2011/09/16

O que é o Padrão Bayer?

Depois de no outro dia vos ter falado de alguns aspectos técnicos dos sensores CMOS que equipam as câmaras digitais (de fotografia e vídeo) - no caso do rolling shutter - hoje venho falar-vos de outro "segredo" que muitas vezes passa despercebido à maioria dos utilizadores.

É que a grande maioria desconhece que no interior da sua fantástica câmara fotográfica ou de video HD está na realidade... um sensor monocromático!


Regresso ao Passado

Antes de prosseguir, deixem-me levar-vos numa visita ao passado. Uma das grandes revoluções na década de 90 foi o surgimento de digitalizadores de vídeo a preço "acessível" para o Commodore Amiga, e que faziam sonhar tudo e todos numa altura em que os PCs tinham placas gráficas com apenas 4 ou 16 cores. Estes digitalizadores tinham uma particularidade que agora os faz parece pré-históricos: que era... digitalizavam imagens de câmaras de vídeo, mas apenas a preto e branco.

E então, como é que se "dava a volta ao assunto" para se digitalizarem imagens a cores? Era simples... Digitalizavam-se três imagens, cada uma delas com um filtro colorido à frente da lente da câmara.

Como todos sabemos, misturando-se as componentes Azul, Vermelha e Verde, obtemos uma imagem a cores.

Claro que esta técnica podia apenas ser usada para imagens estáticas... já que qualquer movimento efectuado entre as capturas resultava em imagens... "psicadélicas". :)

Mas de volta ao assunto principal... o que têm as câmaras a ver com empresas farmacêuticas?...


O Filtro Bayer

É que os sensores utilizados ainda hoje nas câmaras, quer sejam CCD ou CMOS, são apenas sensíveis à intensidade luminosa e não à cor em si. Ou seja... o resultado é apenas e só uma imagem monocromática.

Então... como é que conseguimos ter imagens a cores a partir destes sensores?
É simples... aplicamos o mesmo conceito dos filtros coloridos a cada um dos pixeis:


Este filtro colorido chama-se Bayer devido ao seu inventor, Bryce Bayer (que trabalhava para a Kodak) e assim, cada pixel passa a receber apenas a luz correspondente a cada cor:



E depois, através de interpolação e algumas contas, podemos determinar a cor "real" de cada pixel

Mas... como se torna óbvio... não obtemos uma imagem de resolução total com a informação da cor a 100%. Aliás, de um sensor de 16MP, percebe-se que só deveríamos ter, efectivamente, uma imagem de 4MP. Pois o que se passa actualmente é o equivalente a dizerem que o vosso monitor FullHD 1920x1080 tem na realidade 5760 x 1080 "pixeis"... considerando que cada pixel é composto por 3 subpixeis RGB.

Veja-se o seguinte exemplo (imagens via Peter Cockrell):


Ao captarmos esta imagem num sensor com filtro Bayer, o resultado real é este:


E depois de aplicado o tal processamento para recalcular a cor de cada pixel e efectuar a correção de cor, o resultado é algo como isto:


O resultado não tem a nitidez do "original", porque para todos os efeitos, temos metade da resolução efectiva, e onde precisamos de 4 pixeis para ter informação colorida sobre um único pixel - embora tal possa ser ajustado brincando-se com as definições das câmaras.


É precisamente por isso que nas câmaras profissionais por vezes encontramos a indicação de que usam 3 sensores (CCD ou CMOS).


Usando um prisma para separar as cores e as redireccionar para sensores independentes, podemos ter como resultado uma imagem onde cada pixel tem efectivamente informação real sobre as cores que o compõe.


Outros Sensores e Padrões



Há ainda outras variações, de câmaras que usam padrões coloridos diferentes do "Bayer", ou disposições dos próprios pixeis diferentes do tradicional arranjo em matrix, como é o caso dos Super CCD e Super CCD HD da Fuji. Sempre com o objectivo de serem mais eficientes e oferecerem mais sensibilidade à luz... No entanto, o padrão Bayer continua a ser o mais utilizado ainda hoje.

Uma notável excepção são os sensores Foveon:


Estes sensores têm os sensores de luz colocado em três camadas sobrepostas, e onde cada uma delas serve de "filtro", resultando numa imagem de resolução total sem necessidade de 3 sensores independentes. Mas, mesmo assim... o baixo custo dos sensores com "Bayer" faz com que estes continuem a ser dominantes no mercado.

Espero que este artigo tenha ajudado a perceberem como funcionam os sensores nas câmaras... e se tiverem alguma dúvida, é só deixarem nos comentários.


Se estiverem preparados para o "próximo capítulo", ficarão a saber o que é um Backside Illuminated Sensor.

[Artigo originalmente publicado no Aberto até de Madrugada]

10 comentários:

  1. Bom artigo... desconhecia totalmente!

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  2. "[Artigo originalmente publicado no Aberto até de Madrugada - Proibida a reprodução não autorizada]"

    Que engraçadinho. Parece que o autor esqueceu-se de dar uma olhadela nas licenças ligadas às imagens, por exemplo desta.

    Agora só gostava de saber Peter Cockrell também autorizou a reprodrução parcial do artigo dele...

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  3. Caro anónimo, as imagens da Wikipédia que usei são de uso livre, as do Peter usei com referencia à pagina onde tirei (como está bem expresso no artigo).

    De resto, foram imagens procuradas para ilustrar o artigo, que nao foi "parcialmente reproduzido" de lado nenhum... Como certamente deve ter descoberto durante o tempo que andou a pesquisar e a comparar.

    Quanto muito, falhei ao nao linkar para a pagina da Wikipédia... Que foi mesmo por desleixo e nao por má intenção.

    O "aviso final" - foi a 1ª que utilizei - e foi apenas para que ficasse explicito, já que frequentemente dou com artigos meus em sites de 3ºs onde pretendem ter sido escritos por outros e sem sequer atribuirem a origem.

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  4. Eu percebo muito bem por que inclui o "aviso final". Mas isso não quer dizer que eu concordo com a sua maneira de reivindicar os seus direitos autorais.

    De facto está a exigir o direito autoral para o post completo, inclusivamente as imagens. (Mesmo que isso não seja a sua intenção.) E ao fazer isso está ignorar e violar as licenças ligadas às imagens.

    Eu tentei de uma forma irónica chamar à atenção a esse problema. É óbvio que não o consegui, porque ficou pensando que estou acusá-lo de plagiar. (O que não estou!)

    Nem todas imagens da Wikipédia são de uso "livre". Muitas requerem que se respeitam licenças como GNU Free Documentation License ou Creative Commons.

    A imagem à qual me referi no meu comentário anterior exige por exemplo que seja usada como:

    "share alike – If you alter, transform, or build upon this work, you may distribute the resulting work only under the same or similar license to this one."

    transform --> Tranformou a imagem de *.svg para *.png
    build upon this work --> incorporou a imagem transformada no seu texto

    Ao reivindicar direitos autorais "totais" está violar essa licença. Um simples link para Wikipédia seria neste caso insuficiente.

    Outra desvantagem da sua abordagem do "copyright total" é que está de facto proibir o uso linkbacks, impedido a divulgação do seu trabalho (de uma forma beneficiária) em outros blogs.

    Bem, a finalidade deste comentário (bastante longo) não era só esclarecer o mal-entendido sobre o meu último comentário, mas também para despertar a sensibilidade sobre os problemas do copyright, já que UE está forçar um regime total de copyrights e patentes sobre os seus estados membros e cidadãos. Não sei se o consegui, mas, enfim, eu tentei. :-)

    O ex-2ºanónimo

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  5. @XavierB

    Pronto, para evitar essas confusões já retirei o "aviso" final...
    (E adicionei o link para a Wikipedia - mesmo que tal seja ainda "licencialmente insuficiente")...

    E sim, estas questões são complicadas. Há uma linha ténue que separa o copyright enquanto ferramenta justa e necessária, e o seu abuso como forma de (tentar) extorquir dinheiro à custa de tudo e todos. (Tal como as patentes).

    Seja como for, agradeço o teu comentário e chamada de atenção para esta questão. Nunca é tarde para "aprender" um pouco mais. Obrigado.

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  6. Excelente artigo. Sem dúvida um dos blogs mais interessantes na blogosfera nacional. Parabéns!

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  7. Parabéns pelo artigo, Carlos. Sou do Brasil e seu artigo aqui me foi muito útil para formular um artigo acadêmico no qual estou trabalhando. Agradeço e desde já digo que ganhaste um novo leitor.

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  8. Muito bom! Me foi extremamente útil, independente de onde veio. ;P

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