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Ficção e Ceticismo

A Navalha do Doutor Invencível

9 de agosto de 2009 Comments (1) Views: 1517 Ceticismo, Ciência, Destaques

A câmera Photoshop

Kentaro Mori, editor CeticismoAberto

Instantes depois de bater sua foto, sua câmera digital estará diligentemente alterando a imagem capturada de forma sutil – ou não tão sutil. No momento em que a fotografia é finalmente armazenada na memória de sua câmera fotográfica, ela já foi processada diversas vezes, sendo adulterada em cada passo ao longo do caminho. Grosso modo, toda câmera digital possui uma espécie de Photoshop embutido, um sistema de processamento de imagens. Praticamente nenhuma imagem digital está livre de manipulações.

O sensor CCD
Ao invés de um rolo de filme, o negativo, as câmeras fotográficas digitais contam com um sensor de imagem, um CCD – abreviação de charged coupling device, ou dispositivo de carga acoplada. Este dispositivo que é o coração de uma câmera digital, onde os famosos megapixels residem, consiste basicamente em uma espécie de chip contendo uma grade de elementos, os capacitores, que reagem à luz. Cada elemento irá acumular uma carga elétrica proporcional à quantidade de luz recebida. Mais luz, mais carga. Medindo tal carga ao longo de toda a grade de elementos no sensor CCD, a câmera digital poderá então registrar a imagem completa.

Para capturar uma imagem colorida, o CCD conta elementos sensíveis a cada uma das três cores primárias, vermelho, azul e verde, dispostos geralmente como pode ser visto no diagrama abaixo. Note que há o dobro de elementos sensíveis ao verde, conseqüência de nossa própria percepção visual, mais sensível a tal cor.


[Wikipedia: Bayer filter]

Como cada elemento da grade é sensível a apenas uma das três cores, o sensor CCD colorido captura em verdade uma imagem esverdeada como a seguinte:


[http://www.nezumi.demon.co.uk/photo/bayer/bayer.htm]

É o processamento desta imagem capturada pelo CCD antes que seja armazenada que faz com que câmeras digitais não tenham multiplicado a incidência de extraterrestres verdes. Todos sabemos que são cinzas.
Ao contrário de um filme, o sensor eletrônico comum não captura a imagem completa de uma só vez, ele a lê ao longo dos elementos da grade de forma gradual. Isto pode produzir efeitos curiosos que podem ser mais evidentes em sensores de menor qualidade (e menor preço), como os de telefones celulares. Na imagem abaixo, como o sensor eletrônico captura a imagem linha por linha e a imagem está em rápido movimento, uma placa de trânsito vertical pode parecer completamente distorcida, como se afetada por um campo gravitacional de distorção. Mas é apenas a distorção produzida por um sensor lento.


[http://www.flickr.com/photos/cetan/323264975/]

Já se os filmes antigos podiam “queimar” com a sobre-exposição, sensores CCD também têm seus problemas quando lidam com fontes de luz muito fortes. O mais comum é o “sangramento”, visível nesta imagem do cometa McNaught tomada pelo satélite espacial SOHO.

A página do projeto SOHO, da ESA e NASA, explica: “O cometa McNaught é tão brilhante que satura a câmera CCD de forma que um ‘sangramento’ ocorre ao longo das linhas de pixels. Há um rastro horizontal brilhante em ambos os lados da cabeça do cometa, porque a carga vaza mais facilmente na direção em que a imagem CCD é lida pelos componentes eletrônicos associados”. Em câmeras comuns o sangramento costuma ocorrer na vertical.
Quando se decide fotografar o Sol, o CCD e os dispositivos eletrônicos da câmera também podem produzir um efeito quase inverso, onde as regiões mais claras da imagem ficam simplesmente negras. O resultado é um disco negro.

Além destes efeitos derivados da eletrônica do sensor, seu próprio tamanho o diferencia das câmeras convencionais: o sensor CCD costuma ser muito menor que um filme de 35 mm. Com lentes e distâncias focais igualmente menores, câmeras fotográficas digitais acabam produzindo imagens com uma profundidade de campo muito maior.
A profundidade de campo é a região em que a imagem capturada ainda aparenta estar em foco. Câmeras digitais minúsculas podem assim focalizar objetos a distâncias curtíssimas ao mesmo tempo em que capturam nitidamente alvos a distâncias a que estamos mais acostumados com câmeras convencionais. O resultado? Câmeras digitais motivaram uma profusão de “OVNInsetos”:

Os OVNInsetos não se resumem a insetos, mas também a todo tipo de partícula ou objeto próximo da lente. Quando são partículas de poeira refletindo a luz do flash, é comum a produção de “orbs”. Todos estes costumam passar despercebidos no momento da fotografia, ao contrário dos supostos discos voadores ou almas penadas gigantes que aparentam ser, e só são notados quando a imagem é vista em sua glória completa. Tais problemas também ocorriam com câmeras convencionais, mas a maior profundidade de campo de imagens digitais facilita seu aparecimento.
Somadas a todas estas peculiaridades, as câmeras digitais contam com uma série de (d)efeitos idênticos às câmeras convencionais, principalmente relacionados com as lentes. Imagens fora de foco e reflexos internos são tão comuns em imagens digitais quanto costumavam ser nos filmes.

Todos estes (d)efeitos podem surgir em fotografias digitais antes mesmo que a câmera processe a imagem. Ou seja, este é só o começo.

Processando a imagem
Como vimos, a imagem bruta capturada pelo CCD é muito pouco satisfatória. Mas ela é o mais próximo que você terá de uma imagem não-adulterada em uma câmera, e se você realmente quiser utilizar suas fotografias digitais como evidência em um tribunal, basta selecionar a opção de salvar suas imagens no formato “RAW” – que preservará, sem qualquer processamento, exatamente o que o sensor CCD capturou.
A desvantagem é que as imagens salvas desta forma, justamente por não serem processadas, terão um tamanho dezenas de vezes maior e demorarão assim muito mais para serem salvas. Isto é, você capturará menos imagens e com muito menos agilidade. Poderá funcionar se você souber exatamente quando Bill Gates participará de seu ritual satânico anual e puder planejar sua sessão de fotos, mas dificultará muito capturar o momento fortuito em que seu vizinho for
abduzido pelos alienígenas. Ou mesmo usar sua câmera normalmente para fotografar por aí. Lidar com as imagens processadas pelo “Photoshop” embutido de sua câmera pode acabar sendo sua única escolha. E para isso, entendê-las deixará tudo um tanto mais fácil.
Para transformar o mosaico esverdeado de três cores primárias produzido pelo CCD em uma imagem colorida mais fiel ao que podemos enxergar, sua câmera possui um chip que irá processar a imagem efetuando o demosaicing. Cada modelo de câmera emprega métodos diferentes, mas em geral o processo consiste em uma interpolação – a cor de um elemento é estimada levando em conta aqueles ao redor. Uma interpolação simples pode resultar em algo quase aceitável como:

Note contudo que a parte diagonal do teto à direita surge com uma linha avermelhada abaixo e linhas em zigue-zague acima. É uma limitação do processamento simples utilizado, mas mesmo métodos mais avançados de reconstrução inevitavelmente conterão defeitos, adulterações. Distorções de cor e efeitos moiré como os vistos acima são um lugar comum em imagens digitais hoje.
Como se não bastasse, a imagem reconstruída ainda possui uma resolução baixa. De fato, tem um terço da resolução do número de megapixels estampado, porque como vimos, cada pixel do sensor captura apenas uma das três cores primárias. Para lidar com isto, o chip de processamento fará um truque e irá submetê-la a um processo que aumentará sua nitidez aparente, através de uma unsharp mask. Aumentando o contraste em contornos, a imagem parecerá dramaticamente mais nítida – outro aspecto de nossa visão –, mas o processo também poderá criar uma espécie de halo em tais contornos. Halos são assim comuns em contrastes com um céu de cor uniforme.


[http://hannemyr.com/photo/defects.html]

O processamento realizado por sua câmera digital não pára aí. Depois de finalmente converter a imagem capturada pelo CCD em algo aceitável a nossos olhos, será a hora de compactar a imagem para armazená-la na memória. Entra em ação a compressão JPEG, que introduzirá mais efeitos em sua imagem digital.

A compressão JPEG
A compressão JPEG, ou Joint Photographic Experts Group, nome do comitê que definiu o padrão, permite que um arquivo de imagem seja reduzido drasticamente em seu tamanho em troca de uma pequena redução em sua qualidade aparente. Para isso ela se vale de aspectos de nossa visão bem como de ferramentas matemáticas.
Mais acima mencionamos como o sensor CCD comum possui duas vezes mais sensores para a cor verde, já que nossa visão é mais sensível a tal cor. Percebemos melhor variações de luminosidade do que de cor. A compressão JPEG pode se valer disto e separar a imagem em canais de luminosidade e cor, para então reduzir a resolução do canal de cor pela metade, um passo chamado chroma subsampling.
Este passo sozinho já reduz o tamanho de um arquivo de imagem em um terço, mas sem surpresa, haverá menos fidelidade nas cores de sua imagem. A diferença é pouco perceptível de início – a imagem não parecerá um terço pior, apesar de ter sido reduzida nesta medida. Mas qualquer escrutínio mais detalhado revelará todo tipo de cores borradas em contornos. Como vimos, sua resolução foi diminuída pela metade.

O chroma subsampling é opcional na compressão JPEG, mas praticamente toda câmera digital processará sua imagem desta forma.
O próximo passo será estripar sua imagem: por partes, mais precisamente pequenos blocos de 8×8 pixels. Este talvez seja um dos aspectos mais notáveis quando se analisa uma imagem digital em detalhe. É comum que se confundam os blocos com sinais toscos de montagem “copiar e colar”.


[http://www.ceticismoaberto.com/fotos/fotosovnis04.htm]

Na imagem acima, um suposto OVNI está cercado por efeitos que, ressaltados, compõem um claro retângulo. Montagem? Resulta que o OVNI era o topo da chaminé da pizzaria “Dom Romão” e o retângulo à sua volta apenas evidencia os blocos da compressão JPEG.
Cada bloco é tratado de forma independente, e a mágica da compressão finalmente terá lugar utilizando uma ferramenta matemática conhecida como discrete cosine transform, ou DCT. Ela permite descrever o bloco de forma mais simples, e os resultados passam então pela etapa mais sanguinária, a quantização. Dependendo do coeficiente de quantização, que é definido quando você escolhe a qualidade com que deseja salvar sua imagem JPEG, mais e mais informações sobre o bloco sendo comprimido serão descartadas.
Apesar de tudo, com 80% ou mais de qualidade, a compressão JPEG realiza seu objetivo de reduzir o tamanho de um arquivo de imagem várias vezes, com pouca distorção aparente. Com qualidade gradualmente menor, as distorções ficam cada vez mais evidentes.
Agora que você conhece um pouco mais sobre todo o processo, pode entender melhor a imagem abaixo, com uma qualidade de compressão JPEG gradualmente menor indo da esquerda para a direita – de 80% a 2% – permitindo observar cada etapa da compressão JPEG.

Note como as distorções de cor se tornam gradualmente mais aparentes, depois os blocos de 8×8 pixels, e finalmente à direita, a cor se perde por completo e os blocos possuem apenas um valor de luminância.
Mesmo a compressão de vídeo MPEG (usada, em diferentes versões, de DVDs a arquivos “Divx”) se vale de processos similares, mais notavelmente, a divisão da imagem em blocos de 8×8 pixels que muitas vezes podem ser notados no meio de um filme. Entender algo sobre esses processos é olhar com novos olhos todas essas imagens.
E isso é praticamente tudo, pessoal
Em resumo: sua imagem será capturada pelo sensor CCD e com sorte não terá muito movimento, OVNInsetos, sangramento de pixels e imagens fora de foco ou reflexos internos. Será então processada em um demosaicing, passará por uma unsharp mask e será comprimida com chroma subsampling, divisão em blocos, passando por uma quantização dos coeficientes DCT, para ser finalmente armazenada em um cartão de memória.
Nenhuma alteração adicional ocorrerá, a menos é claro, que você a manipule com um programa de edição de imagens como o… Photoshop. Remover uma celulite realmente será apenas mais um passo.

– – –

Agradecimentos
Com agradecimentos a Claudeir Covo, Reinaldo Stabolito e Eustáquio Patounas pelo auxílio e sugestões.

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One Response to A câmera Photoshop

  1. Taylor Nunes disse:

    Maravilha ! Tomei a liberdade de usá-lo em minhas aulas na UFRR. Com os devidos créditos, é lógico.

    Grato ! Abraço !!!

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