Física

O PIXEL: Uma unidade fundamental para todas as imagens digitais

O crescente avanço da tecnologia de câmeras digitais pode gerar muita confusão já que muitos termos novos são introduzidos freqüentemente. Esse tutorial tem como objetivo esclarecer um pouco essa confusão de pixels digitais -- especialmente para os que estão pensando em (ou acabam de) comprar a sua primeira câmera digital. Conceitos como tamanho do sensor, megapixels, 'dithering' e tamanhos de impressão serão discutidos.
Todas as imagens digitais são constituídas por um mesmo elemento no seu nível mais básico: o pixel. A palavra vem da junção das palavras "PICture" e "ELement", que significam "imagem" e "elemento", respectivamente. Da mesma forma que o movimento pontilista usa uma série de pequenas 'manchas' de tinta para formar uma imagem, milhões de pixels podem ser combinados para criar uma imagem detalhada e aparentemente continua.
Cada pixel contém uma série de números que descrevem a sua cor ou intensidade. A precisão com a qual cada pixel pode especificar sua cor é chamada de "profundidade de bit" ou "profundidade de cor". Quanto mais pixels uma imagem tem, maior a capacidade de representar detalhes ela tem. Note o uso da palavra 'capacidade'; o simples fato de ter mais pixels não significa necessariamente que eles são utilizados por completo. Esse fato é muito importante e voltaremos a ele depois.

Tamanho de impressão:

pixels por polegada e pontos por polegada
Já que um pixel é só uma unidade de informação lógica ela é inútil para descrever tamanhos de impressões no mundo real -- a menos que seja especificado o tamanho de cada pixel. Os termos pixel por polegada (PPI, do inglês 'pixels per inch') e pontos por polegada (DPI, do inglês 'dots per inch') foram ambos introduzidos para relacionar essa unidade 'teórica' (a dos pixels) com uma resolução visual real. Esses termos costumam ser errôneamente trocados (especialmente quando se fala em impressoras de jato de tinta) -- levando à uma confusão quanto a resolução máxima de impressão de um aparelho.
"Pixel por polegada" é o mais simples dos dois termos. Ele descreve exatamente o que diz: quantos pixels uma imagem contém por cada polegada de distância na horizontal e na vertical. "Pontos por polegada" pode parecer simples a princípio. A complicação surge pois um aparelho pode necessitar diversos pontos para criar um único pixel; desse modo, um dado número de pontos por polegada nem sempre leva a mesma resolução em dois aparelhos diferentes. Usar diversos pontos para criar cada um dos pixels é um processo chamado de 'dithering'.


Um aparelho com um número limitado de cores de tinta pode enganar o olha ao colocá-las em pequenos padrões -- assim o aparelho cria a impressão de diversas cores se cada um dos 'sub-pixels' que cria para cada pixel real é pequeno o suficiente (esse processo pode ser visto ao se analisar com cuidado uma fotografia colorida num jornal). O exemplo da imagem acima usa 128 cores para descrever cada um dos pixels, a versão 'dithered', no entanto, utiliza apenas 24 cores, mas praticamente mantém a impressão visual de 'degradê' da imagem original. Há uma diferença crítica: cada ponto de cor na imagem 'dithered' tem que ser muito menor que um pixel individual. Como resultado, imagens normalmente têm que ter um DPI muito maior que o PPI para alcançar o mesmo nível de detalhe. PPI é também muito mais universal porque não requer conhecimento do aparelho para que seja possível compreender quão detalhada a impressão será.
O padrão para impressões feitas em laboratórios fotográficos é de aproximadamente 300 PPI, impressoras de jato de tinta, no entanto, precisam de muitas vezes esse número de PPI para atingir a mesma qualidade (dependendo do número de tintas usadas). A resolução da impressão depende muito da aplicação; revistas e jornais normalmente usam bem menos que 300 PPI. Quanto mais uma imagem for aumentada, menor será o seu PPI (assumindo que se mantenha o número de pixels fixo).





Câmera e 'razão de aspecto' das imagens




Os cálculos de tamanho de impressão acima assumiam que a 'razão de aspecto' (do inglês: "aspect ratio"), ou a razão entre a maior e a menor dimensões da imagem, fosse o padrão de 3:2 usado para câmeras de 35mm. Na verdade, a maioria das câmeras compactas, monitores e telas de TV têm um "aspect ratio" de 4:3, enquanto a maioria das câmeras SLR ("single lens reflex") usam 3:2. No entanto muitos outros formatos existem: alguns equipamentos de alto nível usam uma imagem quadrada 1:1 e filmes em DVD são alongados para o 16:9 comum em cinemas.
Isso significa que se a sua câmera usa um aspecto de 4:3, mas você precisa de uma cópia 10x15 então muitos de seus megapixels serão desperdiçados (11% para ser exato). Não se esqueça de considerar isso se a sua câmera tem um aspecto diferente daquele que deseja utilizar para as impressões.
Os pixels também podem ter uma razão de aspecto, apesar de isso ser bastante incomum. Alguns padrões de vídeo e as antigas câmeras Nikon utilizam pixels com dimensões estranhas.



Sensor em Câmeras Compactas e Sensor em Câmeras SLR


Tamanho do sensor: nem todos os pixels nascem iguais
Mesmo se duas câmeras tiverem o mesmo número de pixels, isso não significa necessariamente que o tamanho desses pixels é o mesmo. O principal fator que distingue uma câmera cara SLR de uma compacta barata é que a primeira tem um sensor digital de área muito maior. Isso significa que se tanto a SLR quanto a compacta tiverem o mesmo número de pixels, o tamanho de cada pixel na SLR será muito maior.
Por que se importar com quão grande os pixels são? Um pixel maior possui maior área para agregar luz, o que significa que o sinal de luz é mais forte em um dado intervalo de tempo.
Isso normalmente resulta numa melhor 'razão sinal-ruído' (em inglês 'signal to noise ratio', SNR), o que cria imagens muito mais suaves e mais detalhadas. Mais ainda, a 'gama dinâmica' (também chamado de 'alcance dinâmico' ou 'faixa dinâmica'; do inglês 'dynamic range', o que indica a gama de luz ou escuridão que a câmera pode capturar sem que o pixel se torne completamente preto ou que ocorra um 'corte de brilhos') das imagens também aumenta com pixels maiores. Isso ocorre pois cada poço de pixels pode conter mais fótons antes de ficar cheio e se tornar completamente branco.

O diagrama abaixo ilustra o tamanho relativo de diversos sensores que normalmente são usados no mercado hoje. A maioria das câmeras SLR tem um fator de corte (em inglês 'crop factor') de 1.5X ou 1.6X (quando comparadas com câmeras de 35mm), mesmo assim alguns modelos de altíssimo nível tem um sensor do mesmo tamanho que um filme de 35mm, portanto o fator de corte é 1X (pode-se dizer também que não tem fator de corte). Os tamanhos dos sensores dados na imagem não refletem o tamanho da diagonal dos mesmos (que seria a medida tradicional usada para medir filmes), mas são os tamanhos aproximados do 'círculo de imagem' (que nem sempre é completamente utilizado). Mesmo assim, esse é o número dado na especificação da maioria das câmeras compactas.