Como funcionam os sensores das câmaras digitais

Câmaras digitais utilizam uma disposição de sensores de milhões de pequenos pixéis para produzir uma imagem. Quando dispara a sua câmara e a exposição da imagem começa, cada um desses pixéis tem um "fotosítio" que é descoberto para coletar fótons numa cavidade. Uma vez que a exposição termina, a câmara fecha cada um desses "fotosítios" e então tenta determinar quantos fótons caíram em cada um deles. A quantidade relativa de fótons em cada cavidade é então organizada em vários níveis de intensidade, cuja precisão é determinada pela profundidade de bits (0 - 255 para uma imagem de 8-bits).

Cada cavidade é incapaz de distinguir quanto de cada cor caiu dentro dela, então a explicação dada na ilustração acima serve apenas para a criação de imagens em tons de cinza. Para capturar imagens coloridas é necessário colocar um filtro sobre cada cavidade de modo que haja somente penetração de uma cor específica. Praticamente todas as câmaras digitais que existem hoje são capazes apenas de capturar uma cor primária em cada uma das cavidades, desse modo descartam aproximadamente 2/3 de toda a luz que atinge o sensor. Como resultado, a câmara tem que realizar uma aproximação para estimar a informação relacionada às outras duas cores primárias para obter a descrição completa de cores num determinado pixel. A disposição de filtros de cor mais comum é chamada de "Bayer array" e é mostrada na ilustração abaixo.

Uma "Bayer array" consiste em alternar as linhas de filtros vermelho e verde com linhas de filtros verdes e azuis. Note como a "Bayer array" contém duas vezes mais sensores verdes do que sensores azuis ou vermelhos. Isso ocorre pois o olho humano é muito mais sensível à luz verde do que à vermelha e azul. A redundância do verde produz imagens que aparentam ter muito menos ruído e com mais detalhes do que se cada cor fosse tratada igualmente. Isso também explica porque o ruído no canal verde é muito menor do que nos outros dois.

Nota: nem todas as câmaras utilizam uma "Bayer array", mas esta é, de longe, a configuração mais comum para os sensores. O sensor "Foveon" usado nas Sigma SD9 e SD10 captura as três cores primárias em cada um dos pixéis. As câmeras da Sony capturam quatro cores numa disposição similar a de "Bayer": vermelho, verde, azul e 'esmeralda'.

"Bayer demosaicing"

"Bayer demosaicing" é o processo de tradução da "Bayer array" de cores primárias numa imagem final que contém informação completa de cor em cada pixel. Como isso é possível se a câmara é incapaz de medir a cor total diretamente? Uma maneira de entender isso é pensar em uma cavidade de cor ao invés de grupos de 2x2 cavidades de vermelho, verde e azul.

Isso funcionaria muito bem, mas a maioria das câmaras tira vantagem de dois processos adicionais para extrair ainda mais dados de cor dessa configuração. Se a câmara tratou cada uma das cores dos grupos de 2x2 como se tivesse chegado ao mesmo lugar, então ela obtém somente a metade da resolução horizontal e vertical que é capaz de fazer. Se, por outro lado, a câmara computar a cor usando combinações de diversos grupos de 2x2 'sobrepostos', então ela obteria uma imagem de resolução maior do que usando apenas um grupo de 2x2 para cada pixel. Veja a combinação de sobreposição na ilustração abaixo.

Note como não foi calculada a informação nas bordas do conjunto, já que ela só estaria disponível se houvesse mais sensores para os lados e para cima. é por isso que quando o cálculo ocorre nas bordas dos sensores de câmeras digitais um pouco de informação tem que ser descartada, o que não é um problema muito grave, quando lembramos que se tratam de imagens de megapixéis, ou seja, alguns pixels a menos...

Existem outros algoritmos de "demosaicing" que são capazes de extrair mais resolução, produzir imagens com menos ruídos ou adaptar-se para aproximar melhor a imagem em cada ponto; obviamente estes são demasiado complexos para o presente texto.

Artefatos de 'demosaicing'

Imagens com detalhes muito pequenos (na mesma escala do limite de resolução do sensor) podem, as vezes, enganar o algoritmo de 'demosaicing', produzindo um resultado com um aspecto não muito realista. O artefato que aparece mais é chamado de moiré (pronuncia-se 'moar-ei'), que se pode apresentar como um padrão que se repete, uma disposição de cor ou ainda arranjos de pixéis que se parecem com um estranho 'labirinto'.

Duas fotos diferentes são mostradas na imagem acima, cada uma com um grau de magnificação. Note o aparecimento do moiré em todos os quatro quadrados na imagem de baixo, bem como no terceiro quadrado da primeira imagem (repare nas linhas diagonais muito sutis). Ambos os padrões que se parecem a labirintos e as disposições coloridas podem ser vistos no terceiro quadrado da versão diminuída. Esses artefatos dependem tanto do tipo de textura da imagem original quanto do software utilizado para tratar a imagem capturada.

Conjuntos de Microlentes

Deve ter perguntado porque o primeiro diagrama não mostrava as cavidades do sensor coladas umas nas outras. Os sensores de câmaras no mundo real não têm sítios cobrindo a superfície inteira do sensor. Na verdade eles normalmente cobrem somente metade da área total do sensor, já que outras partes eletrônicas tem que ser colocadas também. Mas cada uma das cavidades possui 'microlentes' logo acima delas que funcionam como funis para aumentar a capacidade de captação de cada sítio, assim é possível medir fótons que poderiam ter acabado em lugares sem sensibilidade. Na imagem abaixo as cavidade são mostradas com um pequeno pico entre elas que direcionam os fótons para a cavidade.

Microlentes bem feitas podem melhorar o sinal fotônico em cada fotosítio e, dessa forma, pelo mesmo tempo de exposição, criar imagens que têm menos ruído. Fabricantes de câmaras utilizam os avanços na tecnologia de microlentes para reduzir (ou manter) o ruído nas últimas câmaras de alta resolução, apesar de terem fotosítios menores devido ao fato de terem a mesma quantidade de megapixéis na mesma área de sensor.

Fonte: Cambridge in Colour