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CCD o olho da camera.

CCD o olho da camera.

23/07/11

coluna Fique Ligado, revista Zoom Magazine

Você já ouviu falar sobre ele inúmeras vezes e provavelmente tem uma câmera de vídeo ou uma máquina fotográfica digital que o utiliza para registrar as imagens: o CCD. Vamos efetuar aqui um passeio por esse engenhoso dispositivo criado pela eletrônica, que revolucionou a captação do vídeo e mais recentemente, da fotografia.

Para isso, vamos precisar de uma calculadora eletrônica…. e antes que você diga que a única coisa que você não gostaria de fazer agora é contabilizar quanto vai custar a sua próxima produção, fique sabendo que a calculadora não será utilizada para fazer contas. Na verdade, você vai sair em busca daquele tipo de calculadora que funciona com energia solar, ou seja, que pode funcionar sem pilhas ou baterias. E vai reparar que ao lado do display onde são mostrados os números, existem algumas janelinhas escuras, uma ao lado da outra. O que são essas janelinhas? São foto-células, o princípio do funcionamento do CCD.

O CCD é um minúsculo painel (um dos tipos mais comuns de CCD tem 1/3 pol. de medida na diagonal, ou seja, apenas 6,7 mm) composto por milhares de pontos sensíveis à luz. Cada um destes pontos é uma miniatura da foto-célula utilizada pelas calculadoras. Neste tipo de calculadora, a eletricidade é gerada pelas foto-células, que convertem luz em energia. No painel do CCD existem portanto milhares de minúsculas foto-células gerando cargas elétricas, que são descarregadas uma a uma, em sequência, no processo de leitura descrito adiante. Essas cargas formam uma "fila" na saída do painel, acopladas umas às outras como os vagões de um trem, daí a origem do nome "CCD": Charge Coupled Device (dispositivo de cargas acopladas).

Inventado nos anos 70, o CCD substituiu os antigos e desajeitados tubos que eram utilizados até então dentro das câmeras de vídeo, denominados Vidicon. O CCD é o chip sensor responsável por registrar a imagem ‘vista’ por uma câmera de vídeo: as lentes da câmera projetam sobre sua superfície a imagem, que é convertida em impulsos elétricos gerando assim o sinal de vídeo.

Quanto mais luz incide sobre o CCD, mais energia é gerada: a intensidade de corrente criada é proporcional à intensidade da luz. Agora pense em uma paisagem qualquer e veja que uma imagem fotográfica é formada por distintas áreas, claras e escuras; ao ser projetada sobre o CCD, fará com que alguns pontos recebam mais luz, outros menos, outros quase nenhuma, de acordo com o desenho da imagem. Imagine agora que em um dado instante, cada ponto do CCD (ou seja, cada micro foto-célula) tenha a intensidade da corrente que ele está gerando medida e anotada em algum lugar. Imagine agora um dispositivo em forma de painel, composto por vários pontos que, recebendo determinada intensidade de corrente, brilhem de acordo com esta intensidade. Será possível então reproduzir nesse painel, ponto por ponto, a imagem registrada no CCD.

Este dispositivo é a tela de um aparelho de TV e o processo de anotar (armazenar) e posteriormente reproduzir as intensidades de corrente é o processo de gravação e reprodução em uma fita de vídeo. Percebeu como, a grosso modo, um é o inverso do outro?

Porém em vídeo, como as imagens estão em movimento, não basta registrar estas intensidades de corrente em determinado instante e sim a todo (ou quase todo) instante. Para tanto, um circuito eletrônico ‘varre’ periodicamente o CCD, percorrendo-o e ‘anotando’ em cada ponto do mesmo (micro foto-célula) qual a intensidade da corrente naquele momento. O CCD é lido em linhas horizontais, da esquerda para a direita e de cima para baixo.

À medida que esta varredura é feita, uma sequência imensa de valores diferentes de intensidade de corrente é produzida pelo circuito leitor do CCD (o "trem" de cargas acopladas descrito acima); para registrar esta sequência de cargas, uma fita magnética passa em velocidade constante sobre um dispositivo de gravação (cabeça de vídeo). Um processo eletrônico transforma variações de intensidade de corrente (os diferentes valores das cargas) em variações equivalentes de campo magnético, magnetizando a fita. Pronto ! Aí está, registrada na fita, a imagem projetada no CCD.

O processo inverso irá reproduzir esta imagem registrada na fita: ao ser a mesma movimentada na mesma velocidade sobre um dispositivo leitor de gravação (cabeça de vídeo) as variações de intensidade de campo magnético serão convertidas pelo circuito eletrônico em variações de intensidade de corrente. Um canhão de elétrons percorrerá, também em linhas horizontais da esquerda para a direita e de cima para baixo, uma trajetória emitindo mais ou menos elétrons (conforme a intensidade da corrente ‘lida’ na fita) em direção a parte interna do tubo de imagem da TV que, revestido de uma substância capaz de emitir mais ou menos luz conforme receba mais ou menos elétrons, formará na tela a mesma imagem registrada pelo CCD.

Você já viu aqueles mosaicos de pastilhas coloridas em que o artista forma com as mesmas uma imagem perfeita quando observada à distância? Então, cada um dos pontos sensíveis à luz no CCD assemelha-se a uma pastilha do mosaico: imagine pastilhas de mesmo tamanho alinhadas simetricamente lado a lado. Só que ao invés de "pastilha", seu nome é "pixel". Como cada pixel ocupa uma determinada área da imagem, quanto mais pixels no CCD maior o detalhamento da imagem registrada.

Percebeu como até aqui ninguém falou na palavra "digital"? O CCD é lido pelo circuito eletrônico linha a linha e o resultado é um sinal analógico, uma sequência de valores de intensidades dos sucessivos pixels dispostos ao longo das linhas. É por isso que o CCD não é um dispositivo digital: ele é um dispositivo analógico. Isso quer dizer que aquela sofisticada câmera digital que você acaba de comprar possui um chip analógico em seu interior e que o primeiro sinal gerado pela câmera a partir da imagem projetada pelas lentes é analógico? Exatamente !!

E agora vem o segredo: a partir deste ponto, o sinal analógico pode ser gravado diretamente na fita (câmeras analógicas) ou então digitalizado e a seguir gravado em fita / disco (câmeras digitais). Neste caso, a conversão analógico/digital é efetuada em tempo real por um circuito denominado A-D converter (Analogue to Digital Converter), localizado dentro da câmera.

Tudo bem, você aprendeu como a imagem é formada…mas… e a questão das cores? A foto-célula presente na calculadora não consegue distinguir cores, apenas reage à luminosidade como um todo, maior ou menor. Alguns artifícios são adotados para conseguir o registro de imagens em cores. O mais simples (e barato) consiste em recobrir o CCD com uma máscara de micro janelas coloridas, nas cores básicas do sistema RGB (vermelho, verde, azul), alternando-se as cores através da superfície do CCD. Desta forma, 1/3 dos pontos do CCD estará coberto por um filtro vermelho e somente se sobre este ponto houver alguma parcela de cor vermelha a foto-célula situada abaixo do mesmo a registrará. O mesmo acontecerá para as outras cores. O circuito eletrônico então fará a leitura separada das células, conforme a cor, gerando três sinais diferentes. Estes sinais podem agora serem gravados de maneira analógica ou então serem convertidos para o formato digital sendo a seguir gravados.

O processo acima descrito acarreta perdas na definição da imagem (ocupa 1/3 dos pontos para cada cor) entre outros problemas. Um processo mais sofisticado (e caro) utiliza 3 CCDs, cada um para registro independente de uma das 3 cores básicas. Um sistema de prismas separa a imagem em 3; a seguir cada imagem passa através de um filtro de uma das cores básicas e é projetada sobre o CCD correspondente. A qualidade da imagem é muito superior neste processo, embora de maneira geral seja necessária mais luz para o registro da mesma, uma vez que ela é dividida no processo de registro no CCD.

As câmeras do segmento doméstico e semi-profissional geralmente possuem um único CCD, enquanto que outras de segmento semi-profissional e todas do segmento profissional possuem 3 CCDs. Somente a quantidade total de pixels no(s) CCD(s) de duas câmeras não serve de parâmetro de comparação para se deduzir a qualidade da imagem; uma câmera com 1 CCD contendo mais pixels do que a soma dos pixels de outra com 3 CCDs não necessariamente produzirá imagem melhor, porque a quantidade de pixels é apenas um dos fatores que contribuem para a mesma.

Existem tamanhos padrão usuais para a medida da diagonal de CCDs, medida em polegadas: 2/3 pol, ½ pol, 1/3 pol, ¼ pol e 1/6 pol. Os primeiros CCDs continham pixels maiores do que os atuais e podia-se dizer que quanto maior o tamanho de um CCD melhor a imagem produzida. Atualmente no entanto a tecnologia é capaz de compactar cada vez mais um número maior de pixels em CCDs de dimensões menores (¼ pol, 1/6 pol) de forma que nem sempre um CCD menor produz imagem com menor qualidade do que um maior.

Pronto! Agora que você já sabe como funciona o CCD, aproveite que está com a calculadora na mão e…..

Fonte: Fazendo video

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