Uma câmera digital utiliza uma matriz de milhões de minúsculas cavidades sensíveis à luz, chamadas de "fotossítios", para registrar uma imagem. Ao pressionar o botão do obturador e iniciar a exposição, cada uma dessas cavidades é descoberta para coletar fótons e armazená-los como um sinal elétrico. Quando a exposição termina, a câmera fecha cada fotossítio e, em seguida, tenta avaliar quantos fótons caíram em cada cavidade medindo a intensidade do sinal elétrico. Esses sinais são então quantificados como valores digitais, com uma precisão determinada pela profundidade de bits (bit depth). A precisão resultante pode ser reduzida novamente dependendo do formato de arquivo gravado (0 a 255 para um arquivo JPEG de 8 bits).
Array de Cavidades
Cavidades de Luz
No entanto, a ilustração acima só criaria imagens em escala de cinza, pois essas cavidades não conseguem distinguir a quantidade de cada cor. Para capturar imagens coloridas, um filtro deve ser colocado sobre cada cavidade, permitindo a passagem apenas de determinadas cores de luz. Virtualmente todas as câmeras digitais atuais capturam apenas uma das três cores primárias em cada cavidade, descartando aproximadamente 2/3 da luz incidente. Como resultado, a câmera precisa aproximar as outras duas cores primárias para ter informação de cor completa em cada pixel. O tipo mais comum de array de filtro de cores é chamado de "array Bayer", mostrado abaixo.
Array de Filtro de Cores
Fotossítios com Filtros de Cor
Um array Bayer consiste em linhas alternadas de filtros vermelho-verde e verde-azul. Observe como o array Bayer contém o dobro de sensores verdes em comparação aos vermelhos ou azuis. Cada cor primária não recebe uma fração igual da área total porque o olho humano é mais sensível à luz verde do que à vermelha e azul. A redundância com pixels verdes produz uma imagem que parece menos ruidosa e com detalhes mais finos do que seria possível se cada cor fosse tratada igualmente. Isso também explica por que o ruído no canal verde é muito menor do que nos outros dois canais primários (consulte "Entendendo o Ruído de Imagem" para um exemplo).
Cena Original
(mostrada a 200%)
O que sua Câmera Vê
(através de um array Bayer)
Nota: Nem todas as câmeras digitais usam um array Bayer, embora esta seja de longe a configuração mais comum. Por exemplo, o sensor Foveon captura as três cores em cada localização do pixel, enquanto outros sensores podem capturar quatro cores em um array semelhante: vermelho, verde, azul e verde esmeralda.
A "desmosaicação" Bayer é o processo de traduzir esse array Bayer de cores primárias em uma imagem final que contenha informação de cor completa em cada pixel. Como isso é possível se a câmera não consegue medir diretamente a cor completa? Uma forma de entender é pensar em cada array 2x2 de vermelho, verde e azul como uma única cavidade de cor completa.
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Isso funcionaria bem, porém a maioria das câmeras adota etapas adicionais para extrair ainda mais informação de imagem desse array de cores. Se a câmera tratasse todas as cores em cada array 2x2 como se tivessem caído no mesmo local, só conseguiria atingir metade da resolução nas direções horizontal e vertical. Por outro lado, se a câmera calculasse a cor usando vários arrays 2x2 sobrepostos, poderia alcançar uma resolução maior do que a possível com um único conjunto de arrays 2x2. A seguinte combinação de arrays 2x2 sobrepostos poderia ser usada para extrair mais informação de imagem.
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Note que não calculamos a informação de imagem nas bordas do array, pois assumimos que a imagem continuava em cada direção. Se essas fossem realmente as bordas do array de cavidades, os cálculos aqui seriam menos precisos, pois não haveria mais pixels em todos os lados. Isso é tipicamente insignificante, já que a informação nas bordas de uma imagem pode ser facilmente cortada em câmeras com milhões de pixels.
Existem outros algoritmos de desmosaicação que podem extrair resolução ligeiramente maior, produzir imagens com menos ruído ou se adaptar para melhor aproximar a imagem em cada localização.
Imagens com detalhes de pequena escala próximos ao limite de resolução do sensor digital podem às vezes enganar o algoritmo de desmosaicação — produzindo um resultado com aparência irreal. O artefato mais comum é o moiré (pronuncia-se "moi-ré"), que pode aparecer como padrões repetitivos, artefatos de cor ou pixels dispostos em um padrão de labirinto irreal:
Duas fotos separadas são mostradas acima — cada uma em uma ampliação diferente. Observe o aparecimento de moiré nos quatro quadrados inferiores, além do terceiro quadrado da primeira foto (sutil). Tanto artefatos de labirinto quanto de cor podem ser vistos no terceiro quadrado da versão reduzida. Esses artefatos dependem tanto do tipo de textura quanto do software usado para revelar o arquivo RAW da câmera digital.
No entanto, mesmo com um sensor teoricamente perfeito que pudesse capturar e distinguir todas as cores em cada fotossítio, moiré e outros artefatos ainda poderiam aparecer. Esta é uma consequência inevitável de qualquer sistema que amostra um sinal contínuo em intervalos ou locais discretos. Por esse motivo, virtualmente todo sensor fotográfico digital incorpora algo chamado filtro passa-baixa óptico (OLPF) ou filtro anti-aliasing (AA). Geralmente é uma camada fina diretamente à frente do sensor, e funciona desfocando efetivamente quaisquer detalhes potencialmente problemáticos que sejam mais finos do que a resolução do sensor.
Você pode se perguntar por que o primeiro diagrama deste tutorial não colocou cada cavidade diretamente uma ao lado da outra. Sensores de câmera do mundo real não têm fotossítios que cobrem toda a superfície do sensor. Na verdade, eles podem cobrir apenas metade da área total para acomodar outros componentes eletrônicos. Cada cavidade é mostrada com pequenos picos entre eles para direcionar os fótons a uma cavidade ou outra. Câmeras digitais contêm "microlentes" acima de cada fotossítio para melhorar sua capacidade de captação de luz. Essas lentes são análogas a funis que direcionam fótons para o fotossítio onde, de outra forma, seriam desperdiçados.
Microlentes bem projetadas podem melhorar o sinal de fótons em cada fotossítio e, subsequentemente, criar imagens com menos ruído pelo mesmo tempo de exposição. Fabricantes de câmeras têm conseguido usar melhorias no design de microlentes para reduzir ou manter o ruído nas mais recentes câmeras de alta resolução, apesar de terem fotossítios menores, devido à compressão de mais megapixels na mesma área do sensor.
Para leitura adicional sobre sensores de câmeras digitais, visite:
Tamanhos de Sensores de Câmeras Digitais: Como Eles Influenciam a Fotografia?
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