Entenda a diferença entre sensor Bayer e sensor Foveon

À esquerda o sensor Foveon, à direita o de Bayer

Na edição 169 da Revista Fotografe Melhor foi publicada uma matéria assinada por Bruno Mortara explicando a diferença entre os sensores das câmeras digitais. Como já publicamos em artigo anterior atualmente as câmeras digitais se dividem entre sensores CCD e CMOS (vide # Sensor Digital). Este artigo amplia a discussão comparando os sensores com filtro de Bayer com os sensores multicamadas. Vamos ver o que ele diz:

"As câmeras digitais vêm equipadas tradicionalmente com sensores baseados em tecnologias de CCD que podem adotar diferentes abordagens de construção, como tecnologias baseadas em silício ou cobre, como o CMOS. Todas as tecnologias tradicionais contém um filtro colorido, filtro de Bayer, sobre a matriz de sensores, e cada pixel só é capaz de capturar valores de luminosidade para uma das três cores primárias: red (vermelho), green (verde) ou blue (azul).

Posteriormente, (...) os pixels são "amostrados" e essa interpolação cria a imagem completa com os três componentes de cada cor para cada pixel, operação chamada demosaicing.

As câmeras convencionais baseadas em CCD com filtro de Bayer fazem uma única exposição para os três canais da imagem que entra pelo obturador, (...). Em seguida, realizam a interpolação da imagem, o demosaicing. Isso provoca uma certa degradação da sua qualidade final.

O sensor Foveon X3

A boa notícia é que existe no mercado um sensor direto de imagem, o Foveon X3. É um sensor avançado, que representa um possível salto na fotografia em cores, sendo a única tecnologia que combina o poder do digital com a essência do filme. Os argumentos desfavoráveis a essa nova tecnologia eram de que a a luz se perdia, ou perdia energia, ao passar por cada camada de sensores e isso provocava imperfeições de leitura e ruído nas imagens.

Um sensor de imagem direta capta as cores vermelho, verde e azul em cada ponto de uma imagem durante uma única exposição. A Foveon foi pioneira no desenvolvimento do sensor de imagem direta com a evolução mais avançada em design de semicondutores, processamento de imagem e de sinais.

De acordo com a Wikipédia, o sensor Foveon X3 (...) consiste em três fotodiodos empilhados verticalmente, organizados em uma grade bidimensional. Cada um dos três fotodiodos  empilhados responde a diferentes comprimentos de onda da luz, ou seja, cada um tem uma curva de sensibilidade diferente. Isso porquê diferentes comprimentos de onda de luz penetram no silício em diferentes profundidades. Os sinais dos três fotodiodos são então processados, resultando em dados com as cores primárias vermelho, verde e azul.

(...) Os resultados obtidos pela nova tecnologia, em termos de precisão de cor e índice de metamerismo, são o estado da arte.

Os benefícios conseguidos em relação ao foco e à redução de aberração cromática são creditados à pequena espessura do sanduíche de silício de cada um dos sensores Foveon X3: as três camadas têm menos de cinco micrômetros de espessura. No entanto, a profundidade de coleta da camada mais profunda, o sensor do vermelho, é comparável às profundidades de coleta em um CMOS de silício e de outros sensores CCD. Nessa faixa (...) ocorrem difusão de elétrons e perda de nitidez."

Segundo o autor as fotos geradas em sensor CCD ou CMOS (Bayer) apresentam "aberrações de cor (color jaggies) e excesso de aliasing com perda de detalhes, foco e energia radiante (...)."

Então fica a pergunta: será que "uma câmera com sensor Foveon produz resultados superiores a uma equipada com sensor de filtro de Bayer? Essa questão é bastante complexa. Os algorítimos das câmeras digitais já conseguem obter excelentes resultados, mesmo com demosaicing. A razão é bem simples: elas possuem uma concentração de photosites muito superior àquelas com sensor Foveon e, mesmo tendo de interpolar as cores, ainda há resolução suficiente para renderizar os detalhes e as nuances capturadas pela objetiva de maneira adequada."

A matéria cita alguns equipamentos que já estão no mercado com a nova tecnologia. Dentre elas estão as Sigma DSLR SD15 e as compactas Sigma DP2s e DP1x.

Ele explica que a Sigma SD15 "utiliza o sensor Foveon X3 de 14 megapixels (4,7MP de vermelho + 4,7MP de verde + 4,7MP de azul). A maneira de especificar a resolução é diversa da maneira de se especificar a resolução naquelas câmeras com sensores de filtro de Bayer. O chip de 14MP da Foveon produz arquivos nativos RGB de tamanho 4,7MP; as câmeras de 14MP com filtro de Bayer produzem arquivos nativos, por interpolação (demosaicing), de tamanho 14MP.

Mas os resultados do modelo anterior, o SD14, foram apreciados pelos críticos, que os compararam a resultados similares feitos com sensor Bayer de 10MP. Um usuário reportou que o nível de ruído da Sigma SD14, ao usar o formato de imagem RAW, é "muito baixo" para ISO 100 e "moderado" para ISO 1.600."

Segundo especialistas o sensor Foveon só perdeu do Bayer nas fotos monocromáticas (P&B).

Nos próximos anos haverá muito investimento em pesquisas nestes novos sensores multicamadas.

"Quem ganhará com a competição (...) será o usuário final, que terá, certamente, imagens com maior fidelidade de cores, menos defeitos (...), mais detalhes e melhores passagens de cor e, possivelmente, câmeras menos caras."

Para ver a matéria em inglês no Wikipédia acesse:
http://en.wikipedia.org/wiki/Foveon_X3_sensor

Para ver a câmera SD15 no site da Sigma acesse:
http://www.sigmaphoto.com/shop/sd15-digital-slr-camera

Entenda a diferença entre sensor CCD e sensor CMOS

Vejam que bacana esta matéria que saiu no site McMicro Electronics:

Este artigo, aborda uma discussão básica sobre as vantagens e desvantagens das duas principais tecnologias atualmente empregadas em sensores de imagem de câmeras de CFTV.

Sensores de Imagem para Câmeras: CCD vs CMOS
Quando uma câmera é desenvolvida, existem duas tecnologias principais possíveis para o sensor de imagem: o CCD e o CMOS. CCD e CMOS são os componentes críticos que funcionam como o filme digital da câmera. Este artigo tem o objetivo de mostrar as principais diferenças entre os dois tipos principais de sensores de imagem, procurando fornecer informações úteis para a determinação do tipo mais adequado de câmera.

Tecnologia CCD
CCD é a abreviatura do termo inglês em Charge Coupled Device, como tradução próxima teríamos Dispositivo de Carga Acoplada, que denomina a tecnologia básica de operação do sensor, onde são transferidos sinais elétricos referentes a linhas de acordo com a carga de cada ponto da matriz, esta tecnologia vem sendo usada a um longo tempo na fabricação de câmeras para CFTV, multimédia e gravação doméstica. Hoje em dia a maioria das câmeras de qualidade possuem o CCD como sensor.

Os benefícios da utilização do sensor CCD incluem...
- Melhor sensibilidade: Os CCDs podem produzir imagens de boa qualidade mesmo em condições de baixa iluminação. Principalmente os modelos P&B.
- Melhores cores e imagem mais nítida: Nos últimos anos os sensores CMOS tem reduzido a lacuna tecnológica entre as duas tecnologias. Porém o CCD se mantém superior e será a melhor opção para os próximos anos.
- Nível de qualidade alto e padronizado: Tipicamente o desvio de características entre dois CCDs do mesmo modelo são mínimos.
- Baixo nível de ruído de fundo: Um CCD produz muito menos ruído de fundo do que um sensor CMOS.

Algumas desvantagens da tecnologia CCD incluem:
- Maior custo de produção: O sensor CCD é produzido por um processo diferenciado de maior custo; portanto a unidade tem um preço mais alto em relação aos sensores CMOS.
- Maior custo e complexidade de incorporação: É mais complexa a construção de uma câmera baseada em sensor CCD, assim como são necessários componentes adicionais.
- Quando existe um objeto muito brilhante na cena (ex. uma lâmpada ou luz direta do sol), o CCD pode ser ofuscar causando listras verticais acima e abaixo do objeto. Este fenômeno é chamado “blooming and smear” (florescimento e mancha).

Tecnologia CMOS
A tecnologia CMOS é a tecnologia padrão utilizada na maioria dos chips, circuitos integrados e semicondutores produzidos no mundo, incluindo chips de memórias, microprocessadores e muitos outros. Isto torna a tecnologia muito mais acessível do que a tecnologia CCD.

Algumas características do CMOS:
- Custo mais baixo graças ao processo padrão de fabricação e da não necessidade de componentes especiais
- Em ambientes de baixa iluminação, um padrão fixo de ruído aparece. Isto pode ser visto como pequenos pontos ou linhas de ruído na imagem.
- É mais fácil de projetar uma câmera baseada em CMOS do que em CCD. Um sensor CMOS permite que seja produzida uma câmera com menos componentes e com tamanho reduzido.
- Muito utilizados em Web-Cams domésticas, para pequenas aplicações de vídeo-conferência e chats, devido ao baixo custo.

Algumas das desvantagens da tecnologia CMOS:
- Baixa sensibilidade de iluminação: Para operar corretamente, o sensor CMOS requer um ambiente bem iluminado.
- Maior relação de ruído do que CCDs.
- As tecnologias mais atuais de sensores CMOS, tem fornecido uma qualidade razoavelmente comparável aos CCDs mais simples. E em comparação aos sensores CMOS anteriormente produzidos produzem uma imagem de boa qualidade com cores mais brilhantes, melhor sensibilidade e maior nitidez na imagem.
- Alguns sensores CMOS utilizados em câmeras IP, possuem ainda a desvantagem da imagem produzida ser escalonada pela redução de linhas e pixels. Isto significa que enquanto uma imagem em tamanho completo (VGA, 640x480) será nítida e boa, pode perder informações quando escalonada para 320x240 ou menos. Para resolver este problema existe um processo chamado interpolação onde os pixels próximos são comparados de forma a gerar um pixel baseado em vários outros proporcionando melhor qualidade na imagem reduzida, existe ainda embarcadas neste tipo de câmeras poderosos chips que permitem processos avançados de compactação.

Conclusão
Nossa recomendação é a utilização de câmeras baseadas em CCD em todas as situações onde qualidade de imagem ou sensibilidade de iluminação forem os principais requisitos. Para aplicações onde o custo ou tamanho sejam críticos, um câmera baseada em CMOS é normalmente a melhor solução.
Na maioria das vezes de acordo com as vantagens e desvantagens acima, encontramos câmeras com muito mais recursos e funções com sensores CCD, onde o conjunto sensor de imagem e circuitos da câmera poderão ser instalados em ambientes muito mais complicados, como locais totalmente externos, com agentes de dificuldade. Enquanto os sensores CMOS serão encontrados em câmeras mais simples como microcâmeras e minicâmeras de baixo custo.
Possivelmente nos próximos anos a tecnologia CMOS terá grandes avanços e dentro de algum tempo e estará muito próxima aos CCDs em termos de qualidade de imagem e sensibilidade, de forma que seja possível aplicar sensores CMOS em câmeras profissionais para grandes aplicações.

Fonte: http://www.mcmicro.com/cameras-cmos-x-ccd.html

O que é Densidade de Pixels?

É verdade que quanto mais megapixels uma câmera tiver melhor sai a foto?

Depende é a resposta certa.
Resolução pura e simples não é como dinheiro, de cujo excesso nunca reclamaremos - precisa estar associada a outros fatores. Um deles é a pouco citada DENSIDADE DE PIXELS.
E o que é essa tal densidade?
Já parou para se perguntar por quê a imagem de uma câmara compacta de 12MP é inferior à uma foto feita numa reflex com 12MP?
Uma das respostas é o tamanho do sensor, maiores os receptores de luz individuais mais límpido o sinal que reproduzem.
Isso significa que existe um limite para a quantidade de receptores que podemos colocar em uma dada área do sensor - a tal densidade de pixels.
Sensores muito pequenos abusam desse limite e têm uma tendência maior à geração de ruído.
Imagine uma foto tirada com 6MP. Pouco não? Só que foram feitos testes com um sensor de 6MP numa Hasselblad (câmera de médio formato). Resultado? Qualidade perfeita. Muito diferente do que ficaria numa compacta.

Hasselblad Modelo H4d-60





Se você nunca viu uma câmera de médio formato, veja ao lado a câmera Hasselblad Modelo H4D-60. Essas câmeras possuem sensores maiores que as fullframe. São uma das preferidas do setor profissional. O sensor dessa câmera mede 40.2 x 53.7mm. O preço dessa Hasselblad com 60MP de resolução é de US$40.000,00 se comprada em Nova York.

Apenas para você ter uma idéia de tamanho de sensor, pesquisei um modelo de cada formato, mas essa medida pode ter alguma variação entre os fabricantes:

Câmera de Médio Formato

Hasselblad H4d-60 = sensor 4cm x 5,3cm (equivaleria ao filme 6x6cm)

Câmera Fullframe
Canon EOS5 Mark II = sensor 3,6cm x 2,4cm (equivalente ao filme de 35mm)

Câmera APS
Canon XT2i = sensor 2,2cm x 1,5cm (equivalente ao filme Advanced Photo System)

Câmeras Prosumer e Compactas
Canon PowerShot SX30 = sensor 6,1mm x 4,6mm

Câmera Compacta Canon PowerShot SD1300 = sensor 6,1mm x 4,6mm

Essa informação sobre a densidade de pixels de uma câmera vem expressa em MP/cm2. No cálculo é considerado o número de MP e a área quadrada do sensor. Quanto maior esse número pior ficará a foto. Veja alguns exemplos encontrados nas especificações das câmeras:

Canon EOS5 com 12MP = 1.5 MP/cm²

Canon XT2i com 15MP = 4.5 MP/cm²

Canon PowerShot SX30 com 14MP = 50 MP/cm²

Canon PowerShot SD1300 com 12MP = 43 MP/cm²

E agora você já sabe: número de pixels, qualidade da câmera e das lentes e densidade de pixels são fatores cruciais no resultado de uma fotografia.

Baseado na matéria "MITOS E VERDADES DA FOTOGRAFIA DIGITAL"

Autoria: Alex Villegas

Revista Photos & Imagens

O que é sensor fullframe e quais suas vantagens

30/10/09 - Luciana perguntou:

Eu gostaria de saber qual a verdadeira vantagem de um sensor fullframe para um sensor APS-C. Alguem pode me ajudar????

Edu respondeu:

Uma grande vantagem é que esses sensores são melhores no quesito ruído, então o desempenho é superior em ISO's acima de 1600 do que sensores menores, como o APS. Outra questão é o uso de grandes angulares que não sofrerão o fator crop, apesar de ter no mercado lentes desse tipo para sensores menores. Outra questão é a profundidade de campo, que sofrerá mudanças em razão do tamanho dos sensores.

Beth completou:

Ter uma fullframe é o mesmo que fotografar com filme de 35mm.   Implica em melhoria em tudo: ISO, ruído, qualidade geral da foto... A própria expressão fullframe (quadro cheio) indica que o tamanho do sensor é o quadro cheio do filme de 35mm, ou seja, mede 24mm x 36mm, bem maior que um sensor formato APS, que possui o tamanho de um fotograma dos antigos filmes APS (Advanced Photo System). Os sensores APS podem variar de tamanho. Os APS-C (usados pela Canon) medem 22,2mm x 14,8mm; os APS-H (também usados pela Canon) medem 28,7mm x 19mm e os APS-C (da Nikon, Pentax e Sony) medem 23,6mm x 15,7mm, ou seja, todos são menores e inferiores à um full frame.

Sensores flexíveis

28/01/09 - Saiu esta matéria na internet que vale a pena ser lida.
Será que em breve teremos sensores de luz (chip) flexíveis?
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=sensor-de-imagem-curvo-e-flexivel&id=010110090128

Como é que a câmera digital transforma uma imagem em fotografia

06/06/08 - Luciana perguntou:
Então, eu queria muito saber como é q a camera digital transforma uma imagem em fotografia. Na camera analógica é fácil entender, pq tem o filme onde a foto é gravada. Agora na Camera digital como é q funciona esse processo ???

Resposta:
O processo digital é um processo fotoelétrico. A câmera digital possui dentro dela um sensor digital (chip) ligado à uma bateria. Quando a luz refletida pelo objeto entra pelo diafragma (orifício) da lente ela segue em direção à este chip que faz o registro da imagem. O chip é composto por diversos pixels e, cada um desses pixels, ao receber a luz refletida, faz o registro daquele ponto da imagem.
Esse chip (ou sensor) trabalha no sistema RGB de cores, muito semelhante ao da fotografia analógica (CMYK), trabalhando com apenas 3 cores: RED, GREEN e BLUE para formar "todas as cores do mundo".
A princípio, quanto maior o número de pixels no sensor, melhor será a qualidade da imagem, por isso a procura por câmeras com muitos MP (megapixels), mas tamanho de chip também faz diferença, quanto maior, melhor.
Atualmente os tipos mais comuns de chips são os CMOS e os do tipo CCD.
Cada tipo de chip faz o registro da imagem de forma diferente, utilizando por exemplo semicondutores. Em seguida a imagem é gravada em algum tipo de memória (cartões CF - CompactFlash, SmartMedia, MMC, Memory Sticks, SD e outros).
No site Wikipedia há informações detalhadas sobre como se dá o registro propriamente dito. Segue abaixo um recorte literal:
"As câmaras convencionais dependem inteiramente de processos químicos e mecânicos, nem mesmo há necessidade de energia eléctrica para operar. Algumas utilizam energia para o flash e para o obturador.
Câmaras digitais, no entanto, têm um micro-computador para gravar as imagens electronicamente.
Tal como nas câmaras convencionais, a câmara digital contém uma série de lentes, que conduzem a luz para o sensor. Mas em vez de expor um filme fotográfico, fá-lo num aparelho semicondutor, que registra a luz eletricamente através de uma gradação em volts, medindo a descarga elétrica gerada pela luz. O micro-computador então transforma essa informação elétrica e analógica em dados digitais, no caso de utilização de sensores CCD, tratando-se de uma CMOS, como veremos a seguir, a captação da imagem já é feita eletronicamente, de forma digital, poupando assim o tamanho e o preço deste tipo de sensor e facilitando sua transformação em imagem.
Existem dois tipos de sensores de imagem que convertem a luz em cargas eléctricas, são eles:
CCD - charge coupled device
CMOS - complementary metal oxide semiconductor
Assim que o sensor converter a luz em electrões, ele lê o valor (a carga acumulada) em cada célula da imagem. E aqui é que vêm as diferenças entre os dois sensores:
O CCD – transporta a carga pelo chip e lê o valor na esquina da linha. Um conversor analógico-para-digital então troca o valor do pixel para o valor digital, pela medição da quantidade de carga em cada célula.
O CMOS usa vários transistores para cada pixel para amplificar e mover a carga usando os tradicionais fios. O sinal já é digital por isso não necessita do conversor analógico-digital."

Luciana disse:
Acho q entendi, é complicado mas deu pra ter uma base de como é q funciona. Quer dizer q os MP são como se fossem cada grão de prata do filme convencional ??? Muitos megaspixels é equivalente a um filme de ISO baixo ???

Resposta:
Sim, acho que a grosso modo pode-se dizer que cada pixel funciona como um grão de prata no analógico, porém uma câmera com 10MP por exemplo, possui 10 milhões de pixels para fazer a foto, independente de você regular o ISO para baixo (ex: ISO 100) ou para o alto (ex: ISO 1600).

Formato de Sensor

08/02/08 - Pit perguntou:

Galera gostaria de saber se alguém pode me dizer o que é?

1) Full Frame e pra que serve.?

2) Fator Crop e pra que serve?

Valeu!

Resposta:

Full frame é a designação dada para câmeras digitais cujo sensor tenha a mesma medida de um filme de 35mm, ou seja, 24x36mm. Um exemplo de câmera fullframe é a Canon EOS 5D ou a 1D. Se você comprar uma lente de 50mm e colocar nela vai visualizar e fotografar a mesma coisa que fotografaria com uma câmera de filme de 35mm.

Acontece que a maioria das câmeras digitais não possui sensores desse tamanho.

Na maioria das vezes eles são menores do que isso.

Veja o caso da Rebel XTi. Seu sensor é 1,6 vezes menor do que um fotograma de 35mm. Com isso, se você pegar uma objetiva de 50mm (que na classificação de lentes seria considerada uma lente normal, ou seja, de ângulo de visão parecido com o do olho humano) e colocar numa Rebel, a visualização que você vai ter do mundo será o equivalente a utilizar uma lente de 80mm (50mm x 1,6) na câmera de filme, ou seja, sua visão será de uma teleobjetiva. Diz-se então que 1,6 é o fator crop da Rebel.

E assim vai... há câmeras ultra compactas com fator crop altíssimo. São câmeras com um sensor minúsculo que basta instalarem por lá uma lente bem curta que ela logo se transforma numa normal ou tele.