Blooming, Jaggies e outros artefactos

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Temas Fotográficos (1)

Blooming, Jaggies e outros artefactos: Contributos para a sua compreensão

INTRODUÇÃO

ARTEFACTOS – (artifacts) – Nome dado a objectos em diversas áreas (arqueologia, desenvolvimento de software, ciências experimentais, cultura, etc.). Este nome também se pode referir a erros, que é exactamente onde se aplica na área da fotografia, em particular no campo da óptica fotográfica. Os erros de artefactos são uma alteração enganadora ou confusa em dados ou observação, resultante de falhas técnicas ou falhas de equipamento
Os erros, em artefactos, dividem-se pelos seguintes géneros:

1. Artefactos de compressão;
2. Artefactos digitais;
3. Artefactos visuais.

(1) Artefactos de compressão – (compression artifact) – Um artefacto de compressão é uma distorção perceptível dos meios de comunicação (incluindo imagens, áudio e vídeo) causados pela aplicação de compressão de dados com perdas. Em fotografia (imagem) é o nome dado a qualquer efeito que provoque a degradação de uma imagem, geralmente causado por tarefas de processamento de ficheiros, como a compressão de ficheiros JPEG. Como incluiu imagens digitais, também está incluído nos artefactos digitais. (imagens 1 e 2).

Imagem 1: Imagem original

Imagem 2: Perda de qualidade
(artefactos) provocados pela
compressão de imagem JPEG

(2) Artefactos digitais – (digital artifact) – Existem diferentes definições para "artefacto digital", dependendo da área em que se aplica. Em ciência da informação um artefacto digital é uma alteração indesejada ou não-intencional nos dados introduzidos num processo digital, através de uma técnica ou tecnologia. Em antropologia ou arqueologia, um artefacto digital é um artefacto criado digitalmente, como por exemplo, um ficheiro gif. Um artefacto digital é, em suma, qualquer trabalho digital criado por qualquer forma electrónica, em hardware ou software, em qualquer formato electrónico: texto, audio, vídeo, imagem, animação ou qualquer combinação destes.

Imagem 3: Artefactos digitais por
distorção no processamento
de imagem.

Especificamente em fotografia, existem formas estranhas que surgem na imagem digital (também chamados de "artefactos digitais") devido ao somatório da aplicação de sharp e de suavização anterior de ruído. Normalmente, as folhas das árvores ficam grosseiras e os detalhes estranhos. É o factor de degradação de imagem mais desagradável entre todos. Podem surgir devido à compactação ou compressão JPEG progressiva, ao aparecimento de halos, efeitos da redução de ruído, etc. Estas formas também podem surgir devido a alterações na imagem digital causadas pelo sensor, a óptica ou os algoritmos de processamento de imagem no interior da câmara fotográfica. (imagens 1, 2 e 3).

(3) Artefactos visuais – (visual artifacts) – Em imagem, nome dado a qualquer alteração visual indesejada, introduzida por qualquer equipamento electrónico de imagem. (imagem 4).

Imagem 4: Captura de tela de um aplicativo da Microsoft Windows XP
com um artefacto visual.

Na fotografia digital o termo artefactos refere-se às modificações indesejáveis causadas pelo sensor, a óptica e os algoritmos de processamento de imagem no interior de uma câmara. Nas câmaras compactas de baixo orçamento os artefactos são mais visíveis e fáceis de identificar. Por outro lado, as câmaras de topo DSLR exigem uma análise mais cuidadosa para identificar os artefactos. Na maioria das vezes não representam sinais preocupantes.

Incluídos nos três géneros, os artefactos podem ser classificados em nove tipos ou categorias:

1. Blooming;
2. Aberrações cromáticas;
3. Purple Fringing;
4. Jaggies;
5. Compressão JPEG;
6. Padrão Labirinto;
7. Padrão Moiré;
8. Ruído;
9. Sharpening Halos.

Vamos analisar, sucintamente, cada um deles:
1.  Blooming – (fluorescente) – Um pixel num sensor da câmara digital recolhe fotões, que são convertidos em carga eléctrica pelo seu foto-díodo. Uma vez que o sensor não suporte mais carga eléctrica, a carga causada por fotões adicionais irá transbordar, não tendo influência sobre o valor de pixeis, resultando num valor de pixel cortado ou super-exposto, resultando assim uma imagem com muita luz, muito clara. (imagem 5)

Cada pixel numa imagem digital é o valor correspondente a uma carga eléctrica. Esta, por sua vez, está directamente relacionada com o número de fotões que vão cair sobre o foto-díodo de pixel no momento do tempo de exposição. Se o tempo de exposição é longo, a carga eléctrica irá alcançá-lo no máximo e irá expor demais o pixel correspondente.
O Blooming ocorre quando esta carga eléctrica extra afecta também os pixeis circundantes, causando uma perda de detalhes na foto. Aqui está um exemplo:

Imagem 5: Blooming

2. Aberrações cromáticas – (chromatic aberrations) – A aberração cromática (também chamado de "margem de dispersão de cor" ou simplesmente "dispersão de cor") é causada pela lente da câmara quando não consegue focar diferentes comprimentos das ondas de luz de cores diferentes exactamente no mesmo plano focal. A quantidade de aberração cromática depende da dispersão do vidro (imagem 6).
     O aparecimento de franjas roxas ou violetas, geralmente refere-se a um fenómeno típico da câmara digital que é causado pelas micro-lentes. Arestas de motivos contrastantes tendem a provocar mais franjas, especialmente se a origem da luz surge por detrás do motivo. A fluorescência tende a aumentar a visibilidade das franjas roxas. (imagens 7 e 8).

Imagem 6: A aberração cromática de uma única lente faz com que diferentes

comprimentos de onda de luz tenham distâncias focais diferentes.

     Em óptica, chama-se aberração cromática à dispersão produzida por lentes que possuem diferentes índices de refracção para diversos comprimentos de onda luminosa. Em fotografia, astronomia, microscopia, ou outras áreas em que sejam utilizados equipamentos ópticos, este fenómeno pode provocar interferências nas imagens obtidas e pode ser considerado como um defeito óptico. O efeito é resultante da dispersão causada pela curvatura da lente, semelhante ao fenómeno que pode ser observado num prisma que ao ser atravessado por luz branca, causa a decomposição dessa luz num leque luminoso de várias cores. Como uma lente é equivalente a uma sucessão de prismas sobrepostos, o mesmo efeito luminoso ocorrerá normalmente numa lente comum. O desvio (abertura do leque) nos 'prismas' que compõem a lente, no entanto é muito pequeno, porque as suas superfícies não são tão inclinadas umas em relação às outras; onde isso acontece com maior intensidade (devido à curvatura da lente) é nas bordas: ali, o ângulo fecha-se mais. No centro da lente praticamente não há desvio, pois as superfícies são quase paralelas. Por isso, o desvio em questão aparece mais próximo das bordas da lente, ou seja, próximo das bordas da imagem.

A imagem formada num anteparo por essa lente apresentará assim, de maneira mais visível próximo de suas bordas, as cores do arco-íris misturadas com o desenho da imagem. Esta distorção é chamada aberração cromática: por outras palavras, uma imperfeição na reprodução correcta das cores da imagem (imagens 6 e 7).

Este facto ocorre porque, como cada cor tem um desvio diferente ao passar pela lente (o azul desvia mais do que o vermelho, por exemplo, devido ao facto de possuírem comprimentos de onda diferentes), a imagem formada pela lente no anteparo, correspondente aos raios azuis, forma-se antes (mais próximo da lente) do que a dos raios vermelhos, facto mais acentuado nas bordas, como mencionado acima.

Causas:
O funcionamento de uma lente baseia-se na mudança de direcção que a luz sofre quando incide sobre a superfície de delimitação entre dois meios com diferentes índices de refracção. Esse desvio depende do comprimento de onda da luz incidente. Se esta é branca, isto é, composta de todos os comprimentos de onda do espectro visível, as diferentes radiações terão direcções para pontos focais diferentes. A luz violeta é mais refractada, e focalizada por uma lente convergente num ponto mais próximo da lente que as outras cores. Sendo o vermelho a cor menos refractada, o foco dos raios desta cor é mais distante da lente. A não focalização de luz de cores diferentes recebe o nome de aberração cromática (imagem 6).
Essa aberração apresenta uma intensidade que varia de acordo com o grau de curvatura da lente e o índice de refracção do vidro com que ela é feita (imagem 7).

Imagem 7: Aberração cromática observada na imagem inferior

Soluções:

John Dollond (1706 - 1761), construtor de telescópios, físico e óptico inglês, descobriu ser possível eliminar a fímbria colorida por meio de uma combinação de lentes. Uma lente bi-convexa de vidro óptico,  o vidro flint, usada juntamente com lente adequada composta de com maior quantidade de óxido de chumbo, o vidro crown, corrige a aberração cromática sem impedir a refracção e a formação da imagem. Esta combinação é chamada de lente acromática (sem cor). Estas lentes são hoje usadas nas objectivas das câmaras fotográficas e cinematográficas, microscópios, telescópios e numerosos outros instrumentos ópticos de alta qualidade.

Para trabalhos fotográficos de elevado índice de qualidade, a correcção acromática é realizada com lentes compostas que utilizam três ou mais tipos de lentes, constituindo as chamadas objectivas apocromáticas ou objectivas APO, popularmente conhecidas como "processadas" (imagem 8).

Imagem 8: A objectiva apocromática é geralmente constituída por três lentes,
levando as três frequências de luz a um único foco comum.

Antes da invenção das lentes acromáticas de John Dollond, era muito difícil a construção de um telescópio refractivo poderoso. Podia-se diminuir a aberração cromática com a utilização de uma lente com pequeno grau de curvatura, ou seja, com uma distância focal bastante grande. Na prática, isto resultava num telescópio extremamente longo e, consequentemente, de pouca maneabilidade. No Século XVII, acreditando que nenhuma lente poderia superar o problema da aberração cromática, Isaac Newton inventou o telescópio de reflexão, munido de espelhos em lugar de lentes. Como o espelho reflecte todas as cores igualmente, Newton resolveu o problema da aberração cromática dos vidros, e seu telescópio continua em uso em todo o mundo.

3. Purple fringing  – (franja violeta) – O termo "purple fringing" - franja violeta, para descrever um aspecto da aberração cromática, já é usado desde 1833. Em fotografia, particularmente em fotografia digital, a franja violeta é o termo utilizado quando se refere a uma imagem fora de foco, violeta ou magenta, com aspecto "fantasma" sobre uma imagem ou fotografia. Este defeito é geralmente mais visível como uma cor nas extremidades adjacentes das áreas mais brilhantes do espectro de luz, como a luz do dia ou vários tipos de lâmpadas fluorescentes.
A maioria das películas possuem baixa sensibilidade à cor fora da gama do visível, pelo que a disseminação da luz próximo dos raios ultravioletas (UV) ou infravermelhos (IR) raramente possuem um impacto significativo sobre a imagem gravada.
No entanto, os sensores geralmente usados nas câmaras digitais são sensíveis a uma ampla gama de comprimentos de onda. Embora as lentes de uma objectiva, por si mesmas, filtrem a maior parte  da luz UV e a maioria das câmaras digitais sejam projectadas para incorporar filtros, a fim de reduzir a sensibilidade ao vermelho e ao infravermelho, a aberração cromática pode ser o suficiente para aumentar o brilho das luzes violeta que se encontram fora de foco e "pintar" algumas zonas  obscuras da imagem. Os dias nublados e brilhantes e céu encoberto são grandes fontes de raios de luz ultravioleta dispersos no espectro de luz, que tendem a causar a purple fringing. (imagem 9).

Imagem 9: Exemplo de "Purple fringing".

Nem todas as franjas violeta que aparecem possuem a mesma origem, conforme o descrito acima. Outras causas podem ser atribuídas na fotografia digital, incluindo algumas hipóteses sobre os efeitos em sensores de imagem:

• Ruído digital nas zonas escuras da imagem;
• Processamento de imagem e interpolação entre dispositivos (quase todos os CCD's e CMO's requerem um processamento considerável);
• Luz ultravioleta ou luz infravermelho;
• Imagem de fluorescência por uma sobre-exposição do sensor CCD (não aplicável aos sensores CMOS).

Soluções:
Os métodos mais frequentes para tentar evitar as franjas violeta são os seguintes:
- Com lentes de alta sensibilidade ao contraste, evitar disparar o obturador com as aberturas máximas do diafragma;
- Evitar sobre-expor as luzes brilhantes (altas luzes). Por exemplo, os reflexos espectaculares e céu brilhante por trás de motivos escuros;
- Tirar fotografias utilizando um filtro com grande protecção UV.



4. Jaggies – (serrilhas) – "Serrilhados" é o nome informal para artefactos em imagens com dados raster ou bitmaps (mapa de bits, em inglês), mais frequentemente de aliasing. São imagens que contêm a descrição de cada pixel, em oposição aos gráficos vectoriais.

Jaggies são linhas em forma de serrilha que aparecem onde deveria haver linhas rectas ou curvas suaves.
À medida que aumenta a resolução do sensor, os jaggies tornam-se menos visíveis.

Os Jaggies não deve ser confundidos com a maioria dos artefactos de compressão, que são um fenómeno diferente. (imagens 10 a 12).

Imagem 10: Exemplos de jaggies em linhas  (assinalados a vermelho).

Causas:

Jaggies pode ocorrer por uma variedade de razões. A mais comum tem a ver com o dispositivo de saída (monitor ou impressora), que não tem resolução suficiente para retratar uma linha suave. Além disso, as serrilhas ocorrem frequentemente quando uma imagem bitmap é convertida para uma resolução diferente. Esta é uma das vantagens que os gráficos de vector têm em relação às imagens bitmap - independentemente da resolução, a imagem de saída é a mesma, independentemente da resolução do dispositivo de saída.

Imagem 11: Esta imagem foi ampliada usando a interpolação de vizinho mais próximo (ponto de amostragem).
Assim, as serrilhas nas bordas dos símbolos ficaram mais proeminentes.

Imagem 12: Da esquerda para a direita: Imagem a. - 76,800 pixels; b. - 307,200 pixels;  c. - 1.2 megapixel;
d. - 5 megapixel;e. - zona a vermelho assinalada na imagem d. aumentada 8 vezes.

Soluções:

O efeito de jaggies pode ser reduzido um pouco por uma técnica gráfica conhecida como anti-aliasing. A anti-aliasing suaviza as linhas irregulares, cercando os jaggies com pixeis transparentes para simular a aparência de fragmentação dos pixeis da imagem..

A desvantagem de anti-aliasing é que ele reduz o contraste - em vez de transições nítidas preto / branco, existem tons de cinza - e a imagem resultante é difusa.

Esta é uma inevitável troca: se a resolução é insuficiente para exibir o detalhe desejado, a saída será ou irregular ou difusa, ou alguma combinação das duas.

5. Compressão JPEG - JPEG é o formato de imagem digital mais utilizada. Isso permite que as imagens fotográficas para ser comprimido por um factor de 10 a 20 em comparação com o original não comprimido com muito pouca perda em qualidade de imagem visível. Algoritmo JPEG reorganiza a informação da imagem em informações de cor e detalhe, comprimindo cor mais de detalhe, porque nossos olhos são mais sensíveis aos detalhes do que a cor, tornando a compressão menos visível a olho nu. Em segundo lugar, ele classifica a informação de detalhe em detalhe fino e grosso e descarta o detalhe fino em primeiro lugar porque nossos olhos são mais sensíveis aos detalhes grossa do que a detalhes finos. JPEG permite que você faça um trade-off entre o tamanho do arquivo de imagem e qualidade de imagem. Compressão JPEG divide a imagem em quadrados de 8 x 8 pixels que são comprimidos de forma independente. Inicialmente, essas praças se manifestam através de "Hair" artefatos em torno das bordas. Então, à medida que aumenta a compressão, as praças mesmos se tornarão visíveis. (imagens 1 e 2).

6. Padrão Labirinto (maze artifacts) - Se uma cena contém áreas com detalhe repetitivo que excede a resolução da câmera, um padrão ondulado ondulado pode aparecer. Filtros anti-alias reduzir ou eliminar moiré, mas também reduzir a nitidez da imagem. Às vezes, moiré pode causar processamento de imagem interna da câmera para gerar artefatos labirinto. (imagem 13).

Imagem 13

7. Padrão de Moiré – Um Padrão de Moiré é um padrão de interferência criado, por exemplo, quando duas grades apresentam movimento relativo entre si em referência a um observador, gerando um determinado padrão por meio de franjas. Com este padrão de interferência conseguimos determinar um perfil, a deformação de objectos ou o movimento de um objecto qualquer. (imagens 13 e 14).

Imagem 14: Padrão de Moiré: Efeito provocado pela mudança de ângulo
entre duas grades paralelas sobrepostas. 

     Padrões de Moiré são imagens produzidas quando um observador observa através de duas estruturas periódicas sobrepostas em movimento, com padrões semelhantes a ondas ou a formação de franjas claras e escuras, denominadas franjas de Moiré. Estas estruturas, chamadas de retículos, telas ou grades, são constituídas por linhas, faixas paralelas ou radiais, formando círculos ou elipses concêntricas, ou mesmo pontos equidistantes espaçados, ou não, entre si. (imagens 13 a 18).

Imagem 15: Imagem correcta de uma
parede de tijolos.

Imagem 16: Imagem com aliasing espacial,
na forma de padrão de Moiré

     Estes padrões ondulados são geralmente vistos nos ecrãs de televisão, quando uma pessoa está vestindo uma camisa ou peça de vestuário de um tecido particular ou padrão, como um casaco quadriculado. Isto é devido à varredura entrelaçada em televisores e câmaras não-cinematográficas, também designado como "interline twitter". À medida que a pessoa se move, o padrão de moiré é bastante perceptível. Devido a isso, locutores ou apresentadores profissionais da televisão são regularmente instruídos a evitar roupas que poderão causar este efeito.

Imagem 17: Padrão de Moiré em linhas curvas.

     As fotografias de um monitor de televisão tiradas com uma câmara digital muitas vezes exibem padrões ondulados. Uma vez que o ecrã da TV e a câmara digital usam uma técnica de exploração para produzir ou capturar imagens com linhas horizontais, os conjuntos de linhas entram em conflito, causando os padrões ondulados.
     Para evitar este efeito, ao tirar uma fotografia a um monitor de TV, a câmara digital deve ser dirigida para, aproximadamente, um ângulo de 30 graus em relação ao monitor de TV.

8. Ruído – (noise) – Em fotografia analógica é mais conhecido pelo termo "grão". Em fotografia digital também conhecido pelo termo "ruído digital". É uma variação aleatória, que não corresponde à realidade, do brilho e cor nas imagens digitais produzido por um dispositivo electrónico de entrada (como uma câmara digital, por exemplo).
     Cada pixel de um sensor de uma câmara digital contém um ou mais foto-diodos sensíveis à luz. Esses foto-diodos convertem a luz de entrada num sinal eléctrico. Essa luz é processada dentro do valor de cor dos pixeis na imagem final. O ruído (ou grão) aparece quando os pontos que formam a imagem (os chamados "grãos de material fotossensível") adquirem um tamanho tal que são visíveis a olho nu.

Imagem 18: Exemplo de ruído numa imagem

     O ruído nas imagens digitais é mais visível em superfícies uniformes, como o céu azul ou sombras. O ruído aumenta com a temperatura e com a sensibilidade, especialmente o ruído de cor em câmaras digitais compactas. O ruído também aumenta à medida que diminui o tamanho do pixel. É por isso que as câmaras digitais compactas geram imagens com muito mais ruído do que as câmaras SLRs digitais. O ruído é normalmente mais visível nos canais de cor vermelho e azul do que no canal verde (imagem 18).

     A nível geral, as variantes que têm influência no aparecimento de grão são a marca da película, a sensibilidade (quanto mais sensibilidade, mais grão) e o processo de revelação. Nas cópias em papel, quanto maior for  a ampliação da imagem, maior será o tamanho do grão.

Tipos de ruído
a. Ruído de impulso – Também conhecido pelo termo "sal e pimenta", é um tipo de ruído em que os pixeis de uma imagem são muito diferentes em cor e intensidade O que define este tipo de ruído é que os pixeis que o compõem não possuem nenhuma relação com  os pixeis circundantes e, geralmente, só afectam um pequeno número de pixeis numa imagem. Ao ver a imagem encontramos pontos brancos sobre pontos negros e pontos negros sobre pontos brancos, daí o nome "sal e pimenta". (imagens 21 e 22). A acumulação de pó no interior das objectivas fotográficas ou um CCD defeituoso, que realiza uma captura errada de imagem, estão na origem deste tipo de ruído.

Imagem 21: Sem ruído (foto de Marko Meza)

Imagem 22: Com ruído de impulso ou
"sal e pimenta" (foto de Marko Meza)

b. Ruído Gaussiano – Neste tipo de ruído todos e cada um dos pixeis de uma imagem possuem uma mudança de valor, de acordo com uma distribuição normal ou gaussiana. Pode-se aplicar outras distribuições, mas a normal ou Gaussiana é tomada como o modelo que melhor se aproxima, por causa do "Teorema central do limite", que diz que a soma dos diferentes ruídos tendem a aproximar-se de uma distribuição normal ou Gaussiana. (imagens 19 e 20)

Imagem 19: Sem ruído

Imagem 20: Com ruído gaussiano

c. Ruído de disparo – É um tipo de ruído eléctrico que tem lugar quando o número finito de partículas que carregam a energia, como os fotões num dispositivo óptico, é suficientemente pequeno para dar origem a flutuações estatísticas apreciáveis numa medição. O nível de ruído é maior quanto maior for o valor médio da intensidade de luz. No entanto, enquanto o nível de sinal cresce mais rapidamente quanto maior for o seu nível médio, muitas vezes o ruído de disparo apenas é um problema quando se trabalha com baixas intensidades de luz.

d. Ruído de luminância – Este tipo de ruído aparece como variações de luminosidade (brilho) numa imagem. É especialmente visível em áreas que devem ter uma cor uniforme.

e. Ruído de crominância – Este tipo de ruído parece como pontos de cor que surgem aleatoriamente. É uma manifestação cromática do ruído, que afecta os canais "a" e "b" em cor "lab", particularmente na área da imagem vídeo. É caracterizada por pontos ou padrões, principalmente nas cores vermelho e azul, que degradam a cor da imagem. Este tipo de ruído é fácil de eliminar com um software de filtragem anti-ruído, apesar da perda de fidelidade nas cores.

f. Ruído térmico – É produzido pelo calor da câmara (fotográfica ou de vídeo). Pode ser reduzido por arrefecimento do sensor ou limitando o tempo de exposição.

g. Ruído de leitura – Ruído eléctrico gerado pelos circuitos que lêem os valores dos pixeis no sensor.

h. Ruído de quantificação – Erros de arredondamento quando o sinal analógico é convertido para um ajuste finito de valores digitais. Este tipo de ruído não é geralmente apreciado e pode ser reduzido utilizando um sensor que armazena mais bits por pixel.


9. Sharpening Halos – (halos de nitidez) – A nitidez é definida pela espessura da borda (ou margem) ou pela imprecisão de um ponto. Em fotografia digital existem dois tipos de nitidez:
O primeiro é a nitidez óptica, definida pela qualidade da óptica, o sensor de imagem e a sua capacidade para capturar o detalhe.
O segundo é a nitidez de software, onde a nitidez da imagem em geral é reforçada por um programa de software. A principal diferença é que durante o processamento de imagem após captura, qualquer qualidade de imagem é reforçada com base nas informações que a câmara consegue capturar. Aplicando algoritmos de nitidez, qualquer suavidade das bordas (ou margens) pode ser melhorada, mas uma aplicação de nitidez em demasia irá produzir halos de nitidez (sharpening halos). Num software, a nitidez é conseguida através da criação de um ligeiro halo (mais claro) do lado de fora da borda e um halo mais escuro no lado de dentro. Através deste método, o contraste entre a borda e o fundo é aumentado, criando a ilusão de aumento geral da nitidez. (imagens 21 e 22).

Imagem 21

Imagem 22

     Um software de nitidez pode ser aplicado no interior da câmara ou através de um computador, com um programa de edição de imagem. Se o fotógrafo tirar fotografias em formato RAW, pode aplicar a quantidade desejável de nitidez quando editar as imagens, com um programa próprio, no seu computador.

     Se obtiver as fotografias no formato JPEG é melhor deixar que a câmara ajuste a imagem, porque se o fotógrafo aumentar a nitidez de uma imagem JPEG através de software, irá aumentar também os artefactos característicos (compressão JPEG, Jaggies). Dentro do corpo da câmara, os algoritmos de nitidez são aplicados antes da compressão JPEG e, portanto, o resultado é muito melhor.