Os sete artigos anteriores descreveram as propriedades da imagem em abstrato: resolução, taxa de quadros, cor, faixa dinâmica. O sensor de imagem é onde todas elas deixam de ser abstrações e se tornam física. É o componente que converte luz em sinal elétrico — o transdutor de entrada do vídeo, análogo ao microfone na cadeia do áudio. Por isso ele abre o bloco de captação. Este artigo trata do que o sensor faz e dos limites que lhe são próprios; a óptica que forma a imagem sobre ele fica para Lente, o controle do tempo de exposição para Obturador, e a amplificação do sinal para ISO / ganho.
Da luz ao sinal
Um sensor é uma superfície coberta por milhões de elementos sensíveis à luz, os fotossítios. Cada fotossítio funciona como um pequeno balde: durante a exposição, ele acumula carga elétrica à medida que os fótons o atingem, pelo efeito fotoelétrico. Quanto mais luz, mais carga — a carga acumulada é, em primeira aproximação, proporcional à quantidade de luz recebida. Terminada a exposição, essa carga é lida, convertida em tensão, amplificada e finalmente digitalizada.
Vale parar nessa cadeia, porque ela é o ponto de encontro de quase tudo que o Bloco 1 tratou em separado. A grade de fotossítios é a realização física da amostragem espacial — é dela que a Resolução fala. A conversão analógico-digital ao final (o ADC) é a realização física da quantização — é dela que a Profundidade de bits fala. A amplificação intermediária é o ganho cujo controle se chamará ISO / ganho. O sensor é, em suma, o lugar onde "amostrar e quantizar" deixa de ser conceito e vira eletrônica.
A cor: filtros sobre um sensor cego
Há um fato decisivo sobre fotossítios: eles contam fótons, mas não distinguem cor. Um fotossítio mede apenas intensidade — quanta luz —, não comprimento de onda. Um sensor, em si, é monocromático.
A cor é obtida cobrindo cada fotossítio com um pequeno filtro colorido, de modo que ele passe a registrar só a luz vermelha, só a verde ou só a azul. O arranjo desses filtros é o filtro de Bayer, de longe o mais comum, disposto num padrão regular.
Duas características do padrão merecem atenção. A primeira é a proporção: há duas vezes mais filtros verdes do que vermelhos ou azuis. Isso não é arbitrário — espelha a sensibilidade da visão humana, que extrai a maior parte da informação de brilho do verde, exatamente como os coeficientes de luma de Luminância e crominância já indicavam. O sensor é construído para coletar mais densamente justamente a cor que mais contribui para o detalhe percebido.
A segunda é a consequência inevitável: como cada fotossítio registra uma só das três cores, faltam a ele as outras duas. Elas são estimadas por interpolação a partir dos vizinhos, num processo chamado demosaicing. A imagem colorida final, com vermelho, verde e azul em cada pixel, é portanto em parte reconstruída, não inteiramente medida. Existem alternativas que captam as três cores em cada ponto — sistemas de três sensores com um prisma divisor, ou sensores de camadas empilhadas —, mas o filtro de Bayer domina por seu custo e simplicidade.
Arquiteturas: CCD e CMOS
Duas arquiteturas disputaram a leitura dessa carga. No CCD, a carga de cada fotossítio é transportada passo a passo através do chip até um único ponto de leitura, como uma esteira. No CMOS, cada fotossítio tem seu próprio amplificador e é lido no lugar, sem transporte. O CMOS prevaleceu por ser mais barato, mais rápido, mais econômico em energia e por permitir incorporar processamento no próprio chip.
A forma de leitura do CMOS tem uma implicação importante: ele costuma ler a imagem linha a linha, de cima para baixo (leitura "rolante"), em vez de capturar todas as linhas no mesmo instante (leitura "global"). Como linhas diferentes são lidas em momentos ligeiramente distintos, surgem efeitos peculiares quando há movimento rápido. Esses efeitos, porém, são uma questão de tempo de exposição e pertencem ao artigo Obturador; aqui basta registrar que a arquitetura do sensor determina se a leitura é rolante ou global.
Os limites do sensor: ruído e faixa dinâmica
Todo fotossítio tem um teto e um piso. O teto é a capacidade do poço (full-well): a quantidade máxima de carga que ele comporta antes de saturar. Atingido esse limite, mais luz não produz mais sinal — é o branco do sensor. O piso é o ruído: mesmo no escuro total, há flutuações elétricas (ruído de leitura, corrente térmica) que impõem um nível mínimo abaixo do qual nenhum sinal real se distingue.
A razão entre esse teto e esse piso é precisamente a faixa dinâmica do sensor — a origem física daqueles "~14 stops" mencionados em Faixa dinâmica. Quanto maior o poço em relação ao ruído, mais ampla a faixa que o sensor capta. Daí decorre a importância do tamanho do fotossítio: fotossítios maiores coletam mais fótons, o que melhora a relação sinal-ruído e amplia a faixa dinâmica. Em condições de pouca luz, isso é o que separa uma imagem limpa de uma imagem granulada — não a quantidade de fotossítios, mas o tamanho de cada um.
O que o sensor de imagem não é
A contagem de fotossítios não é a resolução de cor
Um sensor de Bayer com, digamos, vinte milhões de fotossítios não mede vinte milhões de pixels de cor completa. Cada fotossítio mede um único canal; a cor plena de cada pixel é em boa parte interpolada. A resolução efetiva de cor é, portanto, menor do que a contagem bruta de fotossítios sugere — uma nuance que se soma à distinção entre contagem e nitidez percebida já feita em Resolução.
Mais megapixels não é mais qualidade
Numa área de sensor fixa, espremer mais fotossítios significa torná-los menores, e fotossítios menores coletam menos fótons cada um — com pior relação sinal-ruído e menor faixa dinâmica. A contagem de megapixels e a qualidade por pixel podem, assim, puxar em direções opostas: além de certo ponto, mais pixels num mesmo sensor degradam o ruído e a faixa dinâmica em vez de melhorar a imagem. É o mesmo espírito do alerta de Resolução — número de amostras não é sinônimo de qualidade.
O tamanho do sensor não é a resolução
São grandezas independentes. O tamanho do sensor é uma medida física de área, que governa quanta luz se coleta e, junto com a óptica, o enquadramento e a profundidade de campo — assuntos de Lente. A resolução é a contagem de fotossítios. Um sensor grande pode ter baixa resolução e um sensor pequeno, alta; confundir os dois é tratar área e contagem como se fossem a mesma coisa.