Mais sobre monitores de vídeo, tempo de exposição etc.

Fazendo um teste de gravação da câmera obtive várias imagens borradas deste modo:

Observe os últimos dígitos borrados no número mostrado.

Desenvolvi um programa que entra em loop escrevendo o tempo em micro segundos na tela do computador, e fotografava a tela para medir o tempo entre cada foto. As fotos eram feitas com tempo de exposição de 1/60 segundos, para garantir que a varredura da tela passaria somente uma vez pela área que eu fotografava. Mas o que deu de errado? Porque os números embaralharam?

Para entender como eu pensei, e o que aconteceu, tenho que explicar diferenças de tecnologias. Já falei antes que sobre substituição tecnológica, mas o caso aqui é como funciona duas tecnologias.

O  CRT (tubo de raios catódicos, tubo de imagem), tal como o cinema, se valem de um fenômeno chamado de Persistência Retiniana (a versão em inglês está muito melhor). Imagens cintilantes acima de uma certa frequência não são vistas como cintilantes (na realidade, o assunto é muito mais amplo).

Na TV de CRT um feixe de elétrons (ou 3 no caso da TV colorida) "passeia" por toda tela atingindo o fósforo que a reveste (O processo é mais complexo, mas esta é a ideia básica.). Este fósforo brilha por alguns milésimos de segundo depois de atingido pelo feixe de elétrons, gerando um ponto brilhante, cuja intensidade do brilho depende da intensidade de corrente deste feixe de elétrons.

A TV tem uma varredura vertical de 60 Hz em vários países (Sistema M, tal como PAL-M, NTSC etc), então uma imagem é montada 60 vezes por segundo. (Existem países nos quais a frequência vertical é de 50 Hz.)

Mais exatamente, na TV analógica em uma varredura são feitas as linhas pares, e na outra ímpar, formando o quadro completo em 30 Hz. O nome deste processo é entrelaçamento. Uma foto de uma tela de TV então tem que ser feita com 1/30 segundo, e mesmo assim não é garantida da qualidade. Se a imagem é estática, não se move, então pode-se aumentar o tempo de exposição, mas tem que ser um múltiplo deste. Já soube de exposições de 1/2 segundo em casos assim.

Monitores de vídeo CRT usados em computadores tem que ter outro cuidado. A frequência de varredura vertical pode ser diferente, de 50 Hz até 110 Hz em alguns monitores. Então configure a varredura do monitor e ajuste o tempo de exposição da câmera de acordo. A vantagem é que raramente monitores de vídeo são entrelaçados, então um cuidado mencionado acima é desnecessário.

Aconselho, neste ponto, ter lido o artigo Obturador de cortina e sincronismo de flash e ter visto os vídeos listados no SLRs em ação, por dentro. Nos vídeos quase todas as cortinas de obturador são de movimento vertical, exceto a da Nikon F2 que é horizontal. Isto muda o resultado de como a imagem de um CRT é capturada em algumas circunstâncias.

Nikon Df, ISO 100, 1/60 segundo, lente 50 mm f1.8 AF-S, em f4.

Nikon Df, ISO 100, 1/60 segundo, lente 50 mm f1.8 AF-S, em f4.

Existem tempos de exposição no qual o obturador fica todo aberto (mesmo que por um tempo muito pequeno), e este tempo varia de acordo com a câmera. Em algumas chegam a ser 1/250 segundo. Em tempos mais curtos as duas cortinas se deslocam praticamente simultaneamente criando uma fenda entre elas. A largura desta fenda depende do tempo de exposição. Então em 1/60 s o obturador ficará um tempo todo aberto, e teoricamente poderia capturar a tela inteira da TV.

Mas porque não aconteceu nestas imagens? Primeiro, a câmeras não necessariamente seguem is tempos de exposição informados. Já tiveram medidas contrariando elas. Uma delas é mencionada na apresentação  "Recovering High Dynamic Range Radiance Maps from Photographs" de Paul Debevec no SigGraph97 no qual ele apresentou o HDR. A quarta nota de rodapé na terceira página fala disto. Então o tempo de exposição pode ser alguma potência de 2 (... 1/256, 1/128, 1/64, 1/32, 1/16, 1/8, 1/4, 1/2, 1, 2, 4, 8, 16, ...).

Ainda pode acontecer que esta TV (uma Sony Wega fabricada cerca de 2001) não esteja operando precisamente em 60 Hz (ou 59.97 Hz), pois esta é uma TV sofisticada, que digitalizava imagens para fazer o PIP (Picture In Picture, quando exibe uma janela na tela com a imagem de outro canal). E não tenho certeza que a fonte de sinal esteja realmente gerando as frequências corretas de varredura.

Observe a foto em 1/30 segundo:

Nikon Df, ISO 100, 1/30 segundo, lente 50 mm f1.8 AF-S, em f4.

Aqui a imagem é varrida duas vezes, e pode-se ver uma faixa menos clara duas vezes mais larga do que a faixa escura na outra foto. Então tem uma diferença de sincronismo relevante entre a TV e a câmera.

Um modo de minimizar isto é colocar uma imagem estática e fazer uma longa exposição. Quanto mais quadros da imagem da tela forem capturados, menos significativa será qualquer diferença.

Nikon Df, ISO 100, 1/2 segundo, lente 50 mm f1.8 AF-S, em f16. Foi necessário fechar o diafragma para compensar a quantidade maior de luz que entra devido à quantidade maior de varreduras capturadas, que são cerca de 30.

Em tempos de exposição muito curto se percebe que o fósforo da tela brilha por muito pouco tempo depois de atingido pelo feixe de elétrons. Tem o brilho praticamente instantâneo e depois um decaimento, que no caso varia segundo a cor.

Nikon Df, ISO 100, 1/250 segundo, lente 50 mm f1.8 AF-S, em f4.

Nikon Df, ISO 100, 1/1000 segundo, lente 50 mm f1.8 AF-S, em f4.

Nikon Df, ISO 100, 1/4000 segundo, lente 50 mm f1.8 AF-S, em f4.

Basicamente a imagem que é fotografada é a que foi colocada pelos feixes de elétrons que atingiram a tela durante a o tempo de exposição. Estes feixes de elétrons são controlados, de certa forma, pela controladora de vídeo em casos de monitores de vídeo, ou pelo sinal de entrada da TV vindo da emissora de TV, ou de outras fontes.

Pode notar que estamos trabalhando com um brilho instantâneo, tal como o disparo de um flash, e a variação do tempo de exposição.

Também dá para notar o decaimento de brilho diferente segundo as cores, sendo que o vermelho é mais lento, deixando um rastro. Isto talvez varie segundo o fabricante do tubo de imagens, o modelo do tubo de imagens etc.

Tem este vídeo muito bom do Slow Mo Guys no YouTube mostrando e explicando a varredura de telas LCDs e CRTs. Eles filmaram com uma velocidade tão alta que dava para ver a varredura do feixe de elétrons na tela.

Observação: O obturador, mesmo movendo de cima para baixo, ele varre a cena de baixo para cima, pois a imagem é invertida pela lente na projeção dela no sensor. Devo um dia fazer o teste invertido, com a câmera de cabeça para baixo, compensando isto.

Mas em monitores LCD?

Quais são as diferenças entre estas três fotos de um monitore LCD (o monitor é um LG 23MB35)?

Nikon Df, ISO 200, 1/60 segundo, lente 50 mm f1.8 AF-S, em f2.

 

Nikon Df, ISO 200, 1 segundo, lente 50 mm f1.8 AF-S, em f16.

Nikon Df, ISO 12800, 1/4000 segundo, lente 50 mm f1.8 AF-S, em f2.

Visualmente não tem grandes diferenças, exceto um ruído na última foto por causa do ISO alto.


Tenha em mente que o sinal enviado, tanto a um monitor CRT quanto LCD, via cabo de vídeo VGA é exatamente igual. Em sinais digitais como DVI e HDMI, é enviado serialmente, pixel depois de pixel. Em todos os casos sempre em uma forma de varredura.

A primeira foto foi feita com o tempo de exposição de 1/60 s, e a segunda com 1 segundo, e a terceira com 1/4000 s. Isto mostra que a imagem sempre está presente na tela, independente de onde a varredura esteja naquele instante. Então, ao invés de um ponto brilhante, com um decaimento depois, passeando pela tela, temos uma imagem que fica fixa mudando ponto a ponto conforme o sinal de varredura passa por ele.

Então o que aconteceu na primeira foto deste artigo?

Ela foi feita com 1/60 segundo de exposição. No início da exposição estava na tela o que tinha sido colocado em uma varredura, segundo o que estava na memória da controladora de vídeo naquela varredura, e durante a exposição a varredura passou pela área fotografada colocado a nova informação, como estava na memória de vídeo neste novo momento. O resultado é como se fossem duas exposições, uma dupla exposição, uma de cada momento da memória de vídeo.

Se estivesse usando um monitor CRT o tempo de 1/60 s estaria correto, exceto pelo pequeno risco de não fotografar a informação importante, pois tem a diferença de varredura. Mas como usava um LCD, na qual a informação sempre está na tela, o menor tempo de exposição possível seria o indicado, evitando assim esta "dupla exposição". Em suma, pensei como se estivesse usando um CRT quando deveria pensar que estava usando um LCD.

Esta comparação de funcionamento entre monitores CRT e LCD mostra como duas coisas, com tecnologias bem diferentes, de comportamentos diferentes, são usadas para o mesmo fim, exibir imagens. Mas ainda teve uma tecnologia anterior ao CRT que foi usada durante o desenvolvimento da televisão, o Disco de Nipkow (em inglês é mais completo). O Disco de Nipkow era um sistema de varredura mecânica, simples em concepção, mas com sérios problemas de sincronismo, resolução, barulhento etc. O CRT o substituiu com muitas vantagens, mas ao custo de uma eletrônica bem mais complexa.

O que um dia substituirá os LCDs? AMOLED? Telas de Plasma foram usadas um tempo, mas os LCDs a superaram. Ainda não pude testar elas.

Em suma

Com CRTs congele a imagem de alguma forma (alguns vídeo cassetes são capazes de fazer isto) e faça uma longa exposição. Em LCD faça uma exposição curta sem a necessidade de congelar a imagem, mas pode também congelar a imagem se for possível, para usar o ISO mais baixo possível, com alguma abertura da lente intermediária.

Se vai fotografar algo que pode mudar de estado a qualquer momento, e quer comparar estes estados, como foi o caso da imagem inicial deste artigo, use o menor tempo de exposição possível.

Bônus

Colocando a câmera deitada fiz algumas fotos para mostrar o deslocamento da janela de exposição, e o efeito do deslocamento das cortinas.

Nikon Df, ISO 100, 1/60 segundo, lente 50 mm f1.8 AF-S, em f4.

Nikon Df, ISO 100, 1/60 segundo, lente 50 mm f1.8 AF-S, em f4.

Nikon Df, ISO 100, 1/1000 segundo, lente 50 mm f1.8 AF-S, em f4.

Nikon Df, ISO 100, 1/4000 segundo, lente 50 mm f1.8 AF-S, em f4.

Dá para notar que o ângulo de inclinação é o mesmo, portanto a velocidade de deslocamento das cortinas é constante (pelo menos nesta câmera).

Na segunda foto a faixa apagada quase não existe. Aparece nos cantos inferior esquerdo e superior direito. O feixe de varredure da TV não volta para o topo instantaneamente. Ele demora um pequeno tempo para retornar, e este tempo coincidiu com a faixa apagada da foto.

E novamente, a largura do que foi fotografado dependeu do tempo de exposição.

Observação: A câmera foi intencionalmente posicionada de modo que o obturador varresse a imagem da esquerda para a direita.