2010/03/06

Fotometragem e Exposição

Saber como a sua câmera digital faz a fotometragem é crítico para atingir exposições consistentes e precisas. A fotometragem é a maneira pela qual a sua câmera determina a abertura e velocidade no momento em que uma foto é feita, baseando-se nas condições de luz e o ISO. Os modos de fotometragem normalmente incluem: parcial, por zona, matricial, evaluativa, com peso no centro e fotometragem pontual. Cada um desses modos é mais (ou menos!) indicado para determinadas condições de luz. Compreender cada uma dessas condições pode melhorar a intuição fotográfica de como a câmera mede a luz.

Introdução: luz incidente vs. luz refletida

Todos os fotômetros embutidos nas câmeras têm uma característica fundamental: eles só podem medir a luz que é refletida. Isso significa que o melhor que eles podem fazer é calcular quanta luz está realmente atingindo o sujeito sendo fotografado (em oposição a medi-la diretamente).

 

 Se todos os objetos refletissem a mesma porcentagem de luz incidente então não haveria nenhum problema com esse tipo de fotometragem, mas os objetos do mundo real tem refletância muito diferentes. Por esse motivo os fotômetros embutidos em câmeras são padronizados baseados na quantidade de luz que seria refletida por um objeto com a aparência do chamado 'cinza médio'. Se a câmera é mirada diretamente para qualquer objeto mais claro ou mais escuro que o cinza médio, o fotômetro irá, incorretamente, calcular sub ou super-exposição, respectivamente. Um fotômetro de mão, por outro lado, calcularia a mesma exposição para qualquer objeto sob uma mesma luz.

Aproximações* de 18% de luminância:
*Mais preciso quando se usa um monitor que imita o espaço de cor sRGB
e que esteja calibrado corretamente.
Os monitores emitem (e não refletem) a luz e essa também é uma limitação fundamental.


Mas, afinal, o que é o cinza médio? Na indústria de impressão ele é padronizado como a densidade de tinta que reflete 18% da luz incidente, mas câmeras raramente aderem a esse padrão. Esse tópico mereceria uma discussão especial, mas no escopo desse tutorial basta saber que cada câmera tem um padrão que fica entre os tons médios de cinza (algo como ~10-18% de refletância). Fotometrar com base num objeto que reflete mais ou menos luz do que isso pode fazer com que o algoritmo de fotometragem da sua câmera fique um pouco 'confuso' -- indicando sub ou super-exposição, respectivamente.


Todos os fotômetros embutidos em câmeras podem funcionar surpreendentemente bem se a refletância dos objetos sendo fotografados for bem diversa na cena sendo fotografada. Em outras palavras, se houver uma amostragem balanceada variando de objetos escuros a objetos claros, então a refletância média ficará mais ou menos no cinza médio. Infelizmente, algumas cenas podem ser muito desbalanceadas na refletância do sujeito da foto; por exemplo uma pomba branca na neve, ou um cachorro preto em uma pilha de carvão. Nesses casos a câmera pode tentar criar uma imagem com um histograma cujo pico primário fica nos meios-tons, apesar de dever ter colocado esse pico nos brilhos ou nas sombras ( 'high-key' e 'low-key'"). 

Opções de fotometragem

Para expor corretamente uma grande gama de combinações de sujeitos e refletâncias, a maioria das câmeras possui diversas opções de fotometragem. Essas opções funcionam ao se designar um peso a diferentes regiões de luz; aquelas com maior peso são consideradas com maior relevância para a iluminação da cena e, assim, contribuem mais para o cálculo final da exposição.
Peso no Centro Parcial Pontual


As áreas da fotometragem parcial ou pontual são aproximadamente 13.5% e 3.8% da área da imagem, respectivamente (essas são as configurações de uma câmera Canon EOS 1D Mark II).
As regiões brancas são as que mais contribuem para o cálculo da exposição, enquanto que as áreas pretas são ignoradas. Cada um dos diagramas acima também pode ser deslocado do centro do quadro de fotometragem, dependendo das opções de fotometragem e do ponto utilizado para o auto-foco.










Algoritmos mais sofisticados podem até ir além da fotometragem por mapa de região e incluem: 'evaluativa', por zona ou matricial. Esses são normalmente os padrões quando a sua câmera está no modo de exposição automática. Esses modos geralmente funcionam dividindo a imagem em várias sub-seções onde cada seção é então considerada em termos de sua posição relativa, intensidade de luz ou cor. A posição do ponto de auto-foco e a orientação da câmera (retrato ou paisagem) também podem contribuir para os cálculos.




Quando usar fotometragem parcial ou pontual?

 

 

 

Fotometragem parcial ou pontual dão ao fotógrafo muito mais controle sobre a exposição que qualquer outra opção, mas isso também significa que elas são um pouco mais difíceis de serem utilizadas -- pelo menos no começo. Elas são úteis quando há um objeto relativamente pequeno dentro de sua cena que você quer que esteja exposto corretamente, ou sabe que ele representa a cor mais próxima de um cinza médio dentro da cena.


Uma das aplicações mais comuns da fotometragem parcial é um retrato de alguém iluminado por trás. Fotometrar na face do sujeito pode ajudar a evitar a impressão de que a pessoa é só uma silhueta contra um fundo iluminado. Por outro lado, muito cuidado deve ser tomado já que a cor da pele de uma pessoa pode levar a uma exposição incorreta se ela for muito diferente de uma refletância neutra cinza -- mas, provavelmente, não tão incorreta quanto o resultado obtido pela fotometragem na luz de fundo.
Fotometragem pontual é muito menos usada pois a área de medição é muito pequena e, por isso, muito específica. Isso pode ser uma vantagem quando você não tem certeza da refletância de um objeto e possui um cartão cinza específico para utilizar como base para os cálculos fotométricos.






Esses tipos de fotometragem também são muito úteis para realizar exposições um pouco mais criativas e quando a luz ambiente é muito pouco usual. Nos exemplos abaixo poderia-se fotometrar os tijolos iluminados difusamente no primeiro plano (foto da esquerda) ou diretamente nos tijolos iluminados pelo sol logo abaixo da abertura que leva ao céu (foto da direita).



Notas sobre fotometragem com peso no centro

 

 

Houve uma época na qual a fotometragem com peso no centro era um padrão muito comum em câmeras pois podia lidar bem com céus claros sobre uma paisagem escura. Hoje em dia ela foi mais ou menos substituída pelas fotometragens evaluativa e matricial, e em especificidade pela parcial e pontual. Por outro lado, os

resultados produzidos pela fotometragem com peso no centro são mais facilmente previsíveis,

enquanto que os modos de fotometragem matriz e evaluativa têm algoritmos que são mais complicados de serem previstos; não permitindo ao fotógrafo saber exatamente o resultado que vai obter. Também por esse motivo algumas pessoas preferem utilizar fotometragem com peso no centro como padrão.

Compensação da exposição

 

 

Qualquer um dos métodos de fotometragem discutidos acima pode utilizar uma característica chamada de compensação de exposição (EC, sigla que vêm do inglês "Exposure Compensation"). Os cálculos da fotometragem são feitos da mesma forma que antes, mas os resultados finais são compensados pelo valor EC. Isso permite uma correção manual se uma sub ou super-exposição seja repetida consistentemente. A maioria das câmeras permitem até 2 pontos de compensação de exposição; cada ponto de compensação permite dobrar ou dividir pela metade a metragem da luz quando comparada com o que seria medido se a EC não estivesse ligada. Um valor de zero na EC significa que nenhuma compensação será aplicada (esse costuma ser o padrão das câmeras).


A compensação da exposição é ideal para corrigir fotometragens feitas erroneamente pela câmera devido a refletividade do objeto sendo fotometrado.

Não importa qual método de fotometragem é utilizado, um sensor de luz embutido na câmera sempre vai erroneamente sub-expor um sujeito como uma pomba branca numa tempestade de neve (ver acima). Fotografias na neve costumam precisar de um ajuste de +1 na EC, imagens de baixo-perfil (low-key), por outro lado, normalmente precisam de compensações negativa.
As vezes é muito útil usar uma EC um pouco negativa (entre 0.3 e 0.5) quando estiver gravando as suas fotografias no modo RAW e em condições de luz complicadas. Isso diminui a chance de aparecerem regiões de alta luz cortadas ('clipped highlights'), mas ao mesmo tempo permite que a exposição seja ajustada posteriormente. Alternativamente, uma EC um pouco positiva pode ser usada para melhorar a razão entre o sinal e o ruído em situações onde a alta luz está longe de ser cortada.

Sensores em Câmeras Digitais

Câmeras digitais utilizam uma disposição de sensores de milhões de pequenos pixels para produzir uma imagem. Quando você dispara a sua câmera e a exposição da imagem começa, cada um desses pixels tem um "fotosítio" que é descoberto para coletar fótons em uma cavidade. Uma vez que a exposição termina, a câmera fecha cada um desses "fotosítios" e então tenta determinar quantos fótons caíram em cada um deles. A quantidade relativa de fótons em cada cavidade é então organizada em vários níveis de intensidade, cuja precisão é determinada pela profundidade de bits (0 - 255 para uma imagem de 8-bits).




Cada cavidade é incapaz de distinguir quanto de cada cor caiu dentro dela, então a explicação dada na ilustração acima serve apenas para a criação de imagens em tons de cinza. Para capturar imagens coloridas é necessário colocar um filtro sobre cada cavidade de modo que haja somente penetração de uma cor específica. Praticamente todas as câmeras digitais que existem hoje são capazes apenas de capturar uma cor primária em cada uma das cavidades, desse modo elas descartam aproximadamente 2/3 de toda a luz que atinge o sensor. Como resultado, a câmera tem que realizar uma aproximação para estimar a informação relacionada às outras duas cores primárias para obter a descrição completa de cores em um determinado pixel. A disposição de filtros de cor mais comum é chamada de "Bayer array" e é mostrada na ilustração abaixo.

 

Uma "Bayer array" consiste em alternar as linhas de filtros vermelho e verde com linhas de filtros verdes e azuis. Note como a "Bayer array" contém duas vezes mais sensores verdes do que sensores azuis ou vermelhos. Isso ocorre pois o olho humano é muito mais sensível à luz verde do que vermelho e azul. A redundância do verde produz imagens que aparentam ter muito menos ruído e com mais detalhes do que se cada cor fosse tratada igualmente. Isso também explica porque o ruído no canal verde é muito menor do que nos outros dois
      Cena Original                         O que a sua câmera vê
                                                   (através do 'Bayearray')









Nota: nem todas as câmeras utilizam uma "Bayer array", mas essa é, de longe, a configuração mais comum para os sensores. O sensor "Foveon" usado nas Sigma SD9 e SD10 captura as três cores primárias em cada um dos pixels. As câmeras da Sony capturam quatro cores numa disposição similar a de "Bayer": vermelho, verde, azul e 'esmeralda'.

"Bayer demosaicing"

"Bayer demosaicing" é o processo de tradução da "Bayer array" de cores primárias em uma imagem final que contém informação completa de cor em cada pixel. Como isso é possível se a câmera é incapaz de medir a cor total diretamente? Uma maneira de entender isso é pensar em uma cavidade de cor ao invés de grupos de 2x2 cavidades de vermelho, verde e azul.










Isso funcionaria muito bem, mas a maioria das câmeras tira vantagem de dois processos adicionais para extrair ainda mais dados de cor dessa configuração. Se a câmera tratou cada uma das cores dos grupos de 2x2 como se tivesse chegado ao mesmo lugar, então ela obtém somente a metade da resolução horizontal e vertical que é capaz de fazer. Se, por outro lado, a câmera computar a cor usando combinações de diversos grupos de 2x2 'sobrepostos', então ela obteria uma imagem de resolução maior do que usando apenas um grupo de 2x2 para cada pixel. Veja a combinação de sobreposição na ilustração abaixo.


 
Note como não foi calculada a informação nas bordas do conjunto, já que ela só estaria disponível se houvesse mais sensores para os lados e para cima. é por isso que quando o cálculo ocorre nas bordas dos sensores de câmeras digitais um pouco de informação tem que ser descartada, o que não é um problema muito grave, quando lembramos que se tratam de imagens de megapixels, ou seja, alguns pixels a menos...
Existem outros algoritmos de "demosaicing" que são capazes de extrair mais resolução, produzir imagens com menos ruídos ou adaptar-se para aproximar melhor a imagem em cada ponto; obviamente estes são demasiado complexos para o presente texto.

Artefatos de 'demosaicing'

Imagens com detalhes muito pequenos (na mesma escala do limite de resolução do sensor) podem, as vezes, enganar o algoritmo de 'demosaicing', produzindo um resultado com um aspecto não muito realista. O artefato que aparece mais comumente é chamado de moiré (pronuncia-se 'moar-ei'), que pode se apresentar como um padrão que se repete, uma disposição de cor ou ainda arranjos de pixels que se parecem com um estranho 'labirinto'.




Duas fotos diferentes são mostradas na imagem acima, cada uma com um grau de magnificação. Note o aparecimento do moiré em todos os quatro quadrados na imagem de baixo, bem como no terceiro quadrado da primeira imagem (repare nas linhas diagonais muito sutis). Ambos os padrões que se parecem a labirintos e as disposições coloridas podem ser vistos no terceiro quadrado da versão diminuída. Esses artefatos dependem tanto do tipo de textura da imagem original quanto do software utilizado para tratar a imagem capturada.

Conjuntos de Microlentes

Você deve ter se perguntado porque o primeiro diagrama desse tutorial não mostrava as cavidades do sensor coladas umas nas outras. Os sensores de câmeras no mundo real não têm sítios cobrindo a superfície inteira do sensor. Na verdade eles normalmente cobrem somente metade da área total do sensor, já que outras partes eletrônicas tem que ser colocadas também. Mas cada uma das cavidades possui 'microlentes' logo acima delas que funcionam como funis para aumentar a capacidade de captação de cada sítio, assim é possível medir fótons que poderiam ter acabado em lugares sem sensibilidade. Na imagem abaixo as cavidade são mostradas com um pequeno pico entre elas que direcionam os fótons para a cavidade.

 

Microlentes bem feitas podem melhorar o sinal fotônico em cada fotosítio e, dessa forma, pelo mesmo tempo de exposição, criar imagens que têm menos ruído. Fabricantes de câmeras utilizam os avanços na tecnologia de microlentes para reduzir (ou manter) o ruído nas últimas câmeras de alta resolução, apesar de elas terem fotosítios menores devido ao fato de terem a mesma quantidade de megapixels na mesma área de sensor.
Um texto (em inglês) mais aprofundado sobre sensores de câmeras digitais pode ser encontrado em: