2º ANO - FOTOGRAFIA

Rui Gonçalves

• Características do sensor CCD

- tamanho físico do CCD/CMOS e dos elementos sensores (pixeis)- CCD/CMOS a cores- performance do sensor

• Características da Imagem

- tamanho da imagem (binning de pixeis)

- formato da imagem (não comprimido / comprimido)- correcção automática de ruído

- tamanho físico do CCD/CMOS e dos elementos sensores

19,7 x 15,04 mm

38,8 x 38,8 mm

38,8 x 50,0 mm

Exemplos de alguns sensores da Kodak.

- CCD/CMOS a cores

Obtenção do efeito de cor por interpolação numa matriz tipo Bayer.

- CCD/CMOS a cores

(sistema muito promissor, mas actualmente sem perspectivas de um

grande desenvolvimento e implementação generalizada)

Obtenção do efeito de cor num sensor tipo Fovean.

- CCD/CMOS a cores

Três sensores iguais, filtrados separadamente R, G e B captam cada um uma imagem com toda a resolução.

Sistema mais caro, mas com a enorme vantagem na qualidade de obtenção de cor.

- CCD/CMOS a cores

Um único sensor monocromático e 3 filtros R, G e B, captam 3 imagens com todo a resolução.

Bom sistema para objectos estáticos.

- tamanho da imagem (binning de pixeis)

- formato da imagem (não comprimido / comprimido

- Olympus CAMEDIA C-5060

- Olympus Camedia E-20

- Nikon Coolpix 5000

Nikon Coolpix 5000

- máxima resolução (2560 x 1920 pixéis)

- formato não comprimido, TIFF (HI)

Tempos de integração:

- 1/2000, 1/1000, 1/125, 1/8, 1, 8 e 60 s

Os tempos de integração de 1/2000 e 1/1000 s - permitem obter o “offset”

Os tempos de integração muito superiores - permitem obter o “ruído térmico”

Ruído versus tempo

24

28

32

0

4

8

12

16

20

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100

Integração (s)

va

lor

mé

dio

Teste ruído térmico Nikon Coolpix 5000

Conversor Analógico-Digital

Já sabemos que o sinal dos nossos sensores (CCD/CMOS) é um sinal analógico (uma tensão).

Esse sinal é amplificado e depois convertido num “sinal” numérico, é digitalisado num

conversor analógico-digital (ADC). O sinal numérico é uma representação da quantidade de luz

capturada nos pixeis do sensor. A maior parte das nossas câmaras digitais usa um ADC de 8-bitcapturada nos pixeis do sensor. A maior parte das nossas câmaras digitais usa um ADC de 8-bit

ou seja apresenta no máximo 256 níveis diferente de intensidade luminosa nas três cores. A

maioria das SLR digitais têm ADC de 10 ou 12-bit (o que lhes permite codificar a intensidade

luminosa em 1024 ou 4096 valores distintos).

A conversão analógica-digital não afecta directamente o alcance dinâmico do nosso sensor, que

já vimos ser dominado pelo quantidade de electrões acumulado nos pixeis. Um ADC de 10 ou

12-bit permite-nos uma gradação mais fina das diferenças entre brilhos consecutivos. Sensores

com uma maior dinâmica (como as encontradas nos Kodak's Pro DCS, Nikon D1, Fujifilm S1

Pro e Canon D30) só têm vantagem em usar este tipo de ADC. De outra forma, a sua dinâmica

seria “comprimida” aos normais 8-bit. É a razão porque estas máquinas digitais usam o

formato RAW, que regista 10 ou 12-bit por pixel.

“Contagem de Pixeis”

Constatamos a existência de várias maneiras de especificar o número de pixeis de uma máquina digital. O que nos interesse efectivamente é o número de pixeis na imagem final (sem interpolação intra-pixeis). Acontece que os sensores (CCD/CMOS) são maiores, têm um número superior de pixeis em relação ao da imagem final, pelo que é muitas vezes esse valor o usado na propaganda da marca da máquina. Vejamos ao pormenor o sensor CCD da Sony ICX252AQ de 3,34 megapixel, usado em várias máquinas digitais de 3 Mpixeis.3,34 megapixel, usado em várias máquinas digitais de 3 Mpixeis.

Número de pixeis do CCD: 2.140 x 1.560 (3,34M)

Número de pixeis lidos: 2.088 x 1.550 (3,24M)

Número de pixeis activos: 2.080 x 1.542 (3,21M)

Número de pixeis efectivos na imagem: 2.048 x 1.536 (3,14M)

O número total de pixeis é de 2.140 x 1.560 ou 3.34 milhões. O número de pixeis efectivamente lidos é menor, 2.088 x 1.550. A área exposta pela lente cobre apenas 2.080 x 1.542. A diferença entre estas duas áreas corresponde a um bordo de 4 pixeis coberto por uma protecção, de modo a não ser sensível á luz. Estes pixeis no bordo servem como referência, pois estão a medir a corrente escura, com estão a medir a corrente escura, com um tempo de integração igual ao da imagem.

Com a área de 2.080 x 1.542 pixeis, os fabricantes das máquinas têm a flexibilidade de escolher o tamanho final da imagem. A maioria opta por 2.048 x 1.536 para as 3 megapixel, o que nos dá o formato de razão 4:3. (alguns dos pixeis exteriores a essa área de 2.048 x 1.536 são no entanto usados para obter valores de interpolação perto do bordo da imagem).

Número de Pixeis Interpolados

Nas nossas máquina digitais de 3 megapixeis, é muitas vezes

possível obter imagens de 6 megapixeis. Acontece que a nossa

máquina calcula por interpolação, 6 milhões de pixeis de

informação - baseada em 3 milhões de pixeis efectivos. Quandoinformação - baseada em 3 milhões de pixeis efectivos. Quando

estamos a guardar a imagem em formato comprimido JPEG, esta

técnica é muito superior (fornecendo melhores resultados) á que

uma qualquer nossa interpolação posterior, pois é efectuada antes

da compressão JPEG.

Interpolação – técnica matemática de criação de novos valores

(intermédios) a partir dos valores vizinhos conhecidos.

Super Sensor CCD da Fujifilm

A arquitectura normal dos nossos pixeis é quadrada. A Fujifilm tem super CCD emque os pixeis são octogonais. Assim, a distância “d2” entre os centros de dois pixeisortogonais adjacentes é menor que a distância “d1” entre dois pixeis quadradosconvencionais, resultando numa resolução melhor, e pixeis ligeiramente maiores.

Super Sensor CCD da Fujifilm

No entanto a nossa informação tem de ser convertida numa imagem digital tipo matricial, de pixeisquadrados. Da figura, podemos ver para uma área de 4 x 4 - 16 pixeis, apenas 8 pixeis ortogonaisforam usados. Por outras palavras, uma imagem 6 megapixel é formada a partir de apenas 3 milhõesde pixeis. Na pratica a qualidade da imagem resultante é equivalente a cerca de 4 megapixeis. Oúnico problema desta engenhosa solução é que temos o dobro do tamanho no ficheiro final (com ocorespondente tempo de leitura) - para um ganho de qualidade equivalente a apenas mais 33%.

Factor de Preenchimento e Microlentes

O factor de preenchimento representa a percentagem de área fotosensível efectiva de cadapixel (do ccd). Devido a elementos electrónicos, como amplificadores operacionais, em tornoda área fotosemsível, o valor do factor de preenchimento é inferior a 100%, para muitosCCD/CMOS. Uma maneira de ultrapassar esta limitação é usando pequenas lentes –microlentes – na superfície dos pixeis, para concentrar a radiação luminosa onde ela énecessária. Com esta técnica obtemos CCD/CMOS com factores de preenchimento de 100%.

Funcionamento da microlente concentrando a luz na zona fotosensivel do pixel. Matriz de microlentes cilíndricas sobre os pixeis e pormenor (em corte) de um sensor (via microscópio electrónico).

Ruído na Imagem

O ruído que “polui” a nossa imagem resulta dos defeitos dospixeis do nosso sensor CCD/CMOS e da digitalização dosinal gerado em cada um desses pixeis, sendo estes defeitosampliados com a temperatura e com o ganho deamplificação (sensibilidade equivalente ISO). Esta extensãodos defeitos varia de sensor e de marca para marca. A

O ruído não afecta de igual forma todas os canais de cor. Quase todos os sensores CCD/CMOSsão mais sensíveis (têm maior rendimento quântico) nos maiores comprimentos de onda. Por isso,o canal azul tem de ser mais amplificado, resultando num canal mais ruidoso. Também o formatode registo (gravação) da imagem - JPEG (algoritmo de compressão da imagem) – não funcionabem com imagens ruidosas, acrescentado-lhe ainda mais ruído/artefactos.

Nas “longas exposições” (da ordem de / e muito superiores ao segundo), os hot pixeis são maisevidentes e temos de aplicar as técnicas de redução / subtracção de ruído.

dos defeitos varia de sensor e de marca para marca. Aevolução tem sido no sentido de sensores CCD/CMOSserem cada vez menos ruidosos, de forma a obtermosimagens cada vez mais perfeitas.

Ruído na Imagem

Imagem a 100 ISO

Imagem a 1600 ISO

Exemplo de imagens obtidas com diferentes sensibilidades

(amplificações electrónicas)