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Como funciona a câmera fotográfica digital (ART515)

Da mesma forma que o CD tornou as fitas cassetes obsoletas, as câmeras fotográficas digitais estão tornando produto de gerações passadas as fotografias tiradas com filmes tradicionais. Com muito maior capacidade de fotos, maior nitidez em alguns casos e até mesmo a possibilidade de se editar a foto, as câmeras digitais são as preferidas para os trabalhos de editoração, usadas por repórteres e em muitas outras aplicações onde a câmera tradicional já está suplantada. Veja neste artigo como funcionam essas câmeras.

Numa câmera fotográfica comum, temos um sistema de lentes, um obturador e um filme colocado num compartimento à prova de luz, conforme mostra a figura 1.

 

O processo da fotografia a filme.
O processo da fotografia a filme.

 

Quando apontamos a câmera para a imagem a ser registrada e apertamos o disparador, por um instante o obturador abre deixando a imagem focalizada projetar sobre o filme.

Esse filme (negativo) é recoberto por sais de prata que são sensíveis à luz. Assim, os pontos de claros e escuros (e as cores) vão sensibilizar os grãos correspondentes fazendo-os mudar de características químicas.

Quando esse filme é revelado, colocado numa substância química apropriada, a tonalidade que cada grão assume depende da quantidade de luz que ele recebeu no momento do registro da imagem. Temos então a formação do negativo da imagem, conforme mostra a figura 2.

 

O antigo processo de revelação fotográfica.
O antigo processo de revelação fotográfica.

 

A partir desse negativo pode-se então obter a foto final por um processamento que a imprime em papel especial. Trata-se de um processo não muito simples, mas bastante eficiente permitindo o registro de imagens, uma definição serão tanto maior quanto mais fina for a granulação do filme.

Para o registros de imagens na forma digital temos um processo totalmente diferente que não envolve negativos, substâncias químicas ou a necessidade de revelação. Vejamos como isso funciona.

 

A câmera digital

A idéia básica de uma câmera fotográfica digital é captar a imagem com um sensor especial e transformar cada ponto desta imagem em bits que são então registrados numa memória. Descarregando essa memória num computador, podemos reproduzir cada foto na tela do monitor de vídeo, armazená-la ou ainda imprimi-la através da impressora.

Na figura 3 temos então o diagrama de blocos típico de uma câmera digital a partir de onde passamos a explicar seu princípio de funcionamento.

 

Diagrama de blocos de uma câmera digital.
Diagrama de blocos de uma câmera digital.

 

O elemento mais importante da câmera é o sensor CCD (Charge Coupled Device) que é "olho" capaz de registrar na forma digital as imagens focalizadas por uma lente.

Esse dispositivo, mostrado na figura 4, consiste numa pequena pastilha de silício contendo centenas de milhares de células individuais que nada mais são do que diodos ou transistores sensíveis à luz.

 

O CCD
O CCD

 

Este sensor funciona com um sistema de varredura que lê o nível de luz que incide em cada elemento da matriz de sensores, enviando então uma seqüência de valores digitais correspondentes para a memória.

Para cada ponto de imagem temos três sensores, que "medem" a intensidade da luz de cada cor básica que corresponde àquele pixel. Lembramos que o "pixel" ou "picture element", é a unidade de imagem ou o ponto de imagem. Quanto mais pixels tiver o sensor e portanto a câmera fotográfica, mais nítida será a imagem obtida.

As câmeras comuns existentes no mercado possuem definições a partir de 1,2 Megapixels, mas as melhores são aquelas que possuem definições acima de 3 Megapixels, pois as imagens podem ser ampliadas bastante sem a perda de definição.

O processo de digitalização a partir do sinal de CCD passa por um conversor A/D ou analógico para digital. O que ocorre é que o sinal na saída de cada célula do CCD é analógico e tanto o registro como o processamento da imagem devem ser feitos na forma digital.

O processamento da imagem é controlado por um microcontrolador que agrega as diversas funções possíveis como por exemplo o tamanho, a aproximação (zoom), tempo de exposição, etc. Os comandos para essas funções vêm das teclas externas.

O processador digital também alimenta um LCD ou tela de cristal líquido que projeta a imagem que está sendo focalizada e depois a imagem que está sendo reproduzida, conforme mostra a figura 5.

 

Tela de LCD.
Tela de LCD.

 

Esse mostrador ou tela de cristal líquido é importante pois nos permite ver imediatamente a imagem que foi registrada. Se ela não nos agradar podemos deletá-la e bater a foto novamente. Esta é uma das grandes vantagens das câmeras digitais em relação às câmeras comuns.

As imagens registradas são arquivadas numa memória. As câmeras comuns já vêm com uma memória de pequena capacidade, normalmente 8 Mbytes o que é suficiente para armazenar algumas dezenas de fotos.

O espaço ocupado na memória por uma foto depende basicamente da definição com que a programamos e também do seu tamanho. As câmeras comuns possuem a opção de se registrar maior número de fotos escolhendo uma menor definição e um menor tamanho.

Assim, uma foto em média definição com uma máquina de 3,3 M pixels e tamanho de 1024 x 768 ocupa algo entre 50 k e 100 k bytes da memória. Por outro lado, uma imagem em alta definição com 2048 x 1536 pixels ocupa mais de 1 M bytes de imagem.

Evidentemente, existe a possibilidade de se registrar um número muito maior de fotos do que a obtida com a capacidade original de uma câmera se acrescentarmos memória. A maioria das câmeras tem a opção de se usar um cartão adicional de memória de 16 M a 128 M bytes, conforme mostra a figura 6.

 

Cartão de memória.
Cartão de memória.

 

 

Compressão

Um recurso importante que torna possível armazenar muitas imagens num espaço de memória relativamente pequeno é a compressão JPG.

Se fossemos registrar pixel por pixel de uma imagem, uma foto sempre ocuparia um espaço dado pelo produto de sua resolução horizontal pela resolução vertical. Em outras palavras, uma imagem de 2048 x 1538 pixels, supondo que cada ponto de imagem exija 1 byte, ocuparia sempre 3 149 824 bytes de memória. Com 8 M bytes teríamos condições de armazenar apenas 2 fotos!

No entanto, a imagem é "comprimida". Essa compressão feita pelo processo JPEG consiste em se eliminar a necessidade de se repetir os pixéis de cores e tons que se repetem numa boa área de foto.

Assim, em lugar de termos de gravar um a um todos os pixéis de uma grande região de fundo azul de uma foto, simplesmente gravamos a posição dessa região através de uma fórmula curta e dizemos que ela deve ser preenchida de azul. O espaço ocupado para isso é dezenas de vezes menor do que o exigido para gravar individualmente todos os pixéis.

É por este motivo que os tamanhos das fotos obtidas por câmeras digitais não é sempre o mesmo. O processo JPEG analisa a imagem e a comprime de modo que ela possa ocupar o mínimo de bytes.

Essas memórias são regraváveis, ou seja, memórias do tipo flash. Isso significa que uma vez que tenhamos obtidos as fotos desejadas e as descarreguemos num computador, podemos apagá-las e usá-las novamente.

 

Interfaceamento

O interfaceamento da câmera com o computador é feito através de um cabo USB (Universal Serial Bus), conforme mostra a figura 7.

 

Cabo USB x Câmera digital.
Cabo USB da Câmera digital.

 

O próprio fabricante da câmera fornece um programa (software) que permite fazer a transferência das fotos para um arquivo no computador onde elas podem ser vistas, editadas, transferidas via internet, regravadas em CD ou disquete ou impressas.

A qualidade de uma impressão não vai depender apenas da qualidade com que a imagem tenha sido registrada. O tipo de impressora e o papel usado influem nisso. Assim, para fotos de maior qualidade existem papeis especiais que podem ser adquiridos nas casas especializas.

Quando a câmera é conectada no computador e ligada, estando o programa de armazenamento de imagens carregado, a transferência é automática.

Normalmente a máquina atribui números para as fotos, mas eles podem ser alterados quando a armazenamos de modo definitivo, passando-os do programa que as descarrega para um arquivo definitivo. Podemos abrir pastas com o nome do evento registrado e colocar as fotos nessas pastas para posterior uso.

Uma vez que a transferência e armazenamento tenham se completado, podemos desconectar a máquina, apagar a memória e bater novas fotos.

 

Outros Recursos

Além da possibilidade simples de se "bater fotos" as câmeras digitais modernas podem fazer mais.

Assim, o sensor CCD é uma câmera de vídeo que pode registrar também imagens em movimento. Muitas câmeras, ligadas ao computador podem ser usadas como webcams, permitindo que a imagem captada seja transferida pela Internet. Ela pode então ser usadas em videoconferências, conforme sugere a figura 8.

 

Usando a câmera digital como webcam.
Usando a câmera digital como webcam.

 

Outra possibilidade está em se fazer pequenos vídeos, registrando-se imagens de forma dinâmica (filmes) em intervalos de tempo que dependem do tamanho da memória. Tempos típicos de "clipes" que podem ser feitos chegam aos 30 segundos para as câmeras comuns.

Outro recurso encontrado em algumas câmeras é a possibilidade da gravação simultânea de som, funcionando como gravador digital. Além de podermos fazer os pequenos filmes sonoros, também podemos fazer entrevistas e obter as fotos com um mesmo equipamento, o que é muito interessante em reportagens.

O recurso de se tocar gravações em MP3 também pode ser visto em algumas câmeras mais completas.

Finalmente temos as câmeras digitais integradas a telefones celulares com recursos para que a foto registrada seja imediatamente enviada via Internet para um local distante. Na figura 9 mostramos um telefone celular com câmera fotográfica integrada.

 

Aparelhos de telefones celulares já tem câmeras digitais embutidas.
Aparelhos de telefones celulares já tem câmeras digitais embutidas.

 

 

Algumas Limitações

Apesar dos recursos fantásticos que a tecnologia da câmera fotográfica (e de vídeo) digital apresenta, existem ainda algumas limitações que devem ser levadas em conta principalmente quando o leitor for comprar a sua.

Uma primeira limitação está na capacidade de memória. Os cartões de expansão ainda são caros e nem todos que adquirem uma câmera mais simples estão em condições de agregá-los. Esses cartões também determinam o tempo máximo de gravação dos clipes animados.

Outro ponto observado nas câmeras comuns é que seus flashes não são suficientemente potentes para permitir o registro de imagens em grandes espaços escuros. Eles funcionam bem apenas para o registro de imagens relativamente próximas.

Finalmente temos o elevado consumo do circuito, principalmente do flash, LCD e do CCD que faz com que as pilhas usadas na sua alimentação se gastem rapidamente. A troca constante dessas baterias é um incômodo que futuramente poderá ser superado.

Uma solução encontrada para reduzir os gastos com a fonte de alimentação consiste no uso de pilhas recarregáveis. De qualquer forma, ao adquirir uma câmera escolha uma que use pilhas comuns alcalinas ou recarregáveis que representam um custo menor.

 

Conclusão

A tecnologia das câmeras fotográficas digitais está evoluindo rapidamente tanto com o aumento da definição (maior número de pixels) como na capacidade de memória.

Hoje câmeras do tamanho de cartões de visita e até mesmo em canetas já estão disponíveis e seu custo cai rapidamente a ponto de que, em breve, qualquer pessoa poderá tê-las.

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