dispositivo que controla o tempo que o CCD deve receber uma determinada quantidade de luz. No mundo da fotografia existe um dispositivo similar, no caso, controlando o tempo que a película fotográfica fica exposta à luz. Nos dois casos, a principal função do obturador, além de regular a exposição correta em conjunto com o diafragma, é controlar o efeito de maior ou menor ‘congelamento’ da imagem em cenas de movimento.
Considerando-se uma bola de tênis após ter sido arremessada com a raquete, enquadrada pela câmera tendo como fundo o céu azul, a maneira como o movimento da mesma será registrado na imagem é controlada pela velocidade do obturador, tanto na câmera fotográfica como na câmera de vídeo. Na câmera fotográfica a luz proveniente das lentes forma a imagem sobre um pedaço da película (fotograma) posicionado atrás das mesmas; na câmera de vídeo o mesmo papel é desempenhado pelo CCD, onde a imagem projetada é lida eletrônicamente linha a linha, formando os campos que compõem os quadros. Se a velocidade do obturador for extremamente rápida, entre o tempo em que o mesmo é aberto deixando passar a luz e é fechado a seguir interrompendo sua passagem, a bola terá se deslocado muito pouco, sua trajetória praticamente coincidirá com a imagem da bola parada, como se a mesma estivesse congelada no ar.
No entanto, a medida que a velocidade do obturador é diminuída (obturador mais lento = maior tempo aberto = maior tempo em que a imagem é projetada no CCD), um pedaço maior de sua trajetória ficará gravado e a imagem da bola será o conjunto de todos os pontos ocupados pela mesma ao longo de sua trajetória, ou, em outras palavras, o conjunto de todos os pixels do CCD sensibilizados durante esse tempo. O desenho abaixo ilustra isso, onde da esquerda para a direita, em cada passada da bola a velocidade do obturador foi sendo ajustada para um valor cada vez menor:
O obturador, assim como na máquina fotográfica, interage diretamente com o diafragma: como existe uma quantidade correta de luz x tempo capaz de criar uma imagem corretamente exposta, a relação entre os dois mecanismos é inversa: quanto mais tempo o obturador ficar aberto, mais luz atingirá o CCD, portanto é necessário que o diafragma esteja mais fechado, para compensar a entrada extra de claridade. De maneira inversa, quanto menos tempo o obturador ficar aberto, menos luz atingirá o CCD, portanto é necessário que o diagrama esteja mais aberto, para compensar a menor quantidade de luz.
No exemplo acima da bola de tênis, como na imagem da esquerda a velocidade do obturador é alta, o CCD recebe menos luz em determinado intervalo de tempo do que nas imagens da direita, onde a velocidade do obturador é mais baixa. Assim, se o diafragma fosse mantido com abertura fixa, a bola e o céu ao fundo apareceriam mais escuros na imagem à esquerda, mais claros na imagem central e ainda mais claros na imagem da direita. Para compensar isto e manter a tonalidade geral na imagem, da esquerda para a direita o diafragma foi sendo fechado cada vez mais, tarefa esta que pode ter opcionalmente controle manual em algumas câmeras, mas geralmente é deixada a cargo do controle automático de exposição.
Ao contrário das máquinas fotográficas tradicionais, onde o obturador é um dispositivo mecânico, com lâminas móveis que se abrem e fecham rapidamente para expor o filme, na câmera de vídeo, embora o nome tenha sido mantido, o obturador é um dispositivo eletrônico. Na realidade, o que faz o obturador funcionar na câmera de vídeo é uma função eletrônica de ‘apagamento’: uma corrente elétrica, denominada corrente de purge (apagar) percorre as linhas do CCD um pouco antes (ou muito antes, dependendo do ajuste efetuado) do ponto em que o mesmo está sendo lido, e esta distância (pouco antes / muito antes) é que permite o controle de uma menor ou maior exposição do CCD. Como este controle é eletrônico, não possui partes móveis, é possível obter-se velocidades elevadas de obturação (1/10.000 seg. por exemplo), o que permite ‘congelar’ com facilidade uma imagem em movimento rápido. O desenho abaixo esquematiza o funcionamento do obturador na câmera de vídeo, através da representação simplificada (poucos pixels e leitura linha após linha, sem linhas pares/ímpares) de um CCD:
Cada quadrado no desenho representa um pixel. Cada pixel nada mais é do que uma microcélula fotoelétrica acoplada a um microacumulador de eletricidade, denominado registrador. A microcélula fotoelétrica (do mesmo tipo existente nas calculadoras acionadas à energia solar) está sempre gerando eletricidade enquanto recebe luz, na verdade a mesma converte continuamente a luz recebida em eletricidade. Esta por sua vez é armazenada no microacumulador (registrador) de eletricidade ligado à célula. Quanto mais tempo a célula ficar recebendo luz, maior vai ser a carga acumulada no microacumulador.
Supondo então que a célula fica continuamente recebendo luz (isto é, a objetiva da câmera está destampada), a carga do microacumulador irá aumentando cada vez mais. Só que existe um detalhe significativo, que faz toda a diferença no processo e é o responsável por o CCD conseguir registrar uma imagem: quanto mais intensa a luz que atinge o pixel, mais intensa é a corrente elétrica gerada e mais rapidamente o acumulador armazenará a carga elétrica. Assim, um pixel atingido por pouca luz terá o acumulador acoplado ao mesmo com menos carga, no mesmo intervalo de tempo do que outro atingido por bastante luz.
E é dessa forma que é possível obter imagens no CCD, uma vez que uma imagem nada mais é do que a variação de tonalidades de claro-escuro. O circuito eletrônico então varre os microacumuladores dos pixels do CCD, lendo a intensidade da carga acumulada de cada um, transfere esta informação para fora do CCD – o que se tornará o sinal de vídeo – e apaga (descarrega) o microacumulador, zerando sua carga, para que uma nova leitura atualizada seja feita na próxima vez em que o mesmo for lido.
O processo de leitura é efetuado linearmente e o desenho simplifica o mesmo, omitindo a leitura alternada de linhas pares e ímpares no processo normal de varredura. Na imagem “1” acima, o pixel “a” acabou de ser lido, seu microacumulador foi descarregado, o que é representado por uma cor branca no quadrado. O pixel da direita ainda não foi lido, assim como todos os demais à sua direita, o que é representado por uma cor cinza-escuro no quadrado. No exemplo, todos os pixels carregados possuem a mesma tonalidade de cor cinza-escuro para simplificação, em uma situação real alguns estariam mais outros menos carregados, formando a imagem projetada pelas lentes.
Os pixels à esquerda de “a” continuam recebendo luz e seus acumuladores vão sendo novamente carregados, o que é indicado pela cor dos mesmos, cada vez mais escura. Na imagem “2” o processo de varredura já está mais adiantado, agora é o pixel “b” que acabou de ser lido.
Na imagem “3” então aparece a ação do obturador, quando o pixel “c” acaba de ser lido, enquanto, ao mesmo tempo, o pixel “d” é descarregado (purge). Comparando-se com o mesmo pixel no desenho acima, vê-se que o mesmo já possuía certa carga acumulada, que é descartada. O tempo então que o mesmo terá para acumular nova carga é menor do que o seria se não tivesse ocorrido este apagamento. Se ao invés de “d” fosse apagado um pixel mais à sua esquerda, com mais carga, este tempo seria ainda menor. Ou seja, apagando-se a carga acumulada do pixel em determinado ponto do CCD diminui-se seu tempo de exposição. O processo é estendido a todos os pixels do CCD: o próximo a ser lido é o da direita de “c”, o próximo a ser apagado o da direita de “d”. Forma-se assim uma ‘corrente de apagamento’ (corrente de purge) que corre como um apagador em uma lousa na mesma velocidade que o processo de leitura / apagamento dos pixels. Esta corrente pode ser ajustada para correr mais perto do ponto onde a leitura é feita ou mais longe, correspondendo, respectivamente, a um tempo maior ou menor de exposição: tem-se assim o obturador eletrônico da câmera.
Se o desenho não estivesse simplificado existiriam mais pixels e a leitura seria feita alternadamente (linhas pares/ímpares) ou na sequência (como no desenho) se o modo de leitura fosse o progressive scan.
A corrente de apagamento acima mencionada só existe no CCD quando se deseja obter velocidades de obturação maiores do que o correspondente a montar 1 quadro completo a cada 1/30 seg, que é a cadência normal de montagem de imagens do sinal de vídeo (depende do país). Os quadros continuam a serem lidos e montados com esta frequência (1/30seg.) mas diminui o tempo em que o CCD fica exposto à luz entre cada leitura.
A consequência de se utilizar velocidades maiores do que 1/30 seg. é que os ‘rastros’ (como no exemplo da bolinha acima) dos movimentos deixarão cada vez mais de aparecer, quanto maior for a velocidade de obturação. E o efeito na imagem em movimento será um deslocamento não uniforme das pessoas e objetos: os movimentos ficarão entrecortados, truncados, lembrando a imagem de pessoas movimentando-se em uma sala iluminada com luz estroboscópica. O efeito especial ‘strobe’, presente em algumas câmeras, é conseguido dessa forma. Se velocidades altas de obturação retiram a continuidade uniforme dos movimentos, por outro lado permitem, ao se assistir um vídeo gravado dessa maneira, utilizar o botão pause do controle remoto para analisar os movimentos quadro a quadro, com imagem nítida (sem os ‘rastros’), efeito utilizado por treinadores em alguns tipos de esporte, como o golfe por exemplo. Uma roda de bicicleta em movimento por exemplo, quando gravada com velocidade alta de obturador, mostrará nitidamente seus raios quando observada quadro a quadro.
É possível também o uso de velocidades menores do que 1/30 seg: neste caso, quando o pixel “a” é lido no CCD, ele é somente lido e não lido e apagado, permanecendo dessa forma por exemplo até a próxima leitura, quando então é apagado. O tempo de exposição neste caso dobrou, cada pixel permanece 1/15 seg recebendo luz sem ser descarregado. O tempo de exposição pode ser aumentado cada vez mais, demorando-se cada vez mais para descarregar cada pixel: uma vez a cada 4 leituras por exemplo. E como a imagem que se deseja gravar é a do pixel exposto, como no exemplo, por um tempo 4x maior, ele não pode ser lido antes disso. No entanto é necessário continuar gravando algum sinal a cada 1/30 seg. para manter a frequência de quadros no sinal gerado. O circuito eletrônico resolve o problema repetindo a mesma informação para 4 quadros seguidos; enquanto isso os pixels ficam expostos sem serem lidos por esse mesmo tempo. A seguir são lidos, descarregados e a informação é novamente copiada 4x para a saída e assim por diante. Os quadros continuam a serem montados com a frequência de 1/30seg., mas aumenta o tempo em que o CCD fica exposto à luz entre cada leitura (as leituras são espaçadas).
A consequência de se utilizar velocidades menores do que 1/30 seg. se traduz principalmente em imagens de movimento: os ‘rastros’ deixados pelos mesmos ficarão cada vez maiores (o que pode ser utilizado como efeito artístico). A imagem de objetos ou pessoas que se movem ficará borrada, ou então toda cena enquadrada ficará borrada se é a câmera que se move. O controle automático de exposição utiliza velocidades assim, juntamente com máximas aberturas para poder captar cenas em locais onde existe pouquíssima luz. Por outro lado, utilizar velocidades muito lentas de obturador faz com que o CCD receba muita luz em determinado intervalo de tempo. Nesta situação, para obter-se a exposição correta, será necessária uma menor abertura do diafragma (controle automático – auto-exposure – ou manual na câmera), tanto menor quanto mais iluminada estiver a cena. Se for desejada uma abertura maior, a cena pode ser escurecida ou então podem ser utilizados filtros do tipo ND (Neutral Density) na câmera.
E como diferentes velocidades de obturador influenciam na abertura, também a profundidade de campo é afetada: assim, maior velocidade de obturador = maior abertura = menor profundidade de campo. E, de maneira inversa, menor velocidade de obturador = menor abertura = maior profundidade de campo. Assim, outra consequência do uso de diferentes velocidades de obturador é o aspecto “3-D” ou “chapado” que se obtém na imagem: com alta velocidade, é necessário grande abertura, logo obtém-se pequena profundidade de campo, que realça as dimensões espaciais da cena ao deixar o fundo desfocado e o primeiro plano nítido, obtendo-se o aspecto “3-D”. Por outro lado, o aspecto será “chapado” (tudo em foco) com baixa velocidade, que acarreta pequena abertura e com isto grande profundidade de campo.
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