Capitulo 7a - Aif.estt.ipt.pt

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
Exemplos de alguns sensores da Kodak.
19,7 x 15,04 mm
38,8 x 38,8 mm
38,8 x 50,0 mm

- CCD/CMOS a cores
Obtenção do efeito de cor por
interpolação numa matriz tipo Bayer.

- CCD/CMOS a cores
Obtenção do efeito de cor num sensor tipo Fovean.
(sistema muito promissor, mas actualmente sem perspectivas de um
grande desenvolvimento e implementação generalizada)

- 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
Teste ruído térmico Nikon Coolpix 5000
valor médio
32
28
24
20
16
12
8
4
0
0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100
Integração (s)

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-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.
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
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. 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 em
que os pixeis são octogonais. Assim, a distância “d2” entre os centros de dois pixeis
ortogonais adjacentes é menor que a distância “d1” entre dois pixeis quadrados
convencionais, 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 pixeis
quadrados. Da figura, podemos ver para uma área de 4 x 4 - 16 pixeis, apenas 8 pixeis ortogonais
foram usados. Por outras palavras, uma imagem 6 megapixel é formada a partir de apenas 3 milhões
de pixeis. Na pratica a qualidade da imagem resultante é equivalente a cerca de 4 megapixeis. O
único problema desta engenhosa solução é que temos o dobro do tamanho no ficheiro final (com o
corespondente 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 cada
pixel (do ccd). Devido a elementos electrónicos, como amplificadores operacionais, em torno
da área fotosemsível, o valor do factor de preenchimento é inferior a 100%, para muitos
CCD/CMOS. Uma maneira de ultrapassar esta limitação é usando pequenas lentes –
microlentes – na superfície dos pixeis, para concentrar a radiação luminosa onde ela é
necessária. 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 dos
pixeis do nosso sensor CCD/CMOS e da digitalização do
sinal gerado em cada um desses pixeis, sendo estes defeitos
ampliados com a temperatura e com o ganho de
amplificação (sensibilidade equivalente ISO). Esta extensão
dos defeitos varia de sensor e de marca para marca. A
evolução tem sido no sentido de sensores CCD/CMOS
serem cada vez menos ruidosos, de forma a obtermos
imagens cada vez mais perfeitas.
O ruído não afecta de igual forma todas os canais de cor. Quase todos os sensores CCD/CMOS
são 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 formato
de registo (gravação) da imagem - JPEG (algoritmo de compressão da imagem) – não funciona
bem com imagens ruidosas, acrescentado-lhe ainda mais ruído/artefactos.
Nas “longas exposições” (da ordem de / e muito superiores ao segundo), os hot pixeis são mais
evidentes e temos de aplicar as técnicas de redução / subtracção de ruído.

Ruído na Imagem
Imagem a 100 ISO
Exemplo de imagens obtidas com
diferentes sensibilidades
(amplificações electrónicas)
Imagem a 1600 ISO