Desmistificando a briga por Megapixels! Quantidade não é documento!

Na montagem, foto do extinto celular Nokia Pure View 808 com câmera de 38MP de 2011 e a lendária Leica M com 16MP. Fonte das fotos: Google.

Os fabricantes de câmeras, filmadoras e celulares, na briga para ganhar mercado, tomaram como prática (nem sempre ética), falar da qualidade das imagens produzidas por seus equipamentos em termos de Megapixels ou tamanho de seus sensores. Brincando um pouco, parecem meninos da vizinhança apostando pra ver quem tem o maior pinto ou faz xixi mais longe. Em primeiro lugar, precisamos entender o que é e como funciona um sensor de imagem de uma câmera. Dessa maneira poderemos desmistificar certas idéias a respeito de tamanhos, tipos, qualidade de definição e outras coisas como profundidade de campo. 

Comparação da estrutura física dos sensores CMOS antigos e modernos.

Então vamos começar do básico do básico: o que ha dentro de um sensor de imagem de uma câmera. Aquele reluzente pedaço de vidro (na verdade plástico) que não ousamos tocar com os dedos e que é colorido como um arco-íris. Um sensor nada mais é que uma placa de circuito impresso (melhor dizendo, um chip) com centenas de milhares de micro estruturas como a mostrada na imagem acima. À esquerda temos um modelo de CMOS tradicional e mais antigo e à direita, um sensor retro-iluminado. Lembrando que o CMOS substituiu quase que totalmente os antigos CCD's. Mas para não complicar demais, não vamos falar dessas diferenças nesse artigo. O fato é que a maioria das filmadoras, câmeras fotográficas e celulares adota hoje a tecnologia do CMOS. 

Mais recentemente começamos a ouvir falar dos sensores retro-iluminados (em inglês, chamados de BSI CMOS ou backside illuminated CMOS). Não gosto muito desse termo nem no original em inglês e nem de sua tradução em português. A palavra retro-iluminado ou iluminado por trás causa uma certa confusão. Seria esse sensor iluminado por alguma fonte de luz na sua parte traseira. A luz que entra pela lente faria uma volta mirabolante para atingir o sensor na parte de trás? Nem uma coisa nem outra. O termo mais correto seria chamá-los de sensores retro-alimentados ou retro-interligados. O termo iluminado se refere mais a energia que passa pelas trilhas de cobre do circuito impresso que "acendem" ou melhor dizendo, fornecem energia aos semi-condutores que compõe o sensor de imagem.

O fato concreto é que os CMOS retro-iluminados tem um desempenho melhor em captar pouca luz, em situações como cenas com pouca iluminação, fotografias noturnas e lentes mais escuras. O ISO ou sensibilidade desses sensores também é maior. E se com os antigos CMOS tradicionais, o ruído na imagem já aparecia em regulagens de ISO acima de 3200, os novos sensores chegam a absurdos ISO 52000 ou até o dobro, embora as imagens captadas em ISO tão alto sempre mostrarão ruídos nas áreas com pouca ou nenhuma luz na imagem. Mas pelo menos podemos chegar aos ISO 12000 obtendo resultados bem satisfatórios. Porque?

Observando novamente e com cuidado a imagem acima, vemos facilmente que a quantidade de luz que atinge o sensor e o próprio tamanho da área que capta a luz são bem maiores no sensor da direita. O que acontece é que os engenheiros mudaram a forma construtiva do sensor. Os CMOS antigos tinham a camada de trilhas de cobre, por onde passa a corrente elétrica que alimenta cada pixel e que leva o sinal captado por eles para o processador de imagem, eram montados entre a lente e o filtro de cor de cada pixel e a área onde a luz da lente (imagem) era captada. Essa camada de resina e cobre limitava o tamanho da região sensível a luz e refletia de volta parte dos raios luminosos captados pelas lentes.

A imagem a direita tem as mesmas especificações de lente, velocidade de obturador, abertura e ISO. A da direita tem mais claridade devido a maior sensibilidade do sensor CMOS retro-iluminado.

Os engenheiros tiveram então a brilhante idéia de colocar essa camada de circuitos ou trilhas na parte de trás do sensor, deixando a camada que realmente recebe e capta a luz colada na lente e no filtro de cores de cada pixel. Com isso não apenas o tamanho de cada pixel aumentou como também a micro lente responsável por focalizar o feixe luminoso pode ficar literalmente colada nas suas companheiras de cada um dos quatro lados. Os ângulos de incidência de luz também ficaram maiores. Com isso mais luz que entra pela lente pode chegar a região sensível do pixel (ou fotodíodo na linguagem de eletrônica). Dessa forma em um sensor de mesmo tamanho puderam ser acrescentados mais pixels. então até aqui falamos da melhora do desempenho em relação a capacidade de captar imagens com pouca luz. Mas o tamanho?

Vamos lá. O "tamanho" do sensor tem sido divulgado pelos fabricantes, de forma maliciosa, pela quantidade de megapixels. então vem o fabricante A e diz que a câmera dele é equipada com um sensor de 16MP. O fabricante B contra ataca dizendo que seu produto possui sensor de 42MP. Qual dos dois é maior ou melhor? Depende muito de outros fatores. Volto a lembrar que um sensor possui milhares de pequenos pontos (pixels), como os mostrados na primeira imagem. Cada um independente do outro alinhados em linhas e colunas. A multiplicação do número de linhas pela quantidade de sensores por linha dá a capacidade final em MPixel de determinado sensor. O correto é informar o tamanho do sensor pelas suas medidas externas em milímetros ou polegadas. E aqui vai a primeira informação (abaixo em negrito para você nunca mais esquecer:

Cada pixel individual de um sensor não sabe o que os colegas do lado estão fazendo. E não influenciam e nem são influenciados por eles quando se trata de captar a luz!

Dessa forma podemos concluir que a sensibilidade à luz depende única e exclusivamente da capacidade de cada pixel em transformar essa luz em informação (sinal elétrico) para ser enviada ao processador de imagem. Mais pixels em um sensor vai determinar apenas a resolução da imagem. Os detalhes finos, a precisão do foco e a separação correta das cores. Quer um exemplo? A Nokia antes de desistir de fabricar celulares (mas agora está voltando) lançou o modelo Pureview 808 com câmera de 38 MPixel. Na época, poucas cameras profissionais tinham essa capacidade de resolução. No entanto a capacidade do aparelho de tirar fotos em situações com pouca luz era muito ruim. E mesmo a qualidade da imagem. Qualquer câmera profissional com 12 MPixel tirava fotos com pouca luz muito melhores e com menos ruído. O que acontecia? 

Nokia Pureview 808 lançado em 2012: 38MP de resolução. Fonte da imagem: https://www.dpreview.com/articles/8083837371/review-nokia-808-pureview

Para responder isso precisamos olhar novamente a imagem lá em cima mostrando a estrutura de um píxel individual. E fazer um pouco de contas. Mas não se preocupe, pois mais abaixo vou mostrar um gráfico para deixar as coisas mais fáceis. Vemos lá: um sensor de celular, pela limitação de espaço, mede pouco menos de um centímetro de comprimento por uns oito milímetros de altura. Para ter uma resolução de 38 MP é preciso montar na placa desse sensor aproximadamente oito mil pixel na horizontal por quatro mil pixel na vertical. Fazendo as contas: 7.728 x 5.368= 41.000.000 ou 41 MPixel. É a famosa imagem em 8K. Sendo que os 8K, ou 8 mil pixels, se referem a quantidade de pixel por linha).

Imagem tirada com o Nokia 808: foi usado um tripe, ISO 1600, exposição 1/25 seg , f/2.4 e a espantosa resolução de 38MP (em 2012 poucas câmeras profissionais chegavam a isso). O tamanho original da imagem é de 7.728 x 5.368 pixels. Mais abaixo veja a ampliação em 100% da área marcada em verde. Fonte da imagem: https://www.dpreview.com/files/p/articles/8083837371/38MP_2012-07-19-0414.jpeg (dá pra baixar na resolução total).

Imagine então o tamanho que cada fotosite (pixel) deve ter para caberem 8 mil deles na largura de 1 centímetro. Fazendo as contas: 1cm=10mm então basta dividir 10mm por 7.728 encontrando o resultado de 0,0014mm ou 1,4 μm (iu pouco mais que um milésimo de um milímetro). Por isso quando olhamos um sensor vemos uma superfície lisa e multicolorida. É preciso usar um microscópio potente para vermos um pixel na superfície do sensor. Como a área desse píxel é microscópica, a quantidade de luz que incide sobre ela é mínima. E vamos lembrar a regra em negrito ali em cima. Não adiantam 38 milhões de pixels se cada um trabalha sozinho captando sua luz. Tá complicado né? Mas logo aqui embaixo  você vai entender melhor. 

Sensor Full frame com 45P (só exemplo) de resolução versus sensor Micro 4/3 com a mesma resolução: a área de captação de luz de cada pixel no sensor Micro 4/3 é 4 vezes menor, embora a resolução em pixels dos dois sensores seja a mesma (45p). 

Vamos a mais umas continhas. Digamos que agora temos uma câmera Full Frame como a Canon 5D MKIV, cujo sensor tem 32 MP. POREM seu sensor mede 36mm de largura por 24 mm de altura. Os 32 MP (os mesmos do celular Nokia) também serão divididos entre 4 mil linhas tendo cada uma 8 mil pixels. MAS fazendo as contas novamente vamos dividir os 36mm de largura do sensor por 8 mil, que vai ser igual a 0,0045mm ou 4,5 μm. Portanto a largura do píxel da Canon 5D MKIV é 4 vezes maior que o píxel do celular da Nokia. E sua área será cerca de 8 vezes maior também (lembrando que área é largura vezes altura). Ou seja, o sensor da Canon 5D MKIV é capaz de captar 4 vezes mais luz e portanto tem uma sensibilidade 8 vezes maior. E é por isso que um celular mostra uma imagem péssima, cheia de ruídos e granulados (em baixa iluminação), mesmo tendo uma resolução maior que a de uma câmera profissional. Então vai a segunda regra pra decorar:

Detalhe da foto anterior (área demarcada em verde): A quantidade de ruído não anima muito...

Resolução em Mega pixel não quer dizer mais sensibilidade para pouca luz. Sensores com tamanho físico maior tem mais sensibilidade que outro com tamanho físico menor, mesmo tendo os dois a mesma RESOLUÇÃO em MP! 

Mas é preciso ressaltar também que a qualidade do sensor, a tecnologia, a qualidade do processador de imagem, a qualidade e luminosidade da lente também vão influir nessa comparação! Então até aqui vimos que o tipo de construção do sensor, e o tamanho (área) de cada pixel individual influi na sensibilidade à pouca luz da câmera. No próximo post vamos falar de outros fatores que também são mitos: a profundidade de campo e a resolução da imagem. E finalmente o fator de corte (crop factor) que também é mistificado.

Grande abraço!