La cámara digital es uno de los cambios más importantes en esta era de la digitalización de la información. Es un invento tan revolucionario y que dista tanto de su predecesor análogo, que incluso este ultimo ni necesita de electricidad para ser operado, y solo basta de procesos químicos y mecánicos para su funcionamiento.
A pesar que la calidad de imagen de una película (Rollo) sigue siendo superior, las cámaras digitales no se quedan atrás, y es por esto que gracias a los avances tecnológicos que han presentado se han vuelto más populares dentro del uso fotográfico.
En este artículo veremos que sucede exactamente dentro de este magnífico invento.
CCD y CMOS
A diferencia del rollo fotográfico, una cámara digital posee en su interior un sensor que convierte la luz en cargas eléctricas.
El sensor de imágenes utilizado por la mayoría de las cámaras digitales es el CCD (en español conocido como dispositivo de carga acoplada) aunque están también aquellas que utilizan la tecnología del CMOS. Una forma de explicar el funcionamiento de estas, es imaginando un panel lleno de pequeñas celdas, en donde una vez que el sensor convierte la luz en electrones, estos son leídos al momento de estrellarse contra el panel. La diferencia entre estos dos tipos de sensores son que:
El CCD transporta la carga a través del chip y lee la información en una esquina del panel. Luego un convertidor análogo a digital, mide la cantidad de carga en cada celda y cambia cada pixel en un valor binario.
El CMOS usa varios transistores que están ubicados en cada celda, para luego mover la carga a través de un cableado interno.
Estas diferencias de sensores nos llevan a algunas ventajas y desventajas que mencionaremos a continuación:
-Los sensores CCD logran imágenes de alta calidad y con poco ruido, en cambio los CMOS son más susceptibles al ruido.
- Debido a que en cada pixel (celda) de un sensor CMOS, puede haber muchos transistores, la sensibilidad luminosa de este chip es menor, debido a que muchos fotones en vez de golpear al foto-diodo golpean en algún transistor.
- Los CMOS por lo general consumen menos energía que los CCD, debido a que estos últimos deben realizar un proceso que utiliza mayor energía, que puede llegar a ser hasta 100 veces mayor que al otro.
- CCDs son producidos en masa hace ya un buen tiempo, por lo cual tecnológicamente están más maduros, y tienden a ofrecer una mejor calidad y cantidad de pixeles.
- Debido a que en cada pixel (celda) de un sensor CMOS, puede haber muchos transistores, la sensibilidad luminosa de este chip es menor, debido a que muchos fotones en vez de golpear al foto-diodo golpean en algún transistor.
- Los CMOS por lo general consumen menos energía que los CCD, debido a que estos últimos deben realizar un proceso que utiliza mayor energía, que puede llegar a ser hasta 100 veces mayor que al otro.
- CCDs son producidos en masa hace ya un buen tiempo, por lo cual tecnológicamente están más maduros, y tienden a ofrecer una mejor calidad y cantidad de pixeles.
La cantidad de detalle que captura una cámara es llamada la resolución, y es medida en pixeles. Entre más pixeles tenga una cámara, mayor es el detalle que se puede capturar, y mayor son las imágenes que se pueden lograr sin que estas se vean borrosas o con granos.
Algunas típicas resoluciones son:
256×256 – Se ven en las cámaras más baratas, esta resolución es tan baja que la calidad de la imagen es casi inaceptable. Son en total solo 65.000 pixeles
640×480 – Esta es la gama baja en la mayoría de las cámaras de celular. Esta resolución es ideal para enviar mails o para publicar en sitios webs.
1216×912 – Esto es 1 megapixel, que equivale a un total de 1.109.000 pixeles – es una calidad decente para imprimir.
1600×1200 – Con casi 2 millones de pixels, esto ya se considera alta resolución. Con esto ya puedes imprimir una foto de 4×5 pulgadas obteniendo una calidad similar a la de un laboratorio fotográfico.
2240×1680 – Aquí ya podemos obtener una buena calidad para fotos de 16×20 pulgadas, es una resolución de 4 megapixeles.
4064×2704 – Estos son 11.1 megapixeles y ya se encuentra en la gran mayoría de las cámaras en el mercado.
640×480 – Esta es la gama baja en la mayoría de las cámaras de celular. Esta resolución es ideal para enviar mails o para publicar en sitios webs.
1216×912 – Esto es 1 megapixel, que equivale a un total de 1.109.000 pixeles – es una calidad decente para imprimir.
1600×1200 – Con casi 2 millones de pixels, esto ya se considera alta resolución. Con esto ya puedes imprimir una foto de 4×5 pulgadas obteniendo una calidad similar a la de un laboratorio fotográfico.
2240×1680 – Aquí ya podemos obtener una buena calidad para fotos de 16×20 pulgadas, es una resolución de 4 megapixeles.
4064×2704 – Estos son 11.1 megapixeles y ya se encuentra en la gran mayoría de las cámaras en el mercado.
Dato Curioso: ¿Han notado que por ejemplo una cámara de 2.1 megapixeles solo puede lograr imágenes de 1600×1200, dando un total de 1.920.000 pixeles en vez de los 2.100.000 que debería tener? Esto es debido a que el CCD debe incluir su circuitería en el convertidor análogo-digital, para poder medir las cargas. Esta circuitería es teñida de negro por lo cual no absorbe la luz y no distorsiona la imagen, pero si disminuye parte de su resolución. Actualmente hay cámaras que capturan sobre los 50 millones de pixeles (las hasselblad)
Aquí les dejo una tabla comparativa entre el tamaño de impresión y los megapixeles. El valor numérico de cada recuadro son los DPI (puntos por pulgada). Los colores son un indicador subjetivo de la calidad de impresión en donde el morado es la mayor calidad, y el naranjo es el menor. La calidad estándar que utilizan los fotógrafos para imprimir es entre 220 y 300 dpi.
Capturando el color
Lamentablemente cada celda del sensor solo puede medir la intensidad de luz que llega, y no los colores que hay presentes. Por lo cual, para lograr una imagen a color, la mayoría de los sensores usan un filtrado de la luz para que esta se vea a través de los tres colores primarios. Una vez que la cámara registra estos tres colores, los combina para crear el espectro completo
Existen varios métodos para registrar estos tres colores en una cámara. Las cámaras de gama alta, usan tres sensores por separado, y cada uno de estos con un filtro distinto. Un divisor de rayos redirige la luz a cada uno de estos 3 sensores, luego cada sensor recibe exactamente la misma imagen, con la diferencia que debido al tipo de filtro utilizado, cada sensor recibirá uno de los tres colores primarios.
La ventaja de este método es que la cámara registra cada uno de los tres colores por separado pero para una misma posición de un pixel. Claro que este tipo de cámaras tienden a ser grandes y caras.
Otro método es rotando una serie de filtros, rojo, verde y azul en frente de un solo sensor. El sensor registra rápidamente tres diferentes imágenes, una para cada color. Este método también provee la información de los tres colores en cada pixel, pero debido a que cada una de las imágenes no es tomada en el mismo momento, el objeto y la cámara deben permanecer lo mas inmóviles posible.
Filtrado del color
Un modo más práctico y económico, para registrar estos colores primarios es utilizando un arreglo de filtros de colores en cada una de las celdas del sensor. Al dividir el sensor en varios pixeles tanto rojos, verdes y azules, es posible obtener suficiente información para lograr suposiciones respecto al verdadero color en cada pixel. Este proceso de analizar los pixeles de alrededor para obtener el supuesto color del pixel central, se llama interpolación.
El patrón más común de filtros es el patrón Bayer. Este patrón alterna filas de rojos y verdes con filas de azul y verdes. Estos pixeles no están repartidos de manera equitativa ya que hay tantos pixeles verdes como azules y rojos juntos. Esto es debido a que el ojo humano no es sensible por igual a estos tres colores y es necesario incluir mayor información de pixeles verdes para que al crear la imagen, el ojo pueda percibir un “verdadero color”
Las ventajas de este método es que solo basta de un solo sensor en la cámara, y en el también se registrara la información de los tres colores en solo una toma. Esto significa que la cámara puede ser más pequeña, barata y practica. La toma obtenida sin tratar de un patrón Bayer, o sea el RAW, es un mosaico de pixeles rojos, verdes y azules de diferentes intensidades.
Las cámaras digitales utilizan un algoritmo especializado de desmosaico, para convertir este mosaico en otro del mismo tamaño pero con colores verdaderos.
Exposición y Apertura
Tal como con una cámara a rollo, una digital debe controlar la cantidad de luz que llega hasta el sensor. Los dos componentes encargados de esto, son la apertura y la velocidad del obturador.
Apertura: Es el tamaño del orificio ubicado dentro del lente que regula la entrada de la luz. Este por lo general es automático en la mayoría de las cámaras digitales. Además de la cantidad de luz también establece la profundidad de campo. Entre menor sea el valor de la apertura de un lente, mejor será este.
Velocidad de obturación: Es la cantidad de tiempo la cual la luz puede pasar a través de la apertura. Entre mayor sea el tiempo, mas será la luz que pase, pero también son más las posibilidades de que una imagen salga borrosa.
Además de controlar la cantidad de luz que entrara hasta el sensor, la cámara también debe ajustar como la luz será enfocada en el sensor. Por lo general los lentes de las cámaras digitales son muy similares a las cámaras análogas.
La distancia focal, es una importante diferencia entre las cámaras digitales y una de 35mm. Esta distancia, es la que existe entre el lente y la superficie del sensor. Los tamaños de los sensores pueden ir variando según la marca, pero por lo general son menores a una película de 35mm. Además esta distancia establece el aumento o zoom, cuando uno ve a través de la cámara. En 35mm un lente de 50mm otorga una vista natural de un sujeto. Al ir aumentando el valor de esta distancia los objetos se ven más grandes, y al reducirlos se ven más pequeños. Existen cuatro tipos de lentes es una cámara digital, fijos, con zoom óptico, con zoom digital y con lentes intercambiables.
Finalmente los dejo con un resumen de los procesos implicados al momento de capturar una foto con una cámara digital con sensor CCD.
-Apuntas al objetivo y ajustas el zoom
-Presionas un poco el disparador, y la cámara automáticamente enfocara al objetivo y toma una medición de la luminosidad disponible
-La cámara determina la apertura y velocidad del obturador para obtener una exposición optima
-Presionas completamente el obturador
-La cámara deja configurado el sensor CCD, y lo expone a la luz, formando una carga eléctrica hasta que el obturador cierre.
-El convertidor análogo-digital mide el nivel de carga y crea una señal digital que representa los valores de la carga en cada pixel
-Un procesador interpola la información de cada pixel para crear un color más natural y realiza una cierta compresión de la imagen si es que tenemos la cámara configurada para tomar fotos en .jpg.
-Y finalmente la imagen es almacenada en la memoria de la cámara.
-Presionas un poco el disparador, y la cámara automáticamente enfocara al objetivo y toma una medición de la luminosidad disponible
-La cámara determina la apertura y velocidad del obturador para obtener una exposición optima
-Presionas completamente el obturador
-La cámara deja configurado el sensor CCD, y lo expone a la luz, formando una carga eléctrica hasta que el obturador cierre.
-El convertidor análogo-digital mide el nivel de carga y crea una señal digital que representa los valores de la carga en cada pixel
-Un procesador interpola la información de cada pixel para crear un color más natural y realiza una cierta compresión de la imagen si es que tenemos la cámara configurada para tomar fotos en .jpg.
-Y finalmente la imagen es almacenada en la memoria de la cámara.
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