O padrão ISO.

Uma câmara fotográfica funciona registrando a luz em um filme ou em um sensor. Nos textos anteriores, foi explicado que a intensidade de luz  pode ser controlada variando o f-stop ou o tempo de exposição. Mas ao final do texto sobre o tempo de exposição, introduzimos o termo ISO. Hoje vamos explicar o que é o ISO e qual a sua importância na fotografia.

Antes de mais nada, ISO  é a entidade mundial responsável pela determinação e/ou regulamentação  de padrões para produtos, processos e serviços (para mais detalhes veja http://www.iso.org/ ) e não é um termo exclusivo para fotografia. Mas é usual dizer algo como "qual  ISO  você utilizou?". Então, neste blog sempre que utilizarmos o termo ISO, estaremos fazendo referência ao ISO do filme ou do sensor. Se fôr necessário falar sobre a instituição, iremos explicitar a situação. Agora vamos voltar ao nosso texto!

A intensidade luminosa no sensor depende do tempo de exposição e do f-stop. Quanto maior o tempo de exposição, mais luz é registrada no sensor, e quanto menor o f-stop, igualmente maior será a quantidade de luz.

Mas aumentar o ISO tem um preço: a qualidade da imagem. Para que o filme seja mais sensível, uma maneira é aumentar o tamanho dos grãos sensíveis a luz. Isto faz com que exista uma maior área para captar a luz, e portanto a chance de ter o grão sensibilizado aumenta.

No caso dos sensores eletrônicos o aumento na sensibilidade (aumentar o ISO) pode ser efetuado agrupando mais pixels (que corresponde a ter grãos maiores nos filmes) ou aumentar a amplificação do sinal. O problema é que ao amplificarmos o sinal, os ruídos também são amplificados, e o resultado final pode não ser muito satisfatório.

A sensibilidade do filme (ou do sensor) à luz é representada por  um número, e quando dizemos que utilizamos ISO 100, significa que utilizamos um filme com sensibilidade para funcionar adequadamente sob certa condição de luminosidade,  se não for um filme, significa um sensor que responde a luz incidente de maneira equivalente a um filme com ISO 100 (não vamos nos preocupar do porque 100).  E qual a diferença entre  ISO 100 e digamos ISO 200? A diferença é a sensibilidade. No caso de ISO 200, o sensor/filme é duas vezes mais sensível que ISO 100, ou que podemos utilizar ISO 200 em um ambiente com a metade da luminosidade de ISO 100.  Assim, por exemplo a sequência de ISO 100,200,400,800,1600 e 3200 a sensibilidade vai sempre dobrando, assim ISO 3200 significa que o sensor/filme pode trabalhar em uma situação com luminosidade 32 vezes menor do o caso com ISO 100. Existem ISO com valores intermediários, por exemplo ISO 125, como utilizado na foto na figura 1. Neste caso a sensibilidade do sensor é 125/100 vezes ou 25% mais sensível que ISO 100. 

Ou seja, quanto menor fôr a luminosidade disponível, maior deve ser o ISO. No entanto não devemos esquecer que ISO alto implica em um ruído maior (ou granulação maior no caso do filme) na imagem final.  Além da granulação na imagem final, um ISO alto também resulta em um contraste menor na imagem final  e  em cores menos definidas também.

Qual o valor ideal para o ISO? Depende muito da situação. Em geral para dias claro e em ambientes abertos, ISO 100 a 200 pode ser o suficiente , e dentro de uma sala com amplas janelas também pode ser adequado. Para ambientes fechados com boa iluminação artifical, ISO 200 a 400 pode ser uma escolha razoável. Para ambientes fechados com iluminação adequada para a nossa visão, um ISO maior pode ser necessário e em ambientes mal iluminados pode ser necessário ISO como 3200, 6400 ou mais. 

Mas não é adequado pensar apenas no ISO, pois outros ajustes podem fazer com que os valores sugeridos acima se tornem inadequados. E também depende do que vai ser fotografado. A Lua dependendo da sua fose  pode ser registrado com ISO 100 ou 200, e se tiver um tripé para manter a estabilidade da máquina e ajudar na focalização (se possível evite utilizar o recurso de focagem automática) podemos obter fotos bem bonitas. Além disso, em algumas vezes o recurso de uma fonte externa de iluminação intensa, pode estar disponível, tornando possível utilizar um ISO baixo.

Figura 1.  A Lua usando ISO 125.

Na figura 1, a foto da Lua utilizando ISO 125,  f/5.6 e tempo de 1/250 segundos , uma objetiva de 300mm e com a câmara fixa em um tripé.  A foto maior é uma ampliação da mesma imagem.

Uma foto depede da combinação do ISO, do f-stop e do tempo de exposição. Escolhas erradas podem simplesmente estragar a foto. Mas como escolher a melhor combinação? No próximo texto, vamos abordar como começar a pensar na melhor combinação!

O tempo de exposição.

No texto sobre o f-stop, foi dito que objetivas com pequeno f-stop são consideradas objetivas rápidas e luminosas. O termo  luminosa é fácil entender: maior a abertura, maior a captura de luz. Mas o que significa objetiva rápida?

Vamos novamente recorrer a nossa câmara pinhole. Para que possamos sensibilizar o filme, naturalmene é preciso entrar luz pelo furo. O que não foi informado é por quanto tempo. No caso da pinhole para começar a fotografar, incialmente o furo deve ficar tampado, apenas quando a câmara estiver no local correto, o furo é destampado permitindo a entrada da luz. E ela deve ficar aberta pelo tempo necessário para que o filme registre da melhor forma possível a imagem desejada. Passado este tempo  o furo é novamente fechado , e o filme está pronto para ser revelado. O intervalo de tempo que o filme fica exposto é o tempo de exposição.

E por que é necessário este tempo? O filme é composto de uma substância química que é sensível a  exposição da luz.  No caso das câmaras digitais, no lugar do filme, existe um sensor que também depende da quantidade de luz que incide nos sensores. E em ambos os casos a quantidade de luz que incide é importante para a qualidade da imagem. A quantidade de luz, ou melhor, a intensidade da luz no sensor depende do diâmetro da abertura ou de quanto tempo fica recebendo a luz. A abertura, já sabemos que deve ser controlada pelo f-stop.  E o tempo de exposição, deve ser controlada pela velocidade do obturador. Estes dois parâmetros  além de uma terceira que está relacionado com a sensibilidade do filme ou do sensor , são de fundamentais importãncia para a obtenção de uma boa fotografia. A sensibilidade do filme/sensor vamos tratar no próximo texto. O que acontece se errarmos no tempo de exposição? Bem, dependendo de como foi o erro, simplesmente perder a foto. A figura 1 ilustra um caso aonde o tempo de exposição não foi corretamente ajustado.

Figura 1. Tempo de exposição errado.

Para uma imagem ideal, a intensidade luminosa no sensor deve ser próxima da luminosidade da cena original (na verdade, dependendo de como queremos registrar a cena podemos variar esta luminosidade, diminuindo ou aumentando em relação à cena original). Digamos que para uma dada cena o ideal seja uma combinação com abertura f/8 e tempo de exposição de 1/100 segundos. Mas esta mesma cena podemos fotografar com   f/4 e diminuir o tempo de exposição  para 1/400 segundos ou ainda diminuir o f-stop para  f/2.0 e o tempo de exposição para 1/1600 segundos. E claro, mantendo outros ajustes sem mudança.  Qual destas combinações seria a melhor escolha? A resposta é: depende do que está querendo registrar! As três combinações acima (novamente ressaltando que outros parâmetros são mantidos constantes) resultam em uma mesma luminosidade no sensor, mas escolher uma ou outra combinação pode alterar drasticamente o resultado final.

Mas, como foi efetuada as combinações dos f-stop e dos tempos de exposição, e por que estas escolhas garantem a mesma luminosidade no sensor? Bem, a luminosidade varia com o inverso do quadrado do valor do f-stop como já haviamos visto, ou seja se passarmos de um f-stop inicial que vamos representar como  f1 para um f-stop que vamos representar como f2, a variação na  luminosidade será (f1/f2)², por exemplo , se f1 é f/4 ao passarmos para f/2.0 a variação na luminosidade será (4/2)²=4 ou seja teremos uma luminosidade maior que 4 vezes ao utilizarmos a abertura maior.  No caso do tempo de exposição, ao passarmos de 1/100 para 1/200 o tempo de exposição diminui pela metade e logo entra apenas a metade da luz com tempo de exposição 1/200 quando comparado com a quantidade de luz com tempo de exposição 1/100. (Nota: ao falarmos do f-stop, sempre utilizamos a representação f/# aonde # é a razão entre a distância focal e o diâmetro de entrada da objetiva de forma que no nosso exemplo f1 é o f/4 e não o valor 4. Caso prefira utilizar a razão entre a distância focal e o diãmetro - o # em f/# - basta utilizar (f2/f1)² ao invés de (f1/f2)² ).

No caso geral qual o melhor tempo de exposição? Para responder isto, lembremos que qualquer movimento registrado no sensor, para ter nitidez deve ter uma definição pelo menos do tamanho do disco de confusão. Se durante o tempo de exposição escolhido o movimento registrado no sensor possuir um deslocamento menor que o diâmetro do disco de confusão, então a fotografia fará com que o movimento seja congelado, caso contrário o movimento será registrado com um borrão! Mas em alguns casos, um tempo de exposição longo aonde a imagem não fica congelada, pode resultar em imagens bem interessantes.

Figura 2. Um tempo de exposição curto permite "congelar" uma imagem.

Na foto na figura 2 o tempo de exposição foi de 1/1250 segundos ou  menos de um milésimo de segundo, o que nos permitiu obter uma foto aonde  uma das bolas metálicas que estava em queda, parece estar flutuando no ar. 

Figura 3. Um tempo longo de exposição.

A foto da figura 3 foi obtida com um tempo de exposição de 1/13 segundos ou um pouco menor do que  1 décimo de segundo e registra a colisão que ocorre em um pêndulo de Newton. É possível perceber que a bola da esquerda e da direita estão com as imagens borradas, nos permitindo perceber o movimento. (Olhando com atenção, é possível perceber que a bola central também está em movimento. A foto registra um evento após a colisão.)  Em particular, olhando apenas para a foto, a impressão que temos é que a velocidade da bola a esquerda é muito maior do que da bola da direita.

E se considerarmos o f-stop, como devemos acertar a o tempo de exposição? Primeiro é preciso definir o que queremos da fotografia! Lembremos que quanto maior a abertura, maior a quantidade de luz, mas menor o DoF e quanto menor o tempo de exposição, maior a quantidade de luz, mas se a cena muda mais rapidamente que o tempo de exposição, a imagem fica borrada. Uma recomendação geral seria: se a cena a ser fotografada muda muito rapidamente, e o objetivo é capturar a imvagem sem modificações, então escolha um f-stop pequeno (grande abertura) e um tempo de exposição mais curto. Esta escolha permite registrar cenas que modificam rapidamente. Ou seja, uma objetiva rápida é a melhor! Mas lembre que a profundidade de foco neste caso é rasa, de forma que é preciso uma focagem muito boa. Se desejarmos fotografar uma cena com uma grande profundidade de foco (DoF), precisamos de um f-stop alto e um tempo de exposição longo. 

Mas existe uma regra simples de qual o tempo de exposição que devemos escolher? Como dito anteriormente, depende do que desejamos registrar e também do equipamento utilizado. Se o objeto incluindo a cena que desejamos fotografar está parado, o que precisamos considerar basicamente é como estamos segurando a câmara e qual a firmeza que possuímos.   Se considerarmos a distância focal f, iniciar com tempos inferiores a 1/f  segundos é uma boa recomendação, principalmente para objetivas com grande distância focal.   Para objetivas com distância focal normal , uma recomendação tradicional é começar com velocidade de 1/60 segundos. Por que estas regras ? E qual valor de f  pode ser considerada "grande distância focal" e "distância focal normal"?? Vamos falar sobre este assunto depois, quando falarmos de objetivas. Mas para a maioria das DSLR (câmaras digitais com objetivas intercambiáveis), uma distância focal normal varia em torno de 30mm, um pouco mais ou um pouco menos. E seguramente uma objetiva com distância focal acima de 100mm (um pouco mais um pouco menos) pode ser considerada de grande foco. No texto sobre as objetivas, explicaremos com mais detalhes a razão desta classificação. Mas antecipo  que não é única e exclusivamente a distância focal que  deve ser utilizada para a classificação das objetivas como normal , telefoto etc. 

Existem algumas regras ou práticas usuais de escolhermos o tempo de exposição para situações como em dias bem claros para fotografias de paisagem, por exemplo.  Se tiver com ISO 100 (no próximo texto vou falar sobre o que é o ISO) uma recomendação é usar uma combinação de tempo 1/100 segundos , se estiver usando ISO 400, usar 1/400 segundos mas mantendo f/16. Esta é uma regra que em alguns textos aparece como "sunny 16": usar f/16 e acertar o tempo de exposição como inverso do valor do ISO utilizado.

Para terminarmos este texto, notemos que  as regras servem como um bom ponto de partida,  mas nem sempre pode ser a melhor escolha para uma situação em particular. Então o melhor é praticar, e atualmente com as câmaras digitais,  isto é bem mais fácil e menos oneroso financeiramente do que com câmaras com filme.

A abertura ou f-stop

Na última postagem eu citei o termo abertura ou f-stop, mas o que seria e para que serve a abertura?

Consideremos novamente nossa câmara pinhole, que tem diversas funções básicas que uma câmara necessita, sendo ótimo para ilustrar muitas coisas úteis para uma boa fotografia. O furo tem a função de permitir a entrada da luz e  quanto menor o diâmetro do furo, melhor a qualidade da imagem obtida. O que pode parecer contraditório, pois a quantidade de luz é um  dos parâmetros importantes para a obtenção de uma boa fotografia. Mas explicamos que se abrirmos muito o furo (para entrar mais luz) o que ocorria era uma imagem mais borrada. Para resolver este dilema, introduzimos a lente, cuja função é a de desviar os raios de luz, permitindo a formação de uma imagem nítida no sensor.

No texto sobre o foco,  uma pequena inverdade foi dita: a de que os raios de luz que chegam paralelos na  lente, todos convergem para o ponto  focal. Até apresentamos uma equação para ilustrar este fato. Talvez o termo inverdade seja um pouco exagerado, então vamos reescrever e dizer "uma pequena imprecisão" ou "omissão de detalhes importantes".  Qual foi a omissão? A equação apresentada funciona apenas para lentes finas, na verdade, no limite de lentes sem espessura! No caso de uma lente real, ela tem espessura, podendo por exemplo ser grossa no meio e fina nas bordas. E qual a consequência ? Ocorrem algumas distorções nas imagens captadas no sensor.  Vamos considerar o caso da chamada aberração esférica, considerando o que ocorre com um feixe de luz que seja paralelo ao eixo ótico da lente. Neste caso, quanto mais distante do eixo ótico, mais próximo da lente o raio de luz vai cruzar o eixo ótico após atravessar a lente. 

Figura 1. Na figura superior uma lente ideal e na inferior uma com aberração esférica.

Isto significa que ao invés de um ponto de convergência, obtemos uma série de pontos  aonde ocorre a convergência da luz, como podemos ver na figura 1.  Um sensor colocado exatamento no foco, ao invés de um ponto brilhante, irá registrar um disco brilhante.

Figura 2. As fotos acima representam a imagem registrada em diferntes posições ao longo do eixo ótico. 

A figura 2 registra estas imagens e o que ocorre ao deslocarmos ao longo do eixo ótico. Na coluna central o que seria registrado no ponto focal. Nas duas colunas a esquerda a imagem registrada caminhando na direção da lente e nas duas últimas colunas, quando se afasta da lente. As duas fotos anteriores tem como fonte wikipedia (são três situações com aberrações esféricas diferentes, mas no momento não nos interessa quais são as diferenças).

Além da aberração esférica, outras podem ocorrer, mas vamos nos fixar na aberração esférica. Uma maneira simples de diminuir a aberração esférica é limitando  a entrada da luz em um região mais próxima do eixo ótico, isto é bloqueando com uma abertura.  Este bloqueio faz com que os raios de luz que sofrem o maior desvio para a região próxima da lente, não sejam coletados e consequentemente não conseguem atingem o sensor.  Muito bem, agora estamos prontos para falar sobre o f-stop.  Mas, espere, você deve estar pensando, ainda assim não reduzimos a um único ponto! Sim, é verdade.  Então não deveriamos ainda observar um borrão ao invés de uma imagem bem definida?

Então antes de continuar, vamos abordar  a nossa capacidade de resolução de uma imagem, e responder porque não observamos um borrão. Qual a menor separação angular que dois objetos devem ter para que possamos distinguir como objetos separados? Um valor bem conservador é uma separação de um minuto de arco. Isto significa que se olharmos um objeto de uma distância de 1 metro,  não conseguimos distinguir detalhes que estejam separados por uma distância menor que 0.3 mm. Quando a imagem formada está antes ou depois do plano focal ideal, obtemos um borrão.  Ao observarmos a foto registrada em uma cópia de papel ou no monitor (de uma distância de 1 metro) , se este borrão fôr menor que 0.3mm não notaremos como um borão.  Por enquanto não vamos nos preocupar com o tamanho real deste borão -  que vamos denominar "disco de confusão" - no sensor, e muito menos em como podemos determinar o tamanho deste disco de confusão (sim, podemos calcular!). O mais importante é entender que não precisamos que a imagem seja formada exatamente no plano de foco ideal, mas que deve ser formada em uma certa região aonde está localizado o plano de foco ideal. Esta região define a "profundidade de foco" (que costuma aparecer como DoF, que são as iniciais de Depth of Field,  que é o termo em inglês). Ou seja, qualquer imagem que seja formada na região definida pelo DoF, para a nossa visão, será uma imagem bem definida.

Figura 3. Ilustração do efeito da abertura na definição de uma imagem.

A figura 3 (fonte wikipedia) ilustra o que ocorre com a imagem (de um ponto) desconsiderando a aberração esférica, mas o efeito da abertura. O ponto 2 é uma fonte sobre o eixo ótico, os pontos 1 e 3 pontos localizados fora do eixo ótico. As imagens são coletados no plano 5. O número 4 mostra o plano com uma abertura. No lado direito as imagens dos pontos , o ponto verde corresponde ao ponto 3, o azul ao ponto2 e o vermelho ao ponto 1. O efeito de diminuir a abertura é a de reduzir o tamanho do disco de confusão da imagem no plano 5 .

Agora voltemos ao f-stop! Para efeito de ilustração, vamos considerar  um objeto localizado no "infinito", de forma que os raios de luz provenientes do objeto, cheguem todos na lente como raios paralelos ao eixo ótico. E duas aberturas diferentes (com diâmetros diferentes). Quanto menor a abertura (que representamos como um furo de diâmetro D), menor será a divergência dos raios de luz após passar pelo foco. Isto quer dizer que se considerarmos  um plano colocado depois do ponto focal, teremos uma formação de um disco de confusão com diâmetro menor, para uma abertura menor. E o mesmo para se colocarmos um plano antes do ponto focal. Se quisermos um disco de confusão com o mesmo diâmetro mas usando uma abertura maior, a distância entre estes planos será menor do que o caso com abertura menor.


A distância entre estes dois planos fora do plano focal ideal, nos fornece a profundidade de campo (DoF) que tratamos anteriormente. E o f-stop é a razão entre o diâmetro da lente (D) e a distância focal da lente (ou da objetva). Quanto menor o f-stop, maior o diâmetro e mais luz é captada, em compensação a profundidade de campo é menor. Aumentando o f-stop, menor o diâmetro, menos luz é captada mas em compensação ganhamos em profundidade de campo. É comum escrever f-stop como f/# aonde # é a razão entre a distância focal (f) e o  diâmetro (D) . Na figura 4 ilustramos o efeito da abertura no DoF. As linhas marcadas com A, B, a e b foram escolhidos de forma que o disco de confusão seja do mesmo tamanho, e podemos perceber que o caso com maior abertura, na parte superior marcada com (1), a região que define o DoF é menor que o caso com menor abertura, representado na parte inferior e marcada com (2) na figura 4.

Figura 4. Efeito da abertura no DoF.

E o que isto representa em uma foto? Vamos considerar dois objetos em distâncias diferentes da nossa câmara fotográfica. Se quisermos que os dois objetos fiquem bem definidos na foto, a profundidade de foco deve ser de tal forma que os planos focais de cada objeto estejam localizados dentro desta região. Ou seja, devemos ajustar o f-stop para um valor maior (diminuir a abertura). Notemos que não precisam ser dois objetos, mas podem ser diferentes partes de um mesmo objeto. De fato, se não existisse o disco de confusão, a vida seria uma confusão! Porque somente coseguiríamos observar de maneira nítida os objetos que estivessem exatamente na posição correta! Hmm, mas neste caso talvez nosso cérebro fosse adaptado para isso, ou estaríamos extintos. Em todo caso, fotografar nestas condições seria uma arte de altíssima precisão, talvez até impossível de ser realizado na prática.  Mas será que apesar de podermos ver , não seria possível fotografar?  Um bom  tema para um futuro tópico: a diferença entre a visão e a fotografia.  Que alías,  por não comprenderemos esta diferença, acabamos muitas vezes ficando frustrado com o que observamos e com o que foi fotografado.

Retornemos para a fotografia e o f-stop, que é o assunto em pauta. Se utilizarmos um f-stop baixo, significa que estamos conseguindo captar mais luz  e em particular que o ângulo que os raios de luz fazem ao passar pelo ponto focal é bem aberto (em relação ao caso com f-stop alto) e consequentemente o DoF também é pequeno. E isto pode ser bem interessante em uma foto: nos permite destacar um objeto do resto da cena!  Na figura 3, por exemplo, a os pontos 1,2 e 3 fossem de um mesmo objeto, apenas a região localizada em torno do ponto 2 ficaria em foco.

Figura 5. Usando uma abertura grande e um DoF reduzido.

A fotografia 5 é um exemplo real de como o ajuste do f-stop nos permite destacar uma parte da cena, no caso o olho do cachorro, utilizando  uma abertura de f/1.8, e todo o resto fica fora de foco. Mas não é preciso ter um f-stop baixo para obter o efeito acima. Por exemplo, na foto da figura 6  foi utilizado f/13.

Figura 6. Exemplo de desfocagem seletiva, mas com DoF relativamente profundo.

Mas é imporante notar que a DoF no caso do cachorro é bem menor do que no segundo caso. Além disso existe uma  diferença entre as objetivas utilizadas. No caso do cachorro foi uma objetiva de 50mm de distância focal e no caso dos pássaros, uma objetiva de 300mm de distância focal.  Por isso é importante ter em mente que a escolha de um valor de f-stop define a profundidade de foco, e a sua utilização adequada deve ser em função da objetiva utilizada e das distâncias dos objetos para a câmara.

O que o f-stop significa do ponto de vista da física? Para entender o significado, lembremos que fotografar é um registro da luz (própria ou refletida)  de um objeto em um sensor. A quantidade de luz que chega ao sensor é extremamente importante. E um controle desta quantidade de luz (a intensidade) é controlado pela abertura: maior a abertura maior a quantidade de luz. Em particular a intensidade de luz é proporcional a área disponível para a entrada da luz. Isto quer dizer que se tivermos se dobrarmos o diâmetro a quantidade de luz captada aumenta quatro vezes. Por outro lado, a intensidade da luz diminui com o quadrado da distância, ou seja, se dobrarmos a distância, a intensidade diminui para 1/4 do seu valor. Esta distância para o caso do filme é definido pela distância focal. Se colocarmos tudo em uma equação,  temos que a intensidade que atinge o filme deve ser propocional a (D/f)² . Mas f/D é a definição do f-stop. Assim, dado qualquer tipo de objetiva, conhecendo o f-stop, sabemos que a quantidade de luz que vai ser captada pelo sensor será o mesma, ou seja não depende da distância focal. Na realidade não é a mesma quantidade, pois  não foram consideradas as perdas que ocorrem dentro da objetiva, mas ainda assim o f-stop continua sendo um excelente guia na hora de definir que tipo de imagem desejamos obter. 

Em quais situações  é melhor usar um f-stop pequeno? São situações usualmente de baixa luminosidade aonde não seja possível usar flash (por exemplo em museu ou em show), ou quando desejar uma pequena profundidade de campo. Em fotos de paisagens, normalmente um f-stop alto pode ser o mais recomendado, apesar que neste caso é comum usar uma lente com foco curto para registrar um objeto distante, de forma que um o f-stop não precisa ser necessariamente alto.

Uma objetiva com f-stop pequeno é considerada uma objetiva rápida e de grande luminosidade , pois permite registrar movimentos rápidos e  permite a captação de mais luz pelo sensor. Por que uma objetiva rápida? Bem, isto vamos explicar em outro texto. Por hoje, terminamos por aqui.

Mantendo o foco!

Uma boa fotografia é aquela que registra de maneira bem definida o objeto escolhido. A imagem deve estar nítida, pelo menos a do objeto que desejamos registrar. Isto quer dizer entre outras coisas que o assunto a ser fotografado deve estar bem focado. Mas o que significa estar focado?

Vamos voltar para a nossa conhecida câmara pinhole. Tinhamos visto que o melhor é trabalhar com um furo pequeno (mas não muito pequeno) e menor  distância do furo ao filme. Se afastarmos o filme do furo, a imagem começa a ficar borrada, mesmo com um furo pequeno.  Mas não podemos trazer o filme muito próximo do furo. No caso extremo de ficar grudado, apenas a região do furo ficaria com algum registro de imagem e os objetos próximos não caberiam completamente na imagem. Na figura abaixo (com um furo exagerado) ilustramos como os raios de luz representado pelas linhas verde e vermelha,  ficam cada vez mais separadas quando o filme é afastado do furo. O filme localizado no plano A tem uma nitidez maior do que se o filme fôr colocado no plano B.

Diferentes posições do filme, produz nitidez diferentes na câmara pinhole.

 Quanto mais distante do furo, mais borrada fica a imagem, mas perto demais não conseguimos registrar objetos próximos.  Então, se ficar o bicho come se correr o bicho pega!  Como resolver este problema? Aqui entram as lentes!  Uma lente construída de maneira adequada faz com que os raios de luz sejam desviados de tal forma que em um dado ponto, os raios de luz se encontrem. Depois deste ponto os raios de luz continuam seu caminho e divergem uma da outra.  Este tipo de lente é conhecida como lente convergente. Mas existem lentes que fazem o oposto, que não conseguem fazer com que os raios de luz se encontrem em algum ponto. Este tipo de lente é conhecida como lente divergente.   

Exemplos de lente convergente (parte superior) e lente divergente (parte inferior). 

Na figura anterior, temos um lente convergente e outra divergente e um feixe de luz paralelo incide da esquerda para a direita. No caso da convergente, podemos ver claramanete que os raios inicialmente paralelos, se encontram em um ponto  após atravessar a lente.  Mas ao continuar seu caminho, os raios de luz a partir do ponto de encontro, começam a divergir.  No caso da lente na parte inferior, após atravessar a lente, os raios de luz divergem. Uma lente convergente pode se comportar também como uma lente divergente, dependendo da localização do objeto a ser observado, mas uma lente divergente é sempre divergente.

Em uma objetiva são combinadas diversos tipos de lentes, o número e o tipo de lentes utilizadas, dependendo do uso planejado para  objetiva. Mas no final, o comportamento deve ser de uma lente convergente, caso contrário não será possível registrar a imagem em um sensor - utilizaremos o termo sensor, para indicar seja um filme ou um sensor eletrônico. 

Mas vamos voltar a nosso caso de fotografia. A posição que uma imagem forma (sempre invertida) em uma lente convergente depende da posição do objeto a ser observado.  A figura abaixo ilustra este fato para o caso de uma única lente convergente.

Uma desenho esquemático de uma lente convergente.

O diagram representa a técnica do traçado de raios (ray tracing), que representa o caminho da luz simplesmente como uma linha (o raio). Estes técnica de traçado de raio obedece regras bem simples para descrever o caminho da luz ao passar pela lente (ao passar por qualquer objeto transparente que seja homogêneo e também para casos de reflexão em espelhos), sendo muito útil no estudo da ótica. Existem certas condições que devem ser satisfeitas para podermos utilizar a técnica de traçado de raios,  mas não vamos no momento entrar em seus detalhes. Mas basicamente, para qualquer ponto do objeto, consideramos dois raios de luz saindo do mesmo, e atingindo a lente. Usualmente escolhemos um caminho paralelo ao eixo ótico (uma linha imaginária que é perpendicular a lente) e outro passando pelo centro da lente (normalmente para uma lente homogênea,  localizado no centro geométrico da lente). O raio que passa pelo centro, não sofre nenhum desvio. O outro ao passar pela lente, tem a sua direção desviada de forma a passar por um ponto denominado ponto focal da lente, localizado no eixo ótico da lente. É no   encontro destes dois raios de luz que forma a imagem do ponto original.  Repetindo este procedimento para todos os pontos do objeto inicial, conseguimos determinar a localização e a orientação da imagem.

A posição do objeto determina como será a imagem formada por uma lente divergente. Quando estamos muito próximos, não existe formação de uma imagem no sensor (existe a formação de uma imagem, mas dizemos que ela é virtual, pois  não tem como ser registrado em um sensor. Mas podemos ver uma imagem virtual, pois o nosso olho funciona como uma lente convergente.). Ao afastarmos da lente,  a imagem continua sendo virtual. Mas a partir de uma certa distância, a lente começa a funcionar como uma lente convergente, formando uma imagem que denominamos real (se colocarmos um sensor nesta posição, será registrado a imagem do objeto).  Continuando a afastar o objeto da lente, a imagem começa a se aproximar da lente. A menor distância que a imagem é formada da lente, ocorre quando a distância do objeto é muito grande (tecnicamente mais do que "grande distância",  pois o objeto deve estar no infinito ). Neste caso a distância da lente para a posição da imagem nos fornece a distância focal da lente.

Correndo o risco de espantar diversos leitores, vou colocar uma equação que relaciona a posição do objeto (representado pela letra p) , a posição da imagem (representado pela letra i) e a distância focal (representado pela letra f) e que vale para lentes finas (lentes sujas espessuras são muito pequenas em relação ao comprimento e/ou altura). Esta equação é simplesmente:

Para quem usa óculos, o termo "grau da lente" (dioptria) é exatamente o valor do inverso do foco, com a distância focal expressa em metros.  Para lentes convergentes a distância focal é sempre positiva e nas lentes divergentes a distância focal é sempre negativa. Quando o objeto está muito distante da lente o valor de p é muito grande , de forma que 1/p se torna muito pequeno, praticamente zero. Nestas condições obtemos i=f, que expressa o que dissemos anteriormente. É importante ressaltar que a imagem sempre é formada no plano focal, que não é a mesma coisa que a distância focal f. Quando "ajustamos o foco" em uma câmara fotográfica, não modificamos a distância focal da objetiva, mas afastamos ou aproximamos  o conjunto das lentes da objetiva do sensor.

Uma câmara fotográfica, tem naturalmente uma espessura e a objetiva também. Assim, é claro que a imagem real deve ser  formada  dentro da câmara, para que possa ser registrada. O sensor fica localizada no plano focal ideal da câmara. Para que a imagem fique bem definida, ela deve ser formada no plano focal ideal.  Bem, não precisa ser exatamente no plano focal ideal, pode ser um pouco antes ou um pouco depois, mas depois vamos falar sobre isso. A grosso modo o que define a menor distância que um objeto pode estar da câmara fotográfica é a distância focal. Uma objetiva de 50 mm pode fotografar  objetos mais próximos do que uma objetiva de 300mm.

Então, quando se ajusta o foco na câmara fotográfica, estamos regulando a objetiva para que a imagem do que estamos querendo fotografar fique no plano focal ideal.  Dependendo da situação , objetos localizados em diferentes distâncias podem ser focadas.

Todos objetos na foto estão em foco.

Mas nem sempre é desejável ou possível focar todos os objetos em uma única foto. No exemplo a seguir , o foco ficou em diferentes objetos (no caso os pássaros). Cada pássaro está l em diferentes distâncias, logo possuem planos focais distintos. No lado esquerdo o foco foi ajustado para que o plano focal do primeiro pássaro fosse coincidente com o plano focal ideal, e no segundo  foi escolhido o segundo pássaro.

Dois planos focais diferentes. 

Na foto da esquerda o que chama a atenção é o primeiro pássaro e na foto da direita o pássaro branco.  Assim, apesar das duas fotos terem sido obtidas quase na mesma situação, a variação na região nítica (em foco), nos permite chamar a atenção para diferentes objetos da mesma cena.

Mas o que faz com que em uma foto conseguimos  focar objetos separados por grandes distâncias (como na foto da praia)  e em outras (como no caso dos pássaros) isto não seja possível (ou desejado)?   O que foi feito para permitir esta diferença? Este será o tema de um  dos próximos texto (para quem estiver curioso, é a variação na  a abertura / f-stop da câmara).

E por fim, algumas fotos ficam interessantes mesmo quando todos as imagens estão fora de foco, mas são situações bem específicas. Assim, sempre é bom "manter o foco" na (ou da) imagem.

Uma câmara sem objetiva, as pinholes.

    Antes mesmo de começarmos a fotografar, é importante conhecermos o que é e como funciona uma máquina fotográfica. E o que seria uma máquina fotográfica? Basicamente um objeto que coleta e registra a luz proveniente de um ou mais objetos.

    A luz entra por um conjunto de lentes (a objetiva) , sendo registrada em um filme ou em um sensor eletrônico. Nosso olho seria o análogo à objetiva. Talvez o melhor seria dizer , análogo à câmera , pois além de coletar a luz - funcionando como a objetiva , o nosso olho registra a luz e posteriormente nosso cérebro faz a interpretação.

Nossa grande objetiva: o olho. (Autoretrato do autor)

    A objetiva de uma máquina fotográfica  pode possuir uma grande quantidade de lentes ou ser constituída de apenas uma lente ou mesmo nenhuma lente! Como assim nenhuma lente? Uma máquina fotográfica bem simples  é basicamente   uma caixa (ou uma lata) em que um dos lados tem um furo e no lado oposto é colocado o filme. (É possível criar também uma pinhole digital, aonde o filme é substituido por um sensor eletrônico. ) São as chamadas câmaras pinholes (câmaras buraco de agulha, em uma tradução livre). E apesar da sua extrema simplicidade, estas pinholes são capazes de registrar imagens belíssimas. Existe até uma organização de um dia mundial da fotografia com câmara pinhole.  Para quem estiver interessado, uma dica é visitar o site http://www.pinholeday.org/ para dar uma olhada nas fotos e qual a proposta do evento. E  qual o aspecto de uma câmera pinhole? Veja neste link, algumas câmaras pinholes bem curiosas.

    O interessante de uma câmara pinhole, é que ela ilustra de uma maneira bem simplificada todo o processo de uma fotografia.  E não é nada mais nada menos que uma câmara escura. Um quarto escuro com um pequeno furo, não deixa de ser uma câmara pinhole (se colocar um filme ou um sensor na parede oposta ao furo, vai registrar uma imagem). As câmaras escuras foram utilizadas por artistas, como um auxiliar na pintura, permitindo capturar imagens em uma parede, reproduzindo em uma pintura a imagem capturada. E em 2007, foi usando um hangar como uma câmara pinhole, foi produzida um fotografia com 9,8  metros de altura por 34 metros de largura!  Um vídeo (em inglês e sem legenda) sobre esta fotografia pode ser vista no  youtube.

A grande imagem com câmera pinhole. Foto retirada do Wikipedia

    Mas como funciona a câmara pinhole?  Primeiro vamos ver de maneira simplificada, como é o processo de enxergar um objeto. A luz quando é refletida em um objeto, sai em todas as direções. A porção que vem em nossa direção, é coletada pelo nosso olho. Esta luz que entra no nosso olho, sofre um desvio, de forma a convergir a luz para o fundo do nosso olho.  Neste local existem  todo um conjunto de células especializadas que captam a luz e enviam ao nosso cérebro, que faz e interpretação dos sinais recebidos. Na câmara pinhole, o buraco é o responsável por direcionar   a luz  para o fundo da câmara escura.  Para registrar a imagem, colocamos um filme no fundo da câmara ou um sensor eletrônico. A localização do filme define o plano focal da nossa câmara.

Diagrama esquemático de uma cãmara pinhole. (Fonte wikipedia )

    A ilustração acima, é uma representação esquemática de uma câmera pinhole, no caso registrando uma árvore. Note que a imagem produzida é invertida. Um ponto importante é que a parte interna da caixa (ou da lata) deve ser a mais escura possível.

    A luz que é refletida pela árvore, sai em todas as direções. Uma porção dela incide sobre a câmara, sendo que uma fração menor delas possue a direção correta para passar pelo furo e atinge o fundo sem ser bloqueada.  O tamanho do furo deve respeitar certas condições. Não pode ser muito grande, nem muito pequeno (sendo uma pessoa astuta, irá perguntar, grande nem pequeno em relação a o que?). E além disso, existe uma relação que deve ser satisfeita entre a dimensão do buraco e a distãncia para o fundo da câmara. E a parede aonde se faz o furo deve ter uma espessura menor que o diâmetro do furo.

    Vamos começar pela última afirmação, de que a espessura da parede deve ser menor que o diâmetro do furo, que é mais simples de verificar com um pequeno experimento. Pegue um pequeno canudo, destes utilizados para tomar sucos.  Se não tiver um canudo, pode ser qualquer objeto cilíndrico oco: um tubo de caneta, um cano de plástico, um tubo de cartolina como as que tem em alguns rolos de papel, etc. Passe uma fita escura ou pinte a parte externa do canudo (se fôr algum cano, pinte a parte interna de preto), de forma que reduza ao mínimo possível a fração da luz que pode entrar pelos lados do canudo.  Olhe através do canudo, e você vai verificar que é possível ver as paredes do canudo (ou melhor, uma parte escura , que corresponde a parede do canudo). Agora pegue uma cartolina fina ou um pedaço de papel, e faça um furo com diâmetro semelhate ao canudo e olhe através do furo. Agora é possível observar através do furo sem perceber a espessura do papel (a não ser que olhe com atenção), e comparando com o caso da parede espessa, uma quantidade maior de luz passa e consegue atingir o plano focal, de forma a produzir uma imagem bem melhor. (Este é um experimento que ilustra a necessidade de termos uma espessura menor que o diâmetro, mas não responde a pergunta "por que a espessura tem que ser menor que o diãmetro?". Em um postagem futura, espero poder responder esta questão de maneira mais precisa, mas vamos um passo de cada vez.)

    E por que o diâmetro do furo não pode ser muito grande?  Vamos ver o que acontece se o tivermos um furo muito grande, olhando o desenho abaixo.

Uma câmara pinhole com um furo grande.

    A luz que sai da ponta da flecha, atinge o fundo da caixa em toda região compreendida entre a linha verde e a linha vermelha,  produzindo assim um grande borrão e não uma imagem nítida. Por outro lado, se o furo tiver um pequeno diâmetro, como na próxima figura, a luz que sai da ponta da flecha fica limitada a uma região pequena, produzindo assim uma imagem mais nítida. Se quisermos melhorar a nitidez da imagem, uma possibilidade é diminuir a distância do furo até o plano focal (o fundo da nossa caixa).

Uma câmara pinhole com um furo pequeno.

    Outra possibilidade é reduzir o tamanho do furo. Mas existe um limite mínimo para o furo, não podemos utilizar um furo com diâmetro muito pequeno.  É que neste caso (diâmetro pequeno para o furo), um fenômeno chamado difração  passa a ser muito importante, e a qualidade da imagem é perdida.  

    A próxima figura  ilustra o efeito de difração quando um feixe de luz laser incide em um pequeno furo, produzindo   regiões escuras e regiões claras. O ponto central brilhante é devido a incidência do raio laser, os círculos concêntricos são produzidos devido a difração do laser pelo furo. Note que ao invés de obter  uma imagem nítida do  ponto correspondente ao feixe do laser, acabamos obtendo uma imagem bem diferente!

Exemplo de difração da luz. (Fonte Wikipedia)

    Apesar de ser muito útil o efeito da difração para o estudo de diversos fenômenos na física, para a produção de uma fotografia, a difração deve ser evitada. E isto mesmo em câmaras mais sofisticadas, não apenas nas pinholes!

    Câmaras sem lentes são mais do que um simples passatempo, atualmente tem grupos de pesquisa trabalhando em câmaras sem lente, utilizando técnicas mais avançadas do que das pinholes. Um exemplo recente pode ser lido neste texto do Institute of Physics (IOP). Quem sabe no futuro as câmeras sejam todas sem lentes? Hmm, acho que vai perder um pouco da graça em fotografar...

    Achou interessante uma câmara pinhole? Então que tal construir uma em casa? Na internete é possível achar diversos guias de como construir uma! Inclusive digitais, caso não queira ter o trabalho de revelar um filme (mas com câmaras digitais, é bom lembrar que uma falta de cuidado pode estragar o sensor!).

Nota: Todos os textos e figuras produzidas pelo  autor do blog, satisfazem a licença Creative Commons (veja em  http://creativecommons.org.br/ ). Em linhas gerais: sinta livre para copiar e distribuir (mas não esqueça de citar devidamente a autoria), a única restrição é que os materias produzidos também devem satisfazer a licença Creative Commons. Fotos e figuras que não são da minha autoria, são indicados expressamente, e podem possuir diferentes regras de licenciamento.

Proposta do Blog

O que seria uma fotografia? De uma maneira bem resumida podemos dizer que é o registro da luz produzida por um objeto e/ou a interação da luz (produzida por algum outro objeto) com o objeto fotografado. Simples, muito simples.

É extremamente simples, que não explica muita coisa! Até porque existe também a questão de como observamos e "sentimos" uma foto. Existem fotos que nos causam uma sensação de imensa felicidade, outras que nos causam uma profunda dor, outras apenas olhamos uma vez e esquecemos e outras que queremos olhar muitas vezes, e a cada olhar encontramos novas coisas para apreciar. Algumas  olhamos com indiferença, mas quando olhadas com o distanciamento do tempo, nos trazem emoções muito especiais. Estas percepções também fazem parte da fotografia e não podem ser esquecidas! Alías, sem estas sensações,  a fotografia não seria algo interessante, não haveria a legião de apaixonados pela fotografia.

Mas a minha limitação , não permite um aprofundamento na discussão desta importante parte fotografia, de forma que preciso focar (sem querer forçar o trocadilho) em um assunto mais limitado da fotografia!

No entanto, mesmo assim, a fotografia ainda tem uma amplitude que está fora dos meus limites! Questões como enquadramento, iluminação,  equipamentos e outras que qualquer profissional de fotografia deve  conhecer, estão fora dos meus domínios. Não sou um profissional de fotografia! Apenas um amador apaixonado. E no fundo este blog é voltado aos amadores apaixonados pela fotografia, seja por qualquer motivo! Amadores que talvez tenham interesse em saber um pouco além do apontar-e-fotografar, e de como este fascinante passatempo que é fotografar pode nos ensinar um pouco de ciência.

É para este público que escrevo, e espero poder atingir. A fotografica como ciência e como um interessante material para ensinar e aprender.

Ciência, fotografia e ação.

Eu diria que fotografar ou olhar uma foto, é uma das atividades talvez das mais populares, com pessoas de todas as idades e condições. Mesmo entre pessoas com dificuldades de visão, existe agora a possibilidade de audio descrição de uma imagem, algo extremente fantaśtico!

Mas por que temos esta atração pela  fotografia? E o  que é  uma fotografia?  A primeira pergunta  eu teria dificuldades para dar uma resposta convincente, mas a segunda acho que alguma coisa posso responder!

A proposta deste blog é falar de imagens - em particular de fotografia,  - de um ponto de vista da ciência. Algumas pessoas diriam que é apenas uma desculpa da minha parte para falar sobre fotografia! Pode ser, pode ser. Não nego a minha paixão por fotografia. Mas eu tenho também uma paixão pela ciência, em especial da física. Então, no fundo é uma junção de paixões e desta junção, nasce este blog.

Não sei com qual periodicidade vou conseguir manter este blog, e nem por quanto tempo. São tantas  incógnitas que não tenho como responder. Até porque nem sei quantos estarão lendo este blog. Se eu fôr o único, acaba servindo como um diário. 

A princípio estou programando uma postagem mensal (não quero ser ambicioso é dizer "uma postagem diária", o que com certeza é algo insano para ser conseguido: não tenho idéias nem tempo para seguir postando diariamente, possivelmente menos idéias do que tempo disponível), mas o ideal seria uma postagem semanal ou no máximo quinzenal. Vamos dar tempo ao tempo. A minha natureza caótica, não permite uma previsão precisa de algumas coisas, mas em outras sou bem previsível.

Abraços a quem por algum motivo vier a ler este blog!