Sensor de imagem

Um sensor de imagem digital, agindo como a retina

dos olhos, capta a luminosidade das imagens que são projetadas sobre ele continuamente e dá início ao processo de captura de uma instância ou de uma sequência de instâncias da imagem consecutivamente.
Trata-se de um chip que pode contar com dezenas de milhões de trasdutores fotossensíveis (photosites), cada um deles capaz de converter a energia luminosa de um ponto da imagem em carga elétrica para ser lida ou gravada posteriormente na forma de imagem digitalizada em valores numéricos.

Para captação de imagem a cores, é comum câmeras de vídeo usarem três sensores (sistema 3CCD), cada sensor com um filtro de uma tripla de filtros tricrômicos sobre ele, sendo que câmeras fotográficas geralmente contam com um único sensor de imagem que agrupa seus photosites sob um mosaico de filtros de luminosidade e de cor.

CCD ou CMOS

Em 2008, duas tecnologias competem para a construção de sensores de imagem: a CCD (charge-coupled device) e a CMOS (complementary metal-oxide semiconductor).
A tecnologia CCD tem sido mais empregada em câmeras digitais compactas devido à menor dimensão do seu photosite que é construído com poucos componentes, o que permite construir sensores de imagens mais densos ou relativamente menores que os sensores construídos com tecnologia CMOS cujo photosite exige espaço maior na superfície do sensor.
Ambos os sensores dependem da técnica de aproximação de pontos para formação da imagem, o que explica em parte o fato de câmeras compactas de menor tamanho usarem CCDs e câmeras profissionais de tamanho maior empregarem sensores CMOS.

Uma tecnologia menos usual, que não emprega a técnica de aproximação de pontos, emprega uma técnica similar à técnica usada em filmes coloridos, a superposição de planos. O sensor Foveon X3 tira proveito do fato das cores vermelha, verde e azul terem diferentes capacidades de penetração no silício e efetua a captura de imagens em três planos superpostos, dispensando a aplicação de filtros de cores sobre a superfície do sensor.
Sensibilidade a cores.

Imagens a cores podem ser obtidas com câmeras monocromáticas de sensor único aplicando filtros tricrômicos à objetiva desde que os mesmos filtros sejam aplicados na projeção de cada uma das fotografias. As imagens monocromáticas quando superpostas representarão a imagem a cores.

Sensores de imagens não são sensíveis apenas à luz visível, são sensíveis também a raios ultravioletas e infravermelhos. Esta característica é controlada tendo por paradigma a sensibilidade espectral de um observador humano padrão.
Os filtros separadores de cor são aplicados integralmente em sistemas com três sensores de imagens ou, em sistemas com sensor único, são aplicados sobre o sensor na forma de um mosaico de filtros, comumente o filtro de Bayer.

O filtro de Bayer é largamente empregado em câmeras digitais compactas, mas não é uma unanimidade. Em alguns modelos, a Sony usa um sistema quadricrômico de cores, que acrescenta a cor verde-esmeralda ao RGB (sistema RGBE).
A própria Kodak tem desenvolvido sistemas alternativos ao de Bayer que também foi desenvolvido em seus laboratórios. O sistema CYGM usa tricromia de cores CMY (mais o verde) que são mais claras e dá maior sensibilidade a alguns de seus sensores.

Em 2007 apresentou sistemas RGBW em que há participação de photosites pancromáticos que tornam os sensores mais sensíveis, mais livres de ruídos eletrônicos, além de tornarem os sensores mais semelhantes à sensibilidade do olho humano.

Os sensores CCD são mais sensíveis ao infravermelho que os sensores CMOS. Essa característica dos sensores CCD é aproveitada por algumas câmeras que possibilitam escamotear o filtro IV para tomada de fotos infravermelhas.

Formatos de sensores
Os sensores de imagem estão presentes já há um certo tempo em estúdios fotográficos substituindo os filmes convencionais. Os sensores de imagem, na foma de backs digitais, podem ser montados em corpos de câmeras de estúdio e em câmeras de médio formato.
Passando pelas câmeras de médio formato, os sensores digitais assumem formatos de filmes 120 (60 x 45 mm).

Em 2008, sensores de formato full-frame que apresentam quadro de 24 x 36 equipam câmeras de categoria profissional integrando mais de dez milhões de pixels. Em sua maioria empregam tecnologia CMOS em câmeras compatíveis com câmeras fotográficas formato 35 mm.
Sensores CCD de dimensões equiparáveis às de fotogramas de filmes super-8 (5,4 x 4,8 mm) que equipam câmeras compactas já atingiram uma integração de 8 megapixels.

A faixa intermediária entre os formatos full-frame e super-8 (1/2.5") é ocupada por sensores em formato equivalentes aos filmes APS-C e APS-H (30,2 x 16,7 e 25,1 e 16,7 mm respectivamente). Vários tipos de câmeras são oferecidos neste formato, desde câmeras compactas até câmeras profissionais do tipo SLR que intercambiam objetivas com câmeras de 35 mm.

Resolução dos sensores
Uma dos aspectos mais observados nas câmeras digitais é a sua capacidade de definição. Quanto maior o número de píxels no seu sensor de imagem, maior a definição da imagem produzida. A distribuição horizontal e vertical desses píxels geralmente é a mesma, tendo como constante o dpi (dots per inch) que é a medida de sua resolução ou de sua capacidade resolutiva. Uma resolução padronizada para saída de imagens em formato JPEG é 72 dpi.

A resolução de filmes é especificada pelo número de linhas por polegada ou por milímetro que o filme pode distinguir. Os grãos de prata dos filmes são distribuídos aleatoriamente na película, e os pixels são dispostos de forma padronizada na superfície dos sensores de imagem, mas a grosso modo, ppi (pixels per inch), lpi (lines per inch) e dpi (dots per inch) são equiparáveis.

A resolução dos sensores digitais coloridos é especificada pelo total de pixels e sensores digitais preto-e-branco pela quantidade de elementos fotossensíveis (photosites).
Um único photosite dá a medida de resolução em imagens preto-e-branco. A resolução de imagem a cores é dada em uma unidade de três photosites, ou um pixel.

Na realidade, os sensores que recebem uma camada de filtros de Bayer utilizam quatro photosites por pixel: 2 para o verde, um para o vermelho e um para o azul.
Em 2007, seis ou até nove photosites podem representar uma nova unidade mínima de resolução, agora rejuntando luminosidade e cor.

Em 2008, um sensor digital que equipa câmeras compactas de 8 megapixels apresenta tipicamente uma lineatura (ou resolução) de cerca de 500 linhas de pixels por milímetro.

Profundidade de cores dos sensores de imagens
A maioria das câmeras digitais compactas gravam fotos em formato JPEG e se limitam a apresentar cores com oito bits de profundidade por cada um dos três canais RGB. Seguem assim as especificações criadas pela HP e Microsoft que definem as cores num espaço de cor denominado sRGB que é reproduzido por monitores de computadores.

Câmeras profissionais captam cores de um espaço de cor mais amplo e em profundidade de cores de 12 ou 14 bits por canal. A qualidade é mantida durante o processo de edição, mas na saída para impressão ou apresentação, as imagens costumam ser convertidas para a qualidade sRGB.
Performance dos sensores de imagens.

Há vários parâmetros que são usados para avaliar a performance de um sensor de imagem, sendo os mais usuais a faixa dinâmica, a relação sinal-ruído e a sensibilidade à luz.
A tecnologia CMOS vem sendo beneficiada pela crescente miniaturização dos chips oferecendo vantagem do processamento rápido, ao passo que o CCD, tendo maior densidade de photosites, oferece maior resolução de imagem.

CCD - Charge-Coupled Device

Um CCD especialmente desenvolvido para uso na obtenção de imagens no ultravioleta. CCD (charge-coupled device) ou Dispositivo de Carga Acoplada é um sensor para captação de imagens formado por um circuito integrado contendo uma matriz de capacitores ligados (acoplados). Sob o controle de um circuito externo, cada capacitor pode transferir sua carga elétrica para um outro capacitor vizinho. Os CCDs são usados em fotografia digital, imagens de satélites, equipamentos médico-hospitalares (como por exemplo os endoscópios), e na astronomia (particularmente em fotometria, óptica e espectroscopia UV e técnicas de alta velocidade).

A capacidade de resolução ou detalhe da imagem depende do número de células fotoelétricas do CCD. Expressa-se este número em pixels. Quanto maior o número de pixels, maior a resolução da imagem. Atualmente as câmeras fotográficas digitais incorporam CCDs com capacidades de até 160 milhões de pixels.

Blu-ray

Os Discos de Blu-ray, também são conhecidos como BD (de Blu-ray Disc), formato de disco óptico da nova geração de 12 cm de diâmetro (igual ao CD e ao DVD) para vídeo de alta definição e armazenamento de dados de alta densidade.

É o sucessor do DVD e capaz de armazenar filmes até 1080p, Full HD de até 4 horas sem perdas. Requer uma TV full HD de LCD, plasma ou LED para exibir todo seu potencial e justificar a troca do DVD.
Sua capacidade varia de 25 (camada simples) a 50 (camada dupla) Gigabytes.

O disco Blu-Ray faz uso de um laser de cor azul-violeta, cujo “comprimento de onda” tem o tamnho de 405 nanometro, que permite gravar um maior numero de informações num disco do mesmo tamanho usado por tecnologias anteriores, como a do DVD e do CD (a tecnologia do DVD usava um laser de cor vermelha de 650 nanometros).

A letra "e" da palavra original "blue" foi eliminada porque, em alguns países, não se pode registrar uma palavra comum para fins comerciais.

Outra característica importante dos discos Blu-ray é que pensou-se em criá-los como cartuchos, semelhantes a disquetes de computador, mas a TDK descobriu um substrato que permite evitar os arranhões e facilitar a leitura (mesmo que agora eles sejam bem menos comuns) quando sujos de gordura. Esta nova característica será muito apreciada pelos utilizadores, porque dificulta o surgimento de defeitos, como nos “antigos” CD e DVD.

No Brasil a tecnologia ainda é pouco divulgada. Nas locadoras ainda existem poucos titulos disponiveis. Para ter uma variedade maior, algumas empresa costumam importar, porém são poucos os títulos comercializados no exterior que possuem legendas ou dublagem em português brasileiro.

1080p

Comparação entre resoluções de vídeo

Assim como na tecnologia “1080i” o número 1080 representa 1080 linhas de resolução vertical, enquanto a letra “p” denota uma varredura progressiva. É considerado um formato de HDTV. O uso do termo pressupõe geralmente um formato widescreen 16:9, o que implica uma resolução horizontal de 1920 pixels, equivalendo a uma resolução com 2 073 600 pixels no total.

A designação 1080p é também utilizada para descrever a capacidade de equipamentos de vídeo. O uso do termo 1080p e do diretamente relacionado 1080i em embalagens de produtos podem se referir a uma gama de capacidades. Por exemplo:

Um equipamento de vídeo qualificado como 1080 pode ter baixa resolução de imagem reformatada para exibição em alta resolução. A imagem resultante é diferente da gerada por um equipamento que gere realmente 1080p. Da mesma forma, um equipamento capaz de exibir 720p e 1080i pode não ter capacidade para exibir material em 1080p ou 1080i em resolução completa. É comum que este material tenha qualidade inferior à capacidade nativa do equipamento. O termo "capacidade nativa 1080p" é, por vezes, utilizado para se referir a equipamentos com capacidade de renderizar 1080p plenamente.


Padrões de produção

A indústria cinematográfica adotou 1080p24 como formato de masterização nas formas 24p e 24PsF (progressive segmented frame). Este pode ser o primeiro padrão universal de vídeo a transcender fronteiras continentias, algo anteriormente inexistente para filmes. Um novo formato de varredura progressiva não está disponível para criação de imagens, mas é desenvolvido atualmente para operar com 1080p à 50 ou 60 quadros por segundo. Este formato requererá toda uma nova gama de equipamentos de estúdio, incluindo câmeras e armazenagem, uma vez que a taxa de dados fora
duplicada. No futuro este formato se tornará um padrão nas transmissões.

Televisores e projetores

Existe uma crescente seleção de televisões para consumo que suportam entrada e saída de 1080p. Desde 2005, são grandes os números de aparelhos que oferecem 1080p. A cada Consumer Eletronics Show são apresentados novos fabricantes da tecnologia 1080p.

Monitores de computador

Alguns monitores de computadores modernos widescreen de cristal líquido podem exibir conteúdo 1080p. Hoje ainda é raro ser isto em laptops Esta resolução é rara em laptops, embora alguns cuja tela seja de 15" ou 17" a comportem. Muitos monitores de 23, 24 e 27 polegadas widescreen LCD usam 1920×1200 como sua resolução nativa. Muitos outros monitores LCD compatíveis com 1080p, por outro lado, não têm resolução 1920×1080 e, portanto, não podem exibir 1080p pixel por pixel. A saída é redimensionada; e embora não seja perceptível para o espectador, o que é visto é uma imagem ligeiramente degradada em relação à imagem original.

1080i

O que é 1080i?

Este é um código ou nome resumo para um formato de vídeo. O número 1080 significa 1080 linhas de resolução vertical, enquanto a letra “i” significa interpolado ou varredura não progressiva. 1080i pode ser considerado como um modo de vídeo HDTV. O termo geralmente assume uma relação de altura e largura de 16:9 (widescreen), indicando uma resolução horizontal de 1920 pixels e um quadro de 1920 × 1080 ou aproximadamente 2,07 milhões de pixels, e um campo de resolução de 1920 × 1080 / 2 (isto porque é interpolado) ou aproximadamente 1,04 milhão de pixels.
1080i é diretamente compatível com HDTVs CRT, porém nunca entrou no mercado em grande escala. 1080i é compatível com as televisões 720p- e 1080p, mas deve ser de interpolada primeiro para ser mostrada nestas formas.

Por causa da revisão do formato NTSC quando cores se tornaram disponíveis, o 1080i são geralmente 0,1% mais lento que o sugerido. Por exemplo, uma transmissão de 1080i30 ou "30 Hz" atualmente mostra cerca de 29.97 campos por segundo.

Televisão de alta definição - HDTV

A televisão de alta definição, também conhecida como HDTV (high-definition television), é um sistema com uma resolução de tela significativamente superior à dos formatos tradicionais (NTSC, SECAM, PAL). Com exceção de alguns modelos da Europa e do Japão, o HDTV é transmitido digitalmente e por isso sua implementação geralmente coincide com a introdução da televisão digital(DTV).

Apesar de vários padrões de televisão de alta definição terem sidos propostos ou implementados, os padrões HDTV atuais são definidos como 1080i (interlaced), 1080p (progressive) ou 720p usando uma proporção de tela de 16:9. O termo "alta definição" pode se referir à própria especificação da resolução ou mais genericamente ao meio (ou mídia) capaz de tal definição, como filme fotográfico ou o próprio aparelho de televisão (vide imagem ao lado).

No contexto da HDTV, os formatos de transmissão são descritos conforme a seguinte nomenclatura: O número de linhas horizontais de resolução de tela. O uso de progressive scan (p) ou interlaced scan (i). A cadência, número de quadros (frames) ou campos (fields) por segundo. Os formatos 1080i e o 1080p são iguais em resolução.

O que acontece é que no formato 1080i as linhas são atualizadas ordenadamente, uma vez a linha "par" e no momento seguinte as linhas "ímpares". Já no formato 1080p todas as linhas são atualizadas simultaneamente, evitando que em uma cena de rápido movimento uma das sequências de linhas se atrase.

Essas linhas se montam numa fração de milésimos de segundos, que o olho humano não pode ver! Porém por questão de nomenclatura dizemos que 1080i=1080p apenas na questão de RESOLUÇÃO DE TELA, pois na questão QUALIDADE DE IMAGEM o melhor é 1080p depois vem o 720p.

Interlaced e progressive scan são nomes usados para descrever duas técnicas utilizadas para "desenhar" o conteúdo da tela: O modo entrelaçado desenha em cada passagem metade das linhas da tela — as linhas pares ou ímpares — formando a ilusão de uma resolução maior transmitindo apenas metade da imagem formada.

Já o modo progressivo desenha a tela inteira em uma única passada, transmitindo e exibindo todas as linhas da tela a cada atualização (refresh).

As diferenças entre câmeras de vídeo analógicas e digitais

As câmeras de vídeo ganharam popularidade muito rápido. A primeira foi patenteada nos EUA em 1980. Seu inventor, Jerome Lemelson, já havia tentado em 1977 obter sua patente, que foi recusada pelos EUA por acharem uma idéia tão avançada que nenhum fabricante seria louco o suficiente para colocar a idéia em produção.

As primeiras câmeras eram analógicas. Hoje há vários tipos de filmadoras digitais. Seus componentes básicos são um CCD (Charged Coupled Device) como o das câmeras fotográficas digitais, lentes e pequenos motores que ajustam o zoom, foco e abertura. Além disso, um sistema de VCR, como nos videocassetes se encarrega de receber o sinal eletrônico e gravá-lo nas fitas magnéticas.

Completando os componentes está o visor, seja o tradicional, chamado de viewfinder, ou a tela de LCD. Os primeiros modelos tinham somente o viewfinder. As câmeras mais recentes vêm com os dois tipos. Eles possibilitam visualizar e enquadrar o que vai ser filmado.

Mas a maior vantagem do vídeo digital é poder transferir as imagens como arquivos eletrônicos compostos de zeros e uns, sem perder a qualidade do que se grava, como acontecem com as fitas de vídeo tradicionais, em que cada cópia sofre uma perda considerável de nitidez.

CCD no lugar do filme
As lentes são a porta de entrada das informações de uma câmera. Em uma câmera de filme, as lentes são utilizadas para focar a luz de uma cena para a superfície da película. Assim, as lentes capturam grandes quantidades de luz das partes brilhantes de uma cena e poucas quantidades de luz das partes de sombra.

Nas câmeras digitais, as lentes têm a mesma função, só que ao invés de mandá-las para um filme, as informações são enviadas para um semicondutor sensível à imagem, o CCD. Ele é composto por um painel de aproximadamente 1 centímetro com cerca de 300.000 a 500.000 diodos sensíveis à luz chamados photosites. Cada um deles mede a quantidade de luz (fótons) que o atinge e converte-a em cargas elétricas (elétrons). Uma imagem brilhante significa carga elétrica alta, da mesma maneira que uma imagem escura, baixa carga elétrica.

Mas medir somente as diferenças de luz e sombra resulta em imagens em preto e branco. Para adicionar cor é necessário que a câmera detecte não somente estas variações, como também as mudanças de cada uma das cores. Como a gama total de
cores no vídeo pode ser gerada a partir de três cores básicas —vermelho, verde e azul—, as câmeras precisam somente medir a intensidade destas três para criar todo o espectro de cores de uma imagem.

O CCD então separa toda a área de sensibilidade em micro quadradinhos, e cada um deles capta uma das cores. Os quadrados são colocados misturados de forma que toda a área do chip possa medir em diferentes pontos cada uma das três cores.
Câmeras mais modernas possuem 3 CCD sendo cada um para uma das cores RGB (do inglês Red, Green e Blue).

O funcionamento do CCD de uma câmera de vídeo é muito similar a uma câmera fotográfica digital. A diferença é que, nas filmadoras, as imagens são gravadas como pequenas fotos tiradas em seqüência em espaço de tempo minúsculo, para depois serem agrupadas para dar a sensação de movimento. Depois de capturado, o sinal de vídeo é gravado em dois "campos".

O CCD envia para um sensor alocado logo atrás dele as cargas elétricas de cada um dos photosites, um por um. Nas câmeras analógicas, estes sinais vão para o VCR, que grava as cargas
elétricas, em conjunto com as informações de cor, como um padrão magnético nas fitas de videocassete.

Enquanto a segunda camada está transmitindo o sinal de vídeo, a primeira está limpado as informações contidas anteriormente e capturando uma nova imagem. Nas câmeras digitais, o processo é idêntico —a única diferença é a existência de um conversor de sinal analógico para digital, que transforma as informações em arquivos binários, que depois são gravadas em fitas, discos rígidos ou DVDs.

Recursos de filmagem
O interessante de ter uma câmera digital são os recursos de filmagem. Nas filmadoras digitais a luz é capturada pelo CCD, que se ajusta automaticamente aos diferentes níveis de luz capturados e mantém um equilíbrio de contraste tanto em ambientes com muita ou pouca luz, sem a necessidade de o operador da câmera tenha que interferir no processo.
Assim, acertos como balanço de branco (luz do sol, sombra, luz fluorescente etc), filmagens sob pouca ou nenhuma luz ou ainda compensação de luz de fundo (de acordo com o objeto principal da filmagem) são mais fáceis e permitem capturar imagens melhores mesmo a quem não entende tanto de gravação de vídeo.

Fonte: http://tecnologia.uol.com.br/