GLOBO COMUNICAO E PARTICIPAES S/A

PRINCPIOS BSICOS DA CMERA DE VDEO

Valdenir Orides da Silva

CGE - SSTV SO PAULO

2012

PRINCPIOS BSICOS DA CMERA DE VDEO

CAPTULO I

INTRODUO

A notcia, o documentrio, a novela, o programa de entretenimento... Produtos de um sistema de TV que no existiriam se no houvesse nesse sistema algum equipamento que captasse imagens. Em televiso o equipamento que desempenha tal funo denominado cmera de vdeo, atravs da qual feita a transformao das imagens captadas em sinais eltricos que sero processados pelo sistema. Considerando a importncia que a cmera tem para a TV e pensando naquelas pessoas que resolveram iniciar suas atividades profissionais nesta rea, foi elaborado este trabalho que tem por objetivo dar um esclarecimento bsico da cmera de vdeo numa apresentao sucinta de suas principais partes. Atualmente usadas num grande nmero de ramos de atividade,as cmeras de vdeo j passaram por muitas mudanas. Com as de uso em TV no poderia ser diferente, pois com o avano tecnolgico melhorias vo sendo inseridas em projetos que acabam por se tornar tanto muito melhores elaborados quanto totalmente modificados; tudo isso com o objetivo de se obter a melhor imagem possvel nas mais variadas condies. Hoje em dia nos sistemas de TV podemos presenciar desde grandes e sofisticadas cmeras de estdio, passando pelas cmeras portteis, chegando at s micro-cmeras, dando assim excelentes subsdios aos mais criativos produtores e diretores. A partir do captulo dois sero apresentadas as partes da cmera de vdeo com mais detalhes. Iniciando pela lente, sero vistas as caractersticas operacionais bem como vrias caractersticas de qualidade da lente. No captulo trs ser apresentado o separador ptico, a

saber, o prisma dicrico atravs do qual a luz decomposta em componentes primrias. No captulo quatro a vez dos sensores de imagem serem dissecados e apresentados em seus papis de transdutores, numa transformao de energia que dar incio ao complexo processamento eletrnico da imagem. O captulo cinco dedicado ao tratamento do sinal eltrico coletado no circuito de sada do sensor de imagem e ao alinhamento bsico da cmera. No captulo seis sero apresentadas as interfaces de sada e tambm as noes de sinais de vdeo analgico e digital. Por fim, o captulo sete apresenta a camcorder e prepara o leitor para iniciar a prtica e o manuseio de uma cmera profissional usada para fazer gravaes em disco ptico.

CAPTULO II

LENTE

Tambm chamada de objetiva, a lente considerada o olho da cmera. composta por uma variedade de pequenas lentes destinadas a permitir um total controle ptico das imagens. A seguir sero vistas diversas caractersticas operacionais e de qualidade desse elemento que a porta de entrada da informao visual de um sistema de TV.

II.1 FOCO

um anel giratrio que comanda um conjunto de lentes responsveis pela formao de uma imagem clara e ntida na superfcie do sensor de imagem.

II.2 ZOOM

um grupo de lentes que fornece objetiva o recurso de variar o seu ngulo de viso, permitindo tanto tomadas panormicas quanto detalhadas. Com esses elementos presentes em sua constituio a lente passa a ser denominada lente zoom, e tem como principal caracterstica a distncia focal varivel, em contraposio com as lentes de foco fixo muito utilizadas em cinema.

Na figura abaixo apresentado um diagrama com os grupos de lentes e com o caminho da luz nas condies de zoom aberta (wide), zoom em posio mdia e zoom fechada (tele). Nesta figura podemos ver uma caracterstica das lentes zoom utilizadas em TV que a presena dos grupos variator e compensator; o primeiro responsvel em alterar o tamanho da imagem e o segundo responsvel em manter o foco.

II.3 DIAFRAGMA (RIS)

um dispositivo que controla o ingresso de luz no interior da cmera. Pode ser operado manualmente ou deixado em modo automtico. Nesse caso um circuito eletrnico da cmera ir control-lo de maneira a ser evitados tanto excesso quanto escassez de luz.

II.4 MACRO

Consiste em um elemento que permite a focalizao de objetos bastante prximos lente. Normalmente fica travada, e quando se faz necessria a utilizao pode-se destravar e girar para a posio de melhor foco. Com o uso da macro o movimento de zoom fica bastante limitado e restrito.

II.5 BACK FOCUS

um ajuste feito na lente de maneira a assegurar que a imagem permanea em foco durante todo o trajeto da zoom e em qualquer posio do diafragma. Consiste no primeiro ajuste a ser realizado assim que a lente instalada na cmera. Para execut-lo executa-se a seguinte sequncia de ajuste:

Colocar a escala de back focus a trs metros da lente, ou mais, para lente com grande distncia focal.

Abre-se totalmente o diafragma, configurando a pior condio possvel de entrada de luz. Se necessrio usa-se filtros ND para diminuir a entrada de luz ou recursos eletrnicos da cmera como o shutter.

Coloque a zoom em posio TELE e focalize a escala de foco.

Abra a zoom para a posio WIDE e atue no ajuste de back focus at encontrar o melhor ponto.

Repita o procedimento de ajuste em TELE e WIDE at encontrar os melhores pontos de ajuste.

II.6 ADAPTADORES

So elementos pticos que se acoplam lente podendo de maneira simples expandir a sua capacidade. Abaixo so citados alguns:

GRANDE ANGULAR Acoplado na frente da lente, este adaptador aumenta o campo visual sem modificar a abertura da lente.

OLHO DE PEIXE Produz um efeito super grande angular, mas tambm insere distores na imagem e inibe o uso da zoom.

TELE Acoplado na frente da lente, tem a capacidade de aumentar a distncia focal da mesma sem reduzir a transmisso luminosa, porm, aplica uma restrio no movimento de zoom.

DUPLICADOR Montado entre a lente e a cmera, pode duplicar a distncia focal, porm, dobra tambm o F number, reduzindo a entrada de luz a 25% da original. A maioria das lentes zoom profissionais possui um desses duplicadores embutidos.

II.7 FILTROS

So elementos pticos que possuem caractersticas especiais e que podem auxiliar em muitas situaes de filmagem. Abaixo so citados alguns:

ULTRAVIOLETA Faz a proteo do primeiro elemento da lente alm da filtragem dos feixes de luz ultravioleta.

ND Filtro de densidade neutra utilizado para atenuar uniformemente a luz em todos os comprimentos de onda em cenas com forte intensidade luminosa. Alm disso permite a utilizao da ris mais aberta limitando a profundidade de campo.

POLARIZADOR Pode reduzir os reflexos e brilhos fortes bem como aumentar a saturao de cores.

SKYLIGHT Utilizado como protetor do primeiro elemento alm de reduzir a intensidade de luz azulada em tomadas de campo.

SOFT FOCUS Utilizado para criar uma imagem suave, porm sem perda do foco.

CROSS Utilizado para criar o efeito estrela em qualquer ponto forte de luz.

II.8 NMERO F

O nmero F de uma lente definido pela seguinte relao entre a distncia focal f e o dimetro efetivo D:

fFnumberD

=

A figura abaixo ilustra as duas grandezas citadas.

O nmero F indica a quantidade relativa de luz que a lente recebe. A relao que existe entre o nmero F e a luminosidade relativa a seguinte: o aumento de um nmero F reduz pela metade a luminosidade relativa; o decremento de um nmero F dobra a

luminosidade relativa. No diafragma temos uma graduao de nmeros F mltiplos de 2 : 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16.

II.9 RAMPING

Tambm chamado de F-Drop, ou queda do nmero F, configura a perda de transmisso de luz a partir de um ponto de zoom em direo posio de TELE total. Conforme a zoom vai se movimentando em TELE, sua pupila de entrada vai aumentando de dimetro at quando esse dimetro se torna igual ao do bloco de focalizao, e no pode se tornar maior que este. Por isso ocorre a perda de luz, que continua at o fim da TELE. Para corrigir totalmente esse problema as lentes deveriam ser bem maiores e pesadas. Por isso um certo nvel de ramping tolervel, para poder existir um equilbrio entre custo, peso, tamanho e desempenho.

II.10 PROFUNDIDADE DE CAMPO

uma caracterstica da lente que determina que um objeto estar em foco se estiver dentro de uma regio que corresponda a uma zona de formao de imagem denominada crculo de confuso permissvel dentro da faixa de profundidade de foco. A figura ilustrar tal correspondncia.

O principal fator a ser controlado o nmero F, pois quanto maior o nmero F maior ser a profundidade de campo. Alm disso, a profundidade de campo aumenta com a diminuio da distncia focal. Percebemos isso nas imagens ntidas a pequenas e grandes distncias feitas por uma lente grande angular. Quanto maior a distncia entre a lente e o objeto, maior ser a profundidade de campo. Ademais, a profundidade de campo sempre maior atrs do objeto do que na frente, com aproximadamente 1/3 na frente e 2/3 atrs.

II.11 DISTNCIA FOCAL

definida como a distncia entre o centro da lente e o seu ponto focal. A figura mostra esta caracterstica.

II.12 NGULO DE VISO

a faixa angular que pode ser focalizada dentro de um determinado tamanho de imagem. Se y for o tamanho da imagem e f a distncia focal, o ngulo de viso dado pela

relao: '2arctan2y

w f= .

II.13 TAMANHO DA IMAGEM

A imagem formada pela lente circular, no retangular como a forma do quadro da imagem de televiso. A faixa de imagem chamada de crculo de imagem. Em uma cmera de televiso o sensor de imagem ocupa uma rea retangular dentro do crculo de imagem da lente cujo tamanho o tamanho da imagem. A figura abaixo mostra os quatro usuais tamanhos de imagem utilizados nos sensores de imagem de cmeras profissionais e mais trs tamanhos utilizados em filme, para comparao. A relao entre largura e altura do quadro chamada de relao de aspecto. Em televiso de definio padro (SDTV) a relao de aspecto 4:3. J em alta definio (HDTV) a relao 16:9.

II.14 MOD

A Distncia Mnima do Objeto a distncia mais prxima da lente que um objeto pode ser aproximado, medida a partir da superfcie mais frontal do grupo de foco. uma caracterstica bastante crtica em se tratando de lentes para estdio, pois apesar de alguns estdios serem grandes, a rea de operao da cmera no o . A diminuio da MOD nas cmeras de estdio (a menos de 1 metro) faz com que tenham mecanismos de foco completamente diferentes em relao aos das lentes de campo.

II.15 ABERRAO CROMTICA

um problema da lente que proporciona contornos coloridos nos objetos devido a no uniformidade dos caminhos da luz pela lente em vrios comprimentos de onda. A aberrao cromtica lateral causada com o aumento da imagem em propores diferentes para diferentes comprimentos de onda. Podem ser observados erros de convergncia na imagem.

A aberrao cromtica longitudinal provoca erro de linearidade da zoom, porquanto ocorre diferena de foco em vrios comprimentos de onda. O problema aumenta com o comprimento focal da lente e gera desfocalizao nas cores azul e vermelho. Uma das formas utilizadas pelos fabricantes para corrigir o problema de aberrao cromtica consiste no uso de cristais ticos com alto ndice de refrao no processo de construo da lente.

II.16 DISTORO

Enquanto as aberraes relacionam problemas locais de definio de imagem em comprimentos de onda diferentes, as distores relacionam problemas no aspecto da imagem como um todo e normalmente expressa em porcentagem. Conforme mostra a figura abaixo temos a relao: Distoro (%) = 100 x h/h

A figura abaixo apresenta as formas da distoro almofada e da distoro barril.

II.17 - LENTE CCD SOBRE LENTE TUBO

Nos ltimos anos as cmeras de vdeo profissionais vem sofrendo incrveis alteraes tecnolgicas, tanto no que tange ao tipo e qualidade dos sensores de imagem quanto no que se refere sofisticao dos circuitos eletrnicos. Essas mudanas afetam diretamente as propriedades ticas, mecnicas e eletrnicas das lentes broadcast, fazendo com que os fabricantes de lente reduzam todas as especificaes tcnicas relevantes performance da lente de acordo com que avana a tecnologia utilizada nas cmeras.

Antes da chegada das cmeras com sensor de imagem do tipo CCD, as falhas inerentes nas lentes de televiso podiam ser superadas. Cmeras com trs tubos de imagem permitiam vrias tcnicas para compensar aberraes e distores. Com a cmera de trs CCDs temos os sensores fixos, no permitindo calibragem de centralizao, rotao ou tamanho da imagem. Desse modo, para tornar as lentes para cmeras CCD muito superiores em relao s lentes para cmeras de tubo, os fabricantes tiveram que tomar algumas medidas:

Reduo da aberrao cromtica longitudinal, visto que o CCD um sensor fixo.

Reduo da aberrao cromtica lateral, visto que o CCD no possui ajuste de convergncia.

Reduo da distoro, considerando que o CCD livre de distoro.

Incremento do MTF na periferia, visto que o CCD possui uma resposta uniforme ajustvel em toda a rea.

Reduo do flare e fantasmas, considerando que o CCD no queima com imagens saturadas.

Opo de lentes reduzidas e leves, visto que o prprio CCD pequeno.

II.18 - LENTE HD SOBRE LENTE CCD

Atualmente nos sistemas de TV com imagens em alta definio houve um novo salto tecnolgico nas cmeras de vdeo. Sensores de imagens para HDTV e processamento digital de vdeo cada vez mais sofisticado esto exigindo maior qualidade nas imagens captadas. Novamente os fabricantes de lentes viram-se obrigados a tomar atitudes em relao ao incremento da qualidade de seus produtos:

Reduo da aberrao cromtica lateral e longitudinal, visto que em HDTV, com a imagem em wide as distores nos cantos e nas linhas horizontais so mais visveis.

Mecanismo de foco mais preciso, considerando que com maior resoluo das imagens o ajuste de foco fica mais crtico.

Maior transparncia, considerando que em 16:9 a sensibilidade tende a cair.

Maior qualidade em geral, pois em HD temos uma freqncia espacial maior.

CAPTULO III

SEPARADOR PTICO PRISMA DICRICO

Aps passar pelo processo de captao e controle ptico imposto pela lente, a imagem agora passar por um processo de separao, pois numa cmera profissional com trs sensores de imagem o objetivo trabalhar individualmente com as componentes primrias usadas em TV, a saber, R (vermelho), G (verde) e B (azul). O processo ptico utilizado na maioria das cmeras o prisma dicrico. O prisma dotado de superfcies repletas de cristais dicricos, que tem a propriedade de refletir comprimentos de onda especficos. Observando a figura, vemos que a primeira superfcie dicrica reflete apenas as componentes azuis da imagem e deixa passar o restante; j a segunda superfcie tem a propriedade de refletir apenas o vermelho, deixando passar a componente verde. Cada imagem como sendo uma componente primria de televiso chega a um sensor de imagem independente para que seja feita a converso de energia luminosa em energia eltrica. O prisma dicrico foi um aperfeioamento se sistemas anteriores baseados em filtros pticos ou em espelhos dicricos. A vantagem do prisma sobre este ltimo a eliminao de interfaces ar-vidro no interior confinado do prisma, gerando menores perdas de luz por difuso.

CAPTULO IV

SENSORES DE IMAGEM

Neste estgio da cmera de vdeo feita a transformao de energia luminosa em energia eltrica, ou seja, a variao de luz proveniente do sistema de separao ptica transformada em variao de tenso eltrica para o devido processamento. Existem na atualidade dois sistemas que realizam esta transduo nas cmeras de vdeo profissionais: o CCD e o CMOS.

IV.1 CCD (Charge Coupled Device)

um elemento fotossensvel de estado slido que contm milhares (ou at milhes) de elementos individuais que podem reter carga eltrica proporcional intensidade de luz incidente, e de maneira independente por elemento (pixel). Quanto maior esta independncia (que melhorada hoje em dia com sistemas pticos), menor ser a interferncia luminosa de um pixel no outro, e com isso, temos uma melhor definio de imagem e menores problemas com luzes intensas. Assim, uma imagem focalizada sobre o CCD transformada numa matriz de cargas eltricas armazenadas, as quais podero ser deslocadas ordenadamente, tanto no sentido vertical quanto no horizontal. A sada do registrador de deslocamento horizontal aplicada a um driver onde j temos variaes de tenso para futura montagem do sinal de vdeo.

Sistema de micro lentes nos CCDs.

Deslocamento de cargas no CCD.

A seguir so apresentados os tipos de CCD utilizados um cmeras profissionais.

IV.1.1 Full Frame

o CCD que executa a transferncia direta das cargas eltricas at o registrador horizontal para a devida converso da matriz em sinal de vdeo.

IV.1.2 FT (Frame Transfer)

Neste tipo de CCD ocorre a transferncia direta da carga eltrica individual dos pixels, porm existe uma rea de armazenamento antes do registrador vertical que melhora a performance do dispositivo reduzindo o smear (trao vertical na imagem causado pela incidncia de um forte feixe de luz).

IV.1.3 IT (Interline Transfer)

Esse tipo de CCD constitudo por uma matriz de elementos fotossensveis, barramentos de transferncia vertical e um barramento de transferncia horizontal.

IV.1.4 FIT (Frame Interline Transfer)

Esse tipo de CCD constitudo por uma matriz de elementos fotossensveis, barramentos de transferncia vertical, uma regio de armazenamento e barramentos de transferncia horizontal.

A construo de dispositivos como o CCD FIT veio corrigir ainda mais falhas que geravam smear. O que geralmente ocorria era a invaso do feixe de luz nos barramentos de transferncia vertical, mas que foi corrigido com o uso de micro lentes ou o uso de regies de drenagem entre a regio fotossensvel e a regio de armazenamento.

IV.2 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)

O sensor de imagem CMOS um dispositivo semelhante ao CCD, possuindo vrias caractersticas em comum, como: converso de luz em carga eltrica, acumulao de carga, elementos de transferncia de sinal, converso de carga em tenso eltrica, amplificao do sinal eltrico de sada. A diferena crucial entre o CMOS e o CCD o fato do CMOS imediatamente converter a carga de cada pixel em tenso, executando transferncia de potencial, ao invs de transferncia de carga para futura converso em tenso como acontece no CCD.

Diferenas entre os mecanismos do CCD e do CMOS.

Modernos sensores CMOS incluem ainda um amplificador para cada pixel. Depois de amplificado, o potencial de sada do pixel transferido atravs de uma rede de micro fios.

Sensor CMOS.

IV.3 ALGUMAS VANTAGENS E DESVANTAGENS

O CCD apresenta um maior consumo de energia em relao ao CMOS devido ao fato de trabalhar com transferncia de cargas. O baixo consumo de energia do CMOS tem conseqncias: aumenta a vida til das baterias das cmeras portteis, torna essas cmeras portteis menores ainda, simplifica as fontes de energia do equipamento e reduz as exigncias de ventilao dos sensores. O sistema de transferncia de potencial via micro fios do CMOS apresenta vantagem em relao velocidade de processamento de imagem, considerando a facilidade de implementar mltiplas sadas horizontais. No CCD a criao de mais registradores horizontais requer aumento de complexidade e custo.

Uma vantagem do CCD em relao ao CMOS a ausncia de distoro geomtrica com imagens em movimento abrupto. Como no CCD todos os pixels so sincronizados, no h o risco de ocorrer distoro geomtrica como pode ocorrer no CMOS onde ocorre leitura de potenciais linha a linha aps o acmulo de cargas e converso para tenso.

.

CAPTULO V

PROCESSAMENTO E ALINHAMENTO

Estando montados os sinais de vdeo (R, G e B) na sada dos sensores de imagem, estes sero amplificados e processados de maneira individual, sofrendo processos de mixagem posteriores.

Nesta etapa do sistema esto presentes ajustes para o balanceamento dos sinais desde a poro de ausncia de luz (diafragma fechado nvel de pedestal) at a poro de total de saturao (nvel de white clip). O sinal de vdeo tem dois limites dentro dos quais ele deve manter-se, a saber, a referncia de preto (10%) e a referncia de branco (100%), sendo que acima do nvel de branco j entramos na regio de saturao, que como j vimos, tambm deve estar balanceada e com nvel mximo prximo de 105%. As cmeras de vdeo de hoje usam processamento digital, ou seja, aps pr-amplificao os sinais RGB de sada dos sensores de imagem passam por conversores A/D e todo tratamento dos sinais em nvel de alinhamento feito digitalmente. Em conseqncia disso temos maior facilidade em ajustes e armazenamento de informaes, menos rudo outrora causado por circuitos analgicos, menos problemas relacionados a resistores variveis e variao de ajuste etc. A seguir sero relacionados alguns dos ajustes que atuam nos circuitos processadores para que o alinhamento da cmera seja executado.

V.1 BALANCEAMENTO DE BRANCO

A variao de iluminao com diferentes temperaturas de cor deve ser compensada eletronicamente atravs do ajuste dos amplificadores de vdeo da cmera. Para um branco neutro, as amostragens das componentes RGB devem ser reproduzidas na proporo 1:1:1. Para isso deve-se focalizar um branco padro e executar o AWB Automatic White Balance ou executar o balanceamento de forma manual tendo como referncia um instrumento que mostre as cores do sistema de TV, como o Vectorscope.

V.2 BALANCEAMENTO DE PRETO

A reproduo do preto deve estar no nvel correto e balanceado. Quando o nvel de preto (pedestal) est elevado, os tons mais escuros da imagem se tornam mais claros e no revelam os detalhes das sombras. Se abaixarmos este nvel demasiadamente, podemos chegar a um ponto de confuso com o preto total e novamente perder a relao de contraste das partes sombreadas e escuras da imagem.

V.3 FLARE

Quando uma forte luz passa pela lente a tendncia ser das partes escuras da imagem terem os nveis de vdeo aumentados. Os circuitos de flare existem para que mesmo com saturao no branco a cmera no perca os seus corretos nveis de preto.

V.4 GAMA

Consiste no balanceamento e ajuste de nvel da correo gama nos trs canais (RGB). Essa correo se faz necessria devido a no linearidade entre o sinal eltrico injetado no monitor e o respectivo brilho. Assim, ocorre na cmera a correo gama inversa e diz-se que o sinal da cmera est gama - corrigido.

V.5 KNEE

A regio de atuao deste ajuste a regio de incio de saturao at o White clip. O ajuste de knee point ir regular o ponto de incio dessa saturao e o ajuste de knee slope ir regular a taxa de saturao com que a cmera ir clipar o branco.

V.6 WHITE CLIP

Ajusta o nvel mximo de saturao a que pode chegar o vdeo.

V.7 DTL (Detail)

um recurso utilizado para melhorar a definio da cmera, aumentando o contraste nas transies claro-escuro e escuro-claro. O recurso aplicado tanto em bordas horizontais quanto verticais.

BIBLIOGRAFIA

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