- Explicação técnica que começa pelo princípio do registro da luz e visualiza em etapas como o sensor, a lente e a abertura de uma câmera digital formam uma imagem
- Explica como o sensor de imagem converte fótons em sinais elétricos e como as cores são reconstruídas por meio do filtro Bayer e do demosaicing
- Parte da câmera pinhole e introduz os conceitos de refração, lente e distância focal para compor a estrutura óptica de uma câmera real
- Analisa de forma matemática e visual a relação entre abertura (f-number), profundidade de campo (depth of field) e bokeh
- Aborda as limitações das lentes reais, como aberrações (aberration) e aberração cromática, destacando que o projeto óptico é uma tecnologia de controle do caminho da luz
O registro da luz e o sensor digital
- As primeiras fotografias usavam filme de haleto de prata, mas as câmeras modernas foram substituindo isso por sensores de imagem
- O sensor é composto por uma matriz de fotodetectores que convertem fótons em corrente elétrica
- A quantidade de exposição varia de acordo com o tempo de coleta (velocidade do obturador)
- Como o sensor não detecta cores diretamente, usa-se uma matriz de filtros de cor (Color Filter Array)
- O filtro Bayer é composto por 2 filtros verdes, 1 vermelho e 1 azul
- Há o dobro de verde porque o ser humano percebe o brilho com maior sensibilidade na faixa do verde
- No processo de demosaicing, os valores RGB são interpolados para reconstruir a imagem colorida completa
- A velocidade do obturador determina o tempo de coleta de fótons; se for excessiva, ocorre superexposição, e se for insuficiente, subexposição
O princípio da câmera pinhole
- Se o sensor ficar exposto, a luz entra de todas as direções e forma uma imagem sem significado
- Para resolver isso, usa-se uma caixa com um pequeno furo (pinhole camera)
- A luz que entra pelo furo se cruza e forma uma imagem invertida vertical e horizontalmente
- Ajustar a distância entre o furo e o sensor altera o ângulo de visão (field of view)
- Quanto menor o furo, mais nítida a imagem, mas entra menos luz, então o brilho diminui
- Se for pequeno demais, a imagem volta a ficar borrada por causa da difração (diffraction)
- A câmera pinhole é simples, mas tem baixa eficiência de luz e não permite controle de foco
Vidro e refração
- A direção da luz muda ao atravessar o vidro por causa da diferença no índice de refração (index of refraction)
- Índice de refração n = c / vₚ (razão entre velocidades da luz)
- Ar 1.0003, água 1.33, vidro 1.53, diamante 2.43
- Lei de Snell (Snell’s law): n₁·sinθ₁ = n₂·sinθ₂
- A luz se curva em direção à normal ao entrar em um meio com índice de refração maior
- Em alguns ângulos ocorre reflexão interna total (total internal reflection)
- Esse fenômeno é o princípio por trás do efeito de brilho do diamante
Lentes e foco
- Uma placa de vidro paralela não muda a direção da luz, mas o vidro curvo (lente) faz a luz convergir ou divergir
- Uma lente convexa (convex lens) concentra raios paralelos em um ponto
- A distância focal (focal length) é a distância entre o centro da lente e o foco
- Equação da lente delgada: 1/sₒ + 1/sᵢ = 1/f
- Relação entre distância do objeto (sₒ), distância da imagem (sᵢ) e distância focal (f)
- Ao ajustar a distância entre a lente e o sensor, é possível fazer o ajuste de foco (focus)
- Ao mover o foco, ocorre variação do ângulo de visão (focus breathing)
- Uma lente zoom altera a própria distância focal movendo vários elementos de vidro
Abertura e profundidade de campo
- A abertura (aperture) controla a quantidade de luz que passa pela lente e o ângulo dos raios de luz
- Abertura pequena → grande profundidade de campo (depth of field)
- Abertura grande → profundidade de campo rasa e efeito de bokeh
- O f-number (N = f / D) é a razão entre a distância focal e o diâmetro da pupila de entrada
- f/2 quando f=50mm e D=25mm
- Quanto menor o f-number, mais clara é a lente e mais fácil usar um obturador rápido
- O f-number aumenta em múltiplos de 1,4, e a cada aumento de um stop a quantidade de luz cai pela metade
- Quanto menor a abertura, maior a perda de resolução causada por difração
Aberrações e aberração cromática
- Lentes reais não são perfeitas, então surgem aberrações (aberration)
- Tipos representativos: aberração esférica, coma, astigmatismo, curvatura de campo e distorção
- A aberração cromática (chromatic aberration) é o fenômeno em que as cores se separam devido à diferença de índice de refração por comprimento de onda
- Uma lente acromática (achromatic lens) corrige isso combinando materiais de vidro diferentes
- Lentes avançadas combinam vários elementos ópticos (optical elements) para
minimizar aberrações, vinhetamento e flare
Conclusão
- O ponto central de câmeras e lentes é a tecnologia de controlar o caminho da luz para formar imagens
- No instante em que se pressiona o obturador, um sensor e um projeto óptico precisos trabalham juntos para realizar o ato de
registrar a realidade com luz
1 comentários
Comentários do Hacker News
O blog do Bartosz Ciechanowski faz sentir de novo a alegria de navegar na web da antiga era de ouro do Adobe Flash
É muito divertido interagir e explorar, obtendo reações inesperadas
Não seria justo comparar com os sites artísticos em Flash do passado, mas isso traz exatamente aquela sensação de volta
Mas não é fácil preservar esse tipo de site para o futuro
Não dá para colocar applets WebGL em PDF, e exportar para HTML também pode gerar erros dependendo da estrutura
Daqui a 50 anos, talvez ainda seja possível rodar SWF em um emulador, mas sites assim podem desaparecer
Fico me perguntando se existe alguma forma de preservar esse tipo de conteúdo
Realmente impressionante
Não há nenhum vestígio de AI (agora faz sentido, já que é um texto de 2020), e é uma sensação rara ver de novo uma escrita clara e elegante
A animação de relógio mecânico do Bartosz também é imperdível
Dá para ver na página Mechanical Watch
O trabalho dessa pessoa é sempre incrível
Obrigado por compartilhar
Existe um tópico relacionado publicado anteriormente
Cameras and Lenses – link do Hacker News (dezembro de 2020, 213 comentários)
Como sempre, um trabalho impressionante
Mas representar ondas eletromagnéticas como uma forma de onda se contorcendo no espaço como uma cobra pode confundir estudantes
A amplitude dos campos elétrico e magnético oscila no espaço-tempo, mas a própria onda se desloca em linha reta
Claro, dependendo das características do feixe, também pode haver variação de intensidade em direções perpendiculares ao vetor de onda
Eu também não sei qual seria uma visualização melhor, mas muita gente acaba entendendo errado essa parte
A senoide detectada pelo receptor em uma posição específica é um bom exemplo, mas para representar com mais precisão seria melhor mostrar isso como variação da intensidade da luz
Se a frequência fosse representada como a luz acendendo e apagando ao longo do tempo, daria para entender de forma mais intuitiva o deslocamento da luz e a distribuição de energia
No fim, o ponto principal é tornar visualmente clara a mobilidade da luz
Pessoas como Bartosz Ciechanowski e Andrey Karpathy são realmente impressionantes
Dá a sensação de que eles lançam um side project por trimestre, sendo que para outras pessoas isso levaria a vida toda
A maioria das pessoas até consegue ser criativa ou produtiva, mas não as duas coisas nesse nível ao mesmo tempo
Fotografia e lentes foram um campo de experimentos DIY por mais de 100 anos
Mas fico me perguntando quando chegará o dia em que será possível mexer diretamente no interior das câmeras de smartphones como iPhone, Samsung e Pixel
(Talvez isso já seja possível, não sei; só estou perguntando)
Sempre que vejo um texto do Bartosz, paro o que estou fazendo para ler
É impressionante a linha de raciocínio que começa com um simples balde de fótons e evolui para pinhole e sistemas de lentes
A parte sobre o círculo de confusão (circle of confusion) foi especialmente marcante
Ver diretamente no slider da abertura o cone de luz se estreitando e o desfoque diminuindo traz um entendimento que texto estático jamais conseguiria
Esse tipo de abordagem deveria mesmo se tornar o padrão dos materiais didáticos digitais
Texto realmente excelente
Também seria ótimo se existisse algum material parecido tratando de 3 ou mais elementos ópticos ou de projeto moderno de lentes