de campo (às vezes desejável em fotografias portrait, que se almeja desfocar o fundo das fotos). Já sensores menores oferecem maior profundidade de campo, efeitos que podem ser ampliados com as objetivas adequadas, por exemplo em fotografia de paisagem, arquitetura, macrofotografia, etc.. 4 Quanto maior a profundidade de cores (expressa em bits), maior será a quantidade de cores de uma imagem. Por exemplo, uma imagem com 8 bits por canal ((256 tons de vermelho [R], 256 de verde [(G] e 256 de azul [B]) totalizando mais de 16,7 milhões de cores ( profundidade de cor ou profundidade de bits,), conhecida como true collor. Algumas câmeras profissionais e scanners, apresentam de 12 a 16 bits por canal RGB.

3 Via de regra, quanto mais próximos e menores os fotodiodos, maior o ruído intrínseco e interferência gerados. Tal degradação da relação sinal-ruído é percebida com maior intensidade, quando é utilizado maior sensibilidade (ISO elevado) em registros fotográficos em ambientes com pouca iluminação. Ilustração de formatos diferentes de sensores: Ref.: https://en.wikipedia.org/wiki/image_sensor_format As câmeras profissionais top da Nikon, como a D3s e a D4, respectivamente com resolução de 12 Mpx e 16 Mpx, possuem fotodiodos de 8,5 µm e 7,3 µm respectivamente. Tais câmeras foram lançadas em 2009 e 2012 (com valor estimado respectivamente de U$ 5 mil e U$ 6 mil), ambas com sensores de fabricação da própria Nikon. Já a D700 (utiliza o mesmo sensor da D3), fabricada pela própria Nikon e lançada em 2008 (com valor estimado de U$ 2,8 mil), possui fotodiodos de 8,5 µm Já a D810, lançada em 2014, possui sensor de 36 Mpx com fotodiodos de 4,9 µm; Tais câmeras têm valores estimados de U$ 2,8 e U$ 3 mil, respectivamente 5. A menção preponderante da Nikon pelo autor se deve exclusivamente do maior conhecimento do mesmo sobre tal marca. Procuramos não entrar em outros aspectos, como de recursos de vídeo Full HD, para não delongar este artigo. Os valores estimados em 2015 foram consultados nos EUA (da B&D e Dpreview dentre outros). 5 Tendo contudo a D810, obtido resultados meritórios na análise do sistema de análise DxOMark, demonstrando que a evolução tecnológica pode surpreender.

4 Utilização mais comum da ampliação fotográfica Capas de revistas, cartazes, exposição em salões, quadros decorativos. Concurso, exposição Álbum casamento Tamanho de ampliação (cm) Lado H Lado L Relação L/H 6 Resolução mínima da câmera (Mpx) ,5 133, ,3 104, ,5 75, ,3 67, ,3 33, ,5 33, ,3 16, ,5 13, ,2 10, ,5 8, ,3 7,0 Pouco utilizado ,3 6,0 Álbuns batizados, aniversário, noivado ,4 4,4 Pouco utilizado ,4 3,3 Álbum familiar ,5 2,1 Pouco utilizado ,3 1, ,4 1,0 Passaporte 5 7 1,4 0,49 Documentos em geral 3 4 1,3 0,17 6 Relação entre a Largura (L) e a Altura (H). Lembrando que no padrão 35 mm (introduzido em 1925 pela Leica - pronuncia-se laica ) o frame, ou seja, o fotograma, tem 24 x 36 mm, ou seja, a relação L/H = 1.5. Os sensores ditos full frame (quadro cheio de um fotograma de filme 35mm), no caso da Nikon, se denominam FX. Já nos sensores de menores, tipo APS (equivalente ao fotograma do filme "Advanced Photo System" lançado em 1996 que iria substituir o tradicional 35 mm), o frame APS-C,, no caso da Nikon, o formato denominado DX, corresponde ao fotograma de 15,7 X 23,6 mm ou seja, formato L/H = 1,5. Há ainda o sistema alternativo Four Thirds representando o sensor de formato 4/3 (= 1,3) de 17,3 x 13 mm lançado em 2003, numa parceria da Olympus com a Kodak. Tal projeto quebrou novos paradigmas com as denominadas Micro Four-Thirds MFT - câmeras sem espelho ( mirrorless ), a partir de 2008 (desenvolvidas pela Olympus e Panasonic) eliminando a vibração do acionamento do espelho (parte mecânica), bem como o pentaprisma (de elevado custo), passando o sensor para 5,8 x 4,3mm (proporção 1,3). Com isso foi reduzido pela metade o espaço (aprox. de 40 para 20 mm) entre o sistema de lentes e o sensor, bem como substituindo a cortina por um obturador eletrônico, que liga ou desliga os fotodiodos do sensor que fica continuamente exposto à luz provinda da lente. As lentes passaram a ser bem menores, leves e brilhantes (como da lendária alemã Voigtländer, com abertura f/0,95!). O visor eletrônico (electronic viewfinder - EVF) possui cada vez maior definição, substituindo o pentaprisma das DSLRs, resultando num ótimo custo-benefício. Obviamente, esta mudança permite uma redução significativa no tamanho e peso do corpo da câmara, Câmeras compactas com lentes intercambiáveis mirrorless normalmente apresentam uma gama diversificada nos tamanhos de sensores. Os da Nikon, utilizados nas câmeras Série 1, são denominados pelo fabricante de formato CX com 13,2 x 8,8mm (proporção 1,5). 7 É adotada como padrão fotográfico, uma resolução de saída da impressora de 300 DPI Dots Per Inch = Pontos Por Polegada.Ttoda imagem, quando capturada digitalmente, é formada por PPI (pixels por polegada) o mesmo ocorrendo quando visualizada na tela de um computador. Quando impressa passa a ser definida por DPI.

5 Conclusão - Via de regra, os sensores full frame são encontrados nas câmeras de categoria superior denominadas profissionais e consequentemente de maior preço. Tais sensores oferecem resolução de 16 a 50 megapixels (como as da Canon 5DS e 5DSR de 50 Mpx) e a Nikon D810 (36 Mpx). Alguns modelos são oferecidos sem o filtro Anti Aliasing AA (como da Nikon D810E), visando imagens mais nítidas e detalhadas, podendo, contudo aparecer o efeito moiré em algumas situações. Para obter-se altíssima qualidade de imagens, exigida, por exemplo, em publicidade (para capas de revistas, cartazes. busdoors, outdoors, televisores de altíssima resolução e painéis digitais gigantes), são utilizados programas de interpolação que permitem ampliações consideráveis. Além isso, para atender tal nicho mercadológico sem maiores problemas com recursos (que envolvem processadores de maior velocidade, tamanho de arquivos e espaço de memória), há ainda câmeras de médio formato, que podem receber acoplamento na parte traseira de backs digitais, como os fabricados pela Dalsa com 44 x 33 mm de 40 Mpx, além de 54 x 40 mm com 60 e 80 Mpx. Como exemplo, dessas câmeras, citamos a Hasselblad H5D-60 (sensor CCD com 60 Mpx de 40,2 x 53,7mm), a Pentax 645Z (sensor CMOS de 51,4 Mpx), a Leica S (type 006 com sensor CMOS de 37,5 Mpx de 30 x 45 mm), Mamiya Leaf Credo (com sensor CCD de 40 Mpx com 43,9 x 32,9mm), a Phase One IQ180 (sensor CCD de 80 Mpx 40,4 x 53,7mm).

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