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Sou viciado em computação, Internet e Fotografia. Morei por quase 6 anos, e ainda frequento, Paraty. Sou usuário de softwares Open Source, tendo dado algumas contribuições em diversas ocasiões.

sexta-feira, 8 de abril de 2011

Equilíbrio de Branco e espectroscopia

O que é Equilíbrio de Branco (erroneamente chamado de "Balanço de Branco" por causa de um erro de tradução)? Por que isto é tão importante? Por que afeta tanto o resultado de uma foto?

Um objeto pode parecer preto sem ser preto?

O que é luz branca? Existe luz branca, ou é uma mera abstração?

Mais um assunto importante que muita gente não sabe bem.

Este assunto beira a nerdice, mas todos os fotógrafos tem que saber, pois a luz é a sua matéria prima.

Radiação eletromagnética

A luz é radiação eletromagnética, tal como as ondas de rádio de uma emissora de rádio, TV, celular etc, só que em frequências muito mais altas, em comprimentos de onda muito menores (comprimento de onda é igual à velocidade da onda dividida pela frequência da onda).

O comprimento de onda de uma estação de rádio FM é de cerca de 3 metros, pois esta faixa de frequências é de 88 a 108 MHz (Milhões de ciclos por segundo), e a velocidade da luz no ar é de 300000 Km/s.

A luz visível varia de 380 a 750 nm (um nanômetro é um bilionésimo do metro), este é o espectro da luz visível. Então a frequência da luz visível, da radiação eletromagnética visível pelos olhos humanos, é de cerca de 5 milhões de vezes maior que uma rádio FM. Comprimentos de onda pouco maiores do que 750 nm são conhecidos como Infra-Vermelho, e pouco menores do que 380 nm de Ultra-Violeta.

Luz Branca, parte 1

O que é luz branca? A luz branca ideal contém todos comprimentos de onda da luz visível em "quantidades" (a coisa é bem mais complexa do que isto, mas deixe assim por enquanto) iguais, que tenha um espectro sem falhas, contínuo, isto é, tem todos os comprimentos de ondas possíveis dentro da faixa da luz visível.

Voltaremos a esta assunto adiante...

Processo subtrativo

Por que um objeto que não emite (a princípio, pois depois vou destruir este conceito) luz própria, não brilha no escuro, tem uma determinada cor quando iluminado? Esta cor pode mudar segundo a luz que o ilumina? Por que as folhas das plantas são verdes?

Pelo que me lembro, a fotossíntese absorve boa parte do espectro de luz visível, usando como forma de energia a ser convertida, exceto o verde, que é eliminado, refletido de volta. Então as folhas são verdes por que o verde não é absorvido.

Por que uma folha de papel é branca? Por que ela reflete de volta quase toda a luz que recebe, independente da cor, do espectro, da frequência eletromagnética, do comprimento de onda etc.

Por que alguma coisa é de uma determinada cor? Por que absorve algumas componentes da luz que recebe, em diversos graus de absorção, e reflete o que sobra, que vai criar a cor com que vemos este objeto.

Um filtro colorido para a lente da câmera absorve parte do espectro, deixando passar certos comprimentos de onda, que gera a cor que nós vemos ele.

Os sensores eletrônicos usados nas câmeras tem um efeito colateral: eles são sensíveis ao Infra-Vermelho. Os fabricantes de câmeras contornam isto colocando imediatamente antes do sensor um filtro que absorve o Infra-Vermelho, deixando a luz visível passar.

Alguns filmes coloridos tem o azul sensível ao Ultra-Violeta, e por isto que se usava filtros UV, para que o Ultra-Violeta não chegasse até o filme.

Este é o Processo Subtrativo, no qual se retira parte da luz e reflete de volta outra parte. Neste processo, as cores primárias são Ciano, Magenta e Amarelo. Destas cores se compõem todas as outras, inclusive o preto. Se cada cor tira parte da luz, todas juntas tiram toda a luz.

Algumas implicações curiosas

Você pode fazer com que uma planta fique com um tom mais verde acrescentando na iluminação dela mais luz verde. Mas se iluminar só com luz verde, possivelmente, depois de um tempo, ela morrerá de inanição.

Se iluminar algo com uma luz que não tenha nenhuma componente do espectro que um determinado objeto reflita, este objeto parecerá preto. Isto não é difícil de testar. Se tem uma lanterna LED (Diodo Emissor de Luz) de uma cor (seja vermelha, azul, verde etc) disponível, faça a experiência de apagar as luzes e iluminar vários objetos coloridos com esta lanterna. Objetos distintos poderão parecer ter tons diferentes daquela cor, inclusive o preto. Por que isto ocorre? O LED tem um espectro estreito. Não existe LED de espectro largo, muito menos branco (eu vou explicar isto adiante), é sempre estreito, e isto é uma característica do LED.

Um objeto vermelho (por exemplo), que reflita um espectro estreito do vermelho, pode parecer preto iluminado por um LED vermelho, bastando para isto que o espectro emitido pelo LED vermelho não coincida com o espectro que é refletido pelo objeto.

Uma folha de papel branco parecerá colorida se a luz que a ilumina for colorida. E na realidade você não terá como saber, se depender só desta luz, se a folha papel é branca ou daquela cor. E ainda pode ser de uma outra cor que tenha componentes de espectro não fornecidos por aquela fonte de luz.

Em suma, a cor com que se vê de um objeto depende da "cor real" dele e ainda da luz que o ilumina. Mas não foi mencionado ainda que o olho humano tem limitações na capacidade de ver as cores, então as cores que vemos ainda é afetada por isto. Existem áreas da Ciência só para estudar este assunto.

Processos aditivo

Por que a fotografia usa o Vermelho, o Verde e o Azul? Por que as cores no monitor de vídeo são estas? Estas são as cores primárias do processo aditivo. O olho humano é sensível a estas 3 cores básicas, mais a intensidade da luz. Se a luz estiver muito fraca, nós só enxergamos a intensidade da luz, vemos em preto e branco.

Quando se junta as cores primárias da luz, do processo aditivo, se tem o branco. Se cada cor adiciona parte da luz, todas juntas resulta em toda a luz.

Luz Branca, parte 2

Então se juntarmos 3 fontes de luz com as cores primárias da luz temos o branco? Sim. Mas este "branco" pode ter uma "cor", bastando para isto as cores estarem desiguais em intensidade.

Quem edita arquivos RAW deve ter reparado nos 3 multiplicadores, um para cada cor, para fazer o equilíbrio de branco da imagem. Usa-se para obter estes multiplicadores alguma referência na cena, um cinza, um branco, a imagem toda etc. Para isto que existem o cartão cinza 18% e os padrões de cores para teste (tenho que comprar ambos... rs).

LED branco, parte 1

Existem dois meios de se obter o LED branco, um deles na realidade são 3 LEDs em um só encapsulamento (já ouvi falar em até 4, para obter uma melhor fidelidade de cores), um com cada cor primária da luz, vermelho, verde e azul (RGB).

LEDs brancos feitos com 3 LEDs coloridos tem problemas de fidelidade de cor, pois são 3 espectros estreitos. Imagine se um objeto que pareça cinza no sol, mas ele reflete somente espectros estreitos, ele poderá ter a cor alterada, ou até mesmo parecer preto na luz gerada por este LED branco.

Radiação de corpo negro

Este é um enigma que gerou muitas discussões na Física, que foi resolvido por Planck (gerou outras discussões depois também). Todo corpo que esteja com alguma temperatura acima de 0 Kelvin, o zero absoluto, emite radiação eletromagnética. Então, como nada na natureza está a 0 Kelvin, todo corpo emite radiação eletromagnética, emite "luz", mas luz para a fotografia é a luz visível, ou em alguns casos, Ultra-Violeta e Infra-Vermelho. (Pronto, destruí o conceito de que um objeto comum não emite luz, ou qualquer tipo de radiação eletromagnética.)

Na realidade o assunto é bem mais complexo, mas deixemos os detalhes para os físicos.

Segundo este modelo, quanto maior a temperatura, mas azulada é a luz, e quanto mais baixa é a temperatura, mais alaranjada é a luz. Alguns objetos bem quentes emitem uma boa quantidade radiação infra-vermelha, o que permite sentir o calor emitido por este objeto sem tocar nele. Se aquecer mais, tipo metal sendo aquecido com maçarico, ele começa a emitir luz visível vermelha. Daí vem a expressão de " aquecido ao rubro".

O ajuste do Equilíbrio de Branco por temperatura em Kelvin segue este modelo físico, ele ajusta os multiplicadores mencionados acima para coincidir com este modelo.

Luz Branca, parte 3

Acabamos de ver que a luz branca, mesmo com um espectro contínuo que é gerada pela radiação de um corpo negro, não é uniforme. Este é um dos motivos da existência dos filmes coloridos para luz do dia e para tungstênio, dos filtros, e do equilíbrio de branco.

Alguns materiais geram ainda descontinuidades bem estreitas no espectro da luz, chamadas de raias, sendo mais intensas, ou mais fracas, ou até mesmo ausentes, sem luz nestes comprimentos de onda. Foi com um determinado conjunto de raias não emitidas pelas estrelas, e mais o efeito Doppler, que foi descoberto que o universo estava em expansão.

Fontes de luz para estudos de espectroscopia usam diversas lâmpadas diferentes (já vi um com 7 lâmpadas) para ter um espectro mais uniforme, um "branco mais branco" (rs). Alguns estudos de precisão, para estudar as raias absorvidas pelos materiais, usa-se LASERs, pois estes tem espectro mais estreito ainda que os LEDs.

Então nem o branco mais referência na fotografia, a luz do sol, é o branco ideal.

Filtragem de luz

Existem dois métodos de filtragem de luz usados em fotografia, filtrar a fonte de luz e filtros diante da lente da câmera.

As lâmpadas Foto Flood luz do dia são pintadas para corrigir a luz. Elas são basicamente uma luz incandescente feita para ser bem intensa, mas costumam durar menos do que uma incandescente normal. Este é um exemplo de filtragem na fonte de luz.

Em shows usa-se muito gelatinas colocadas na frente das lâmpadas para gerar luzes coloridas para o palco.

Uma técnica do tempo do filme era colocar filtros na lente da câmera para usar filmes para luz do dia em estúdios de luz incandescente.

Alias, acredito que a diferença entre um filme para luz do dia e um para luz de tungstênio seja nas sensibilidades das camadas de cores. Cada camada de cor tem que ter uma sensibilidade, pois pode agir, de certa forma, como um filme individual sensível a uma cor. Então, pode-se alterar as características da resposta para o tipo de luz, tungstênio e luz do sol por exemplo, alterando-se a sensibilidade de cada uma das camadas.

Conversão da luz

Um método muito comum é gerar um tipo de luz e converter em outro tipo. É uma forma de conversão de energia. Algumas lâmpadas fazem conversão de luz, como as lâmpadas fluorescentes.

O gás de uma lâmpada fluorescente produz Ultra-Violeta, e não luz visível. A camada branca que reveste o vidro da lâmpada por dentro faz a conversão de um tipo de luz para outro. Então este tipo de lâmpada não está mais amarrada ao modelo de radiação de um corpo negro, pois funciona de forma bem diferente, não por aquecimento, mas nada impede dela imitar a luz do sol, ou de uma lâmpada incandescente. Basta ter a mistura certa de materiais no revestimento dela.

Mas como se trata de materiais que fazem a conversão, é possível que esta luz contenha uma razoável quantidade de raias no espectro, que em condições especiais, possam causar distorções de cor estranhas. Mas acredito que seja um fenômeno raro.

LED branco, parte 2

O segundo método de fazer um LED branco é similar à lâmpada fluorescente. É usado um LED azul ou Ultra-Violeta, e a luz é convertida por uma camada que fica entre o LED e o meio externo . No caso do LED azul a conversão é parcial, pois precisa só adicionar o verde e o vermelho.

A tentativa de simular uma temperatura de cor, tal como o modelo da radiação do corpo negro, é aplicável aqui também. Também existe a possibilidade de raias, tal como na lâmpada fluorescente.

Flash fotográfico

O flash fotográfico usa uma lâmpada com gás Xenônio pressurizado de forma que, quando em plasma com alta corrente elétrica, gera uma luz parecida com a luz do sol, com um espectro razoavelmente contínuo e com poucas raias de maior intensidade.

Luz Branca, parte 4 - Final

A luz branca é, de certa forma, uma abstração, pois existem muitos tipos, segundo misturas de componentes, segundo raias existentes, segundo tipo da fonte de luz, segundo temperatura da fonte etc. Algumas são só raias estreitas gerando a ilusão de branco aos olhos, outras são bastante contínuas com alguma raias presentes, mais intensas ou ausentes. São muitas variáveis, sendo que várias destas variáveis são indiferentes para o dia a dia de um fotógrafo.

Por isto que estúdios de fotografia tem que ter um grande cuidado com a iluminação.

Por causa das características da lâmpada incandescente que sou contra o banimento delas. Sou a favor que elas sejam mais duráveis, e mais caras, para se tornarem lâmpadas de uso especial, e as outras, mais eficientes e duráveis, assumam o seu lugar no uso comum.

Bibliografia

http://pt.wikipedia.org/wiki/Espectro_(física)

http://pt.wikipedia.org/wiki/Radiação_de_corpo_negro

http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_radiation

http://pt.wikipedia.org/wiki/Lei_de_Stefan-Boltzmann

http://en.wikipedia.org/wiki/Planck's_law_of_black_body_radiation

http://en.wikipedia.org/wiki/Xenon_arc_lamp

http://en.wikipedia.org/wiki/Xenon_flash_lamp

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