Cómo funcionan las cámaras digitales

No importa si está utilizando una cámara digital simple o una avanzada, el proceso de grabación de la imagen digital y almacenar los datos es lo mismo.

En los últimos veinte años, la mayoría de los principales avances tecnológicos en la electrónica de consumo han formado parte de un gran avance. En resumen, los CD, DVD, HDTV, MP3 y DVR se basan en el mismo proceso básico:convertir información analógica convencional (representada por una onda fluctuante) en información digital (representada por unos y ceros, o bits). Este cambio fundamental en la tecnología cambió por completo la forma en que manejamos la información visual y de audio:redefinió por completo lo que es posible.

La cámara digital es uno de los ejemplos más notables de este cambio porque es verdaderamente diferente de su predecesor. Las cámaras convencionales dependen completamente de procesos químicos y mecánicos; ni siquiera necesita electricidad para operarlas. Por otro lado, todas las cámaras digitales tienen una computadora incorporada, y todas ellas graban imágenes electrónicamente.

El nuevo enfoque ha tenido un enorme éxito. Dado que la película todavía proporciona una mejor calidad de imagen, las cámaras digitales no han reemplazado por completo a las cámaras convencionales. Pero, a medida que la tecnología de imágenes digitales ha mejorado, las cámaras digitales se han vuelto rápidamente más populares.

En este artículo, descubriremos exactamente qué sucede dentro de estos increíbles dispositivos de la era digital.

Conceptos básicos de la cámara digital

Supongamos que desea tomar una fotografía y enviársela por correo electrónico a un amigo. Para hacer esto, necesita que la imagen se represente en el idioma que las computadoras reconocen:bits y bytes. Básicamente, una imagen digital es solo una larga cadena de 1 y 0 que representan todos los pequeños puntos de colores, o píxeles. -- que colectivamente forman la imagen. (Para obtener información sobre muestreo y representaciones digitales de datos, consulte esta explicación de la digitalización de ondas de sonido. La digitalización de ondas de luz funciona de manera similar).

Si desea obtener una imagen en este formulario, tiene dos opciones:

En su nivel más básico, esto es todo lo que hay en una cámara digital. Al igual que una cámara convencional, tiene una serie de lentes que enfocan la luz para crear una imagen de una escena. Pero en lugar de enfocar esta luz en una película, la enfoca en un dispositivo semiconductor que registra la luz electrónicamente. Luego, una computadora descompone esta información electrónica en datos digitales. Todas las funciones divertidas e interesantes de las cámaras digitales son el resultado directo de este proceso.

En las próximas secciones, descubriremos exactamente cómo la cámara hace todo esto.

Datos interesantes

CCD y CMOS:cámaras sin película

Un sensor de imagen CMOS

En lugar de película, una cámara digital tiene un sensor que convierte la luz en cargas eléctricas.

El sensor de imagen empleado por la mayoría de las cámaras digitales es un dispositivo de acoplamiento de carga (CCD). Algunas cámaras utilizan semiconductor de óxido de metal complementario (CMOS) en su lugar. Los sensores de imagen CCD y CMOS convierten la luz en electrones. Si ha leído Cómo funcionan las células solares, ya comprende una de las piezas de tecnología que se utilizan para realizar la conversión. Una forma simplificada de pensar en estos sensores es pensar en una matriz 2-D de miles o millones de células solares diminutas.

Una vez que el sensor convierte la luz en electrones, lee el valor (carga acumulada) de cada celda en la imagen. Aquí es donde entran en juego las diferencias entre los dos tipos de sensores principales:

Las diferencias entre los dos tipos de sensores generan una serie de ventajas y desventajas:

Un sensor CCD

Aunque existen numerosas diferencias entre los dos sensores, ambos desempeñan el mismo papel en la cámara:convierten la luz en electricidad. Con el fin de comprender cómo funciona una cámara digital, puede pensar en ellas como dispositivos casi idénticos.

Resolución de cámara digital

El tamaño de una imagen tomada en diferentes resoluciones

La cantidad de detalles que la cámara puede capturar se denomina resolución , y se mide en píxeles. Cuantos más píxeles tiene una cámara, más detalles puede capturar y las imágenes más grandes pueden ser sin que se vuelvan borrosas o "granuladas".

Algunas resoluciones típicas incluyen:

Las cámaras de consumo de gama alta pueden capturar más de 12 millones de píxeles. Algunas cámaras profesionales admiten más de 16 millones de píxeles o 20 millones de píxeles para cámaras de gran formato. A modo de comparación, Hewlett Packard estima que la calidad de la película de 35 mm es de unos 20 millones de píxeles [ref].

A continuación, veremos cómo la cámara agrega color a estas imágenes.

¿Cuántos píxeles?

Es posible que haya notado que la cantidad de píxeles y la resolución máxima no se computan del todo. Por ejemplo, una cámara de 2,1 megapíxeles puede producir imágenes con una resolución de 1600x1200 o 1.920.000 píxeles. Pero "2,1 megapíxeles" significa que debe haber al menos 2 100 000 píxeles.

Esto no es un error de redondeo o trucos matemáticos binarios. Existe una discrepancia real entre estos números porque el CCD tiene que incluir un circuito para que el ADC mida la carga. Este circuito está teñido de negro para que no absorba la luz y distorsione la imagen.

Capturando color

Cómo se divide la imagen original (izquierda) en un divisor de haz

Desafortunadamente, cada fotosito es daltónico. Solo realiza un seguimiento de la intensidad total de la luz que incide en su superficie. Para obtener una imagen a todo color, la mayoría de los sensores usan filtrado mirar la luz en sus tres colores primarios. Una vez que la cámara registra los tres colores, los combina para crear el espectro completo.

Hay varias formas de grabar los tres colores en una cámara digital. Las cámaras de la más alta calidad usan tres sensores separados, cada uno con un filtro diferente. Un divisor de haz dirige la luz a los diferentes sensores. Piense en la luz que entra en la cámara como agua que fluye a través de una tubería. Usar un divisor de haz sería como dividir una cantidad idéntica de agua en tres tuberías diferentes. Cada sensor obtiene una mirada idéntica a la imagen; pero debido a los filtros, cada sensor solo responde a uno de los colores primarios.

La ventaja de este método es que la cámara graba cada uno de los tres colores en cada ubicación de píxel. Desafortunadamente, las cámaras que usan este método tienden a ser voluminosas y costosas.

Otro método es rotar una serie de filtros rojo, azul y verde frente a un solo sensor. El sensor registra tres imágenes separadas en rápida sucesión. Este método también proporciona información sobre los tres colores en cada ubicación de píxel; pero dado que las tres imágenes no se toman precisamente en el mismo momento, tanto la cámara como el objetivo de la foto deben permanecer estacionarios para las tres lecturas. Esto no es práctico para fotografías espontáneas o cámaras de mano.

Ambos métodos funcionan bien para cámaras de estudio profesionales, pero no son necesariamente prácticos para instantáneas casuales. A continuación, veremos métodos de filtrado que son más adecuados para cámaras pequeñas y eficientes.

Algoritmos de demostración:filtrado de color

Una forma más económica y práctica de registrar los colores primarios es colocar permanentemente un filtro llamado matriz de filtros de color sobre cada fotosito individual. Al dividir el sensor en una variedad de píxeles rojos, azules y verdes, es posible obtener suficiente información en la vecindad general de cada sensor para hacer conjeturas muy precisas sobre el color verdadero en esa ubicación. Este proceso de mirar los otros píxeles en la vecindad de un sensor y hacer una suposición informada se llama interpolación .

El patrón de filtros más común es el patrón de filtro de Bayer . Este patrón alterna una fila de filtros rojos y verdes con una fila de filtros azules y verdes. Los píxeles no están divididos uniformemente:hay tantos píxeles verdes como azules y rojos combinados. Esto se debe a que el ojo humano no es igualmente sensible a los tres colores. Es necesario incluir más información de los píxeles verdes para crear una imagen que el ojo perciba como un "color verdadero".

Las ventajas de este método son que solo se requiere un sensor y toda la información de color (rojo, verde y azul) se registra en el mismo momento. Eso significa que la cámara puede ser más pequeña, más económica y útil en una mayor variedad de situaciones. La salida sin procesar de un sensor con un filtro Bayer es un mosaico de píxeles rojos, verdes y azules de diferente intensidad.

Las cámaras digitales utilizan algoritmos de demostración especializados para convertir este mosaico en un mosaico de igual tamaño de colores verdaderos. La clave es que cada píxel de color se puede usar más de una vez. El color verdadero de un solo píxel se puede determinar promediando los valores de los píxeles circundantes más cercanos.

Algunas cámaras de un solo sensor utilizan alternativas al patrón de filtro de Bayer. La tecnología X3, por ejemplo, incorpora fotodetectores rojos, verdes y azules en silicio. Algunas de las cámaras más avanzadas restan valores usando los colores de composición cian, amarillo, verde y magenta en lugar de mezclar rojo, verde y azul. Incluso hay un método que utiliza dos sensores. Sin embargo, la mayoría de las cámaras de consumo del mercado actual utilizan un solo sensor con filas alternas de filtros verde/rojo y verde/azul.

Exposición y enfoque de la cámara digital

Al igual que con la película, una cámara digital tiene que controlar la cantidad de luz que llega al sensor. Los dos componentes que utiliza para hacer esto, la apertura y velocidad de obturación , también están presentes en las cámaras convencionales.

Estos dos aspectos trabajan juntos para capturar la cantidad de luz necesaria para hacer una buena imagen. En términos fotográficos, establecen la exposición del sensor. Puede obtener más información sobre la apertura de una cámara y la velocidad de obturación en Cómo funcionan las cámaras.

Además de controlar la cantidad de luz, la cámara tiene que ajustar las lentes para controlar cómo se enfoca la luz en el sensor. En general, los lentes de las cámaras digitales son muy similares a los lentes de las cámaras convencionales; algunas cámaras digitales incluso pueden usar lentes convencionales. La mayoría utiliza técnicas de enfoque automático, sobre las que puede obtener más información en el artículo Cómo funcionan las cámaras con enfoque automático.

La distancia focal Sin embargo, existe una diferencia importante entre la lente de una cámara digital y la lente de una cámara de 35 mm. La distancia focal es la distancia entre la lente y la superficie del sensor. Los sensores de diferentes fabricantes varían mucho en tamaño, pero en general son más pequeños que una película de 35 mm. Para proyectar la imagen en un sensor más pequeño, la distancia focal se acorta en la misma proporción. Para obtener información adicional sobre los tamaños de los sensores y las comparaciones con la película de 35 mm, puede visitar el sitio web de Photo.net.

La distancia focal también determina la ampliación, o el zoom, cuando miras a través de la cámara. En las cámaras de 35 mm, una lente de 50 mm brinda una vista natural del sujeto. Al aumentar la distancia focal, aumenta la ampliación y los objetos parecen acercarse. Lo contrario sucede al disminuir la distancia focal. Una lente de zoom es cualquier lente que tiene una distancia focal ajustable , y las cámaras digitales pueden tener óptica o digitales zoom, algunos tienen ambos. Algunas cámaras también tienen enfoque macro capacidad, lo que significa que la cámara puede tomar fotografías desde muy cerca del sujeto.

Las cámaras digitales tienen uno de los cuatro tipos de lentes:

A continuación, aprenderemos cómo la cámara almacena imágenes y las transfiere a una computadora.

Almacenamiento de fotos digitales

Una tarjeta CompactFlash

La mayoría de las cámaras digitales tienen una pantalla LCD, por lo que puede ver su imagen de inmediato. Esta es una de las grandes ventajas de una cámara digital:obtienes comentarios inmediatos sobre lo que capturas. Por supuesto, ver la imagen en tu cámara perdería su encanto si eso es todo lo que puedes hacer. Desea poder cargar la imagen en su computadora o enviarla directamente a una impresora. Hay varias formas de hacerlo.

Las primeras generaciones de cámaras digitales tenían almacenamiento fijo dentro de la cámara. Necesitabas conectar la cámara directamente a una computadora con cables para transferir las imágenes. Aunque la mayoría de las cámaras actuales pueden conectarse a través de conexiones seriales, paralelas, SCSI, USB o FireWire, por lo general también utilizan algún tipo de dispositivo de almacenamiento extraíble.

Las cámaras digitales utilizan varios sistemas de almacenamiento. Son como películas digitales reutilizables y utilizan un carrito o un lector de tarjetas para transferir los datos a una computadora. Muchos involucran memoria flash fija o extraíble. Los fabricantes de cámaras digitales a menudo desarrollan sus propios dispositivos de memoria flash patentados, incluidas las tarjetas SmartMedia, las tarjetas CompactFlash y los Memory Stick. Algunos otros dispositivos de almacenamiento extraíbles incluyen:

Independientemente del tipo de almacenamiento que utilicen, todas las cámaras digitales necesitan mucho espacio para las fotografías. Por lo general, almacenan imágenes en uno de dos formatos:TIFF, que no está comprimido, y JPEG, que está comprimido, pero algunos usan el formato RAW. La mayoría de las cámaras utilizan el formato de archivo JPEG para almacenar imágenes y, a veces, ofrecen configuraciones de calidad (como media o alta). La siguiente información le dará una idea de los tamaños de archivo que puede esperar con diferentes tamaños de imagen.

640x480

800x600

1024x768

1600x1200

Para aprovechar al máximo su espacio de almacenamiento, casi todas las cámaras digitales utilizan algún tipo de compresión de datos para reducir el tamaño de los archivos. Dos características de las imágenes digitales hacen posible la compresión. Uno es repetición . El otro es irrelevancia .

Imagina que a lo largo de una foto dada, ciertos patrones desarrollarse en los colores. Por ejemplo, si un cielo azul ocupa el 30 por ciento de la fotografía, puede estar seguro de que algunos tonos de azul se repetirán una y otra vez. Cuando las rutinas de compresión aprovechan los patrones que se repiten, no hay pérdida de información y la imagen se puede reconstruir exactamente como se grabó. Desafortunadamente, esto no reduce los archivos más del 50 por ciento y, a veces, ni siquiera se acerca a ese nivel.

Irrelevancia es un tema más complicado. Una cámara digital registra más información de la que el ojo humano puede detectar fácilmente. Algunas rutinas de compresión se aprovechan de este hecho para descartar algunos de los datos sin sentido.

A continuación, uniremos todo y veremos cómo una cámara digital toma una foto.

Resumen de la cámara CCD

Un lápiz de memoria

Se necesitan varios pasos para que una cámara digital tome una fotografía. Aquí hay una revisión de lo que sucede en una cámara CCD, de principio a fin: