Por que os pixels são quadrados e outras curiosidades

Acontece todo dia: você liga o computador, utiliza todos os softwares que precisa e sequer dá o mínimo de atenção para os principais elementos que possibilitam sua conexão com o mundo virtual: os pixels.

Eles estão sempre ali: desde o momento em que aparece a primeira imagem na tela até a hora em que seu sistema diz adeus no instante em que está prestes a desligar.

Apesar de serem utilizados em todos os softwares, games e demais conteúdos, não é comum pararmos para pensar nesses pequeninos elementos visuais, mas é claro que há toda uma lógica de funcionamento e de criação dos pixels.

1. Como surgiram os pixels?

A palavra apareceu lá na década de 1960, mas não se sabe ao certo quem deu origem ao termo. O nome surgiu da combinação das palavras picture (imagem) e element (elemento), que juntas formam o conceito do pixel: ele é o elemento básico da imagem.

Apesar de a palavra como conhecemos aparecer em 1960, de acordo com o The New York Times, o conceito de “elemento da imagem” já havia sido usado em 1927 pela revista Wireless World em uma reportagem sobre o “mosaico de pontos”.

Não há informações oficiais sobre a primeira aplicação do pixel como conhecemos hoje. Todavia, por estar atrelado ao processamento em um chip de computador e a reprodução de imagens em uma tela, podemos considerar que o pixel foi inventado lá na década de 1960 junto ao primeiro monitor. Depois disso, ele evoluiu ganhando cores e melhor definição.

2. Por que os pixels são quadrados?

Quase todos os displays do mundo são retangulares — com mudanças na proporção. Devido a tal formato, as imagens sempre foram programadas para dois parâmetros principais: altura e largura (seja em pixels, centímetros ou outras unidades).

Devido a essa padronização nas telas, o pixel quadrado foi adotado para facilitar a composição das imagens,  visto que é uma forma com a mesma dimensão na largura e altura. Além disso, é fácil unir vários quadrados, evitar lacunas e orientá-los nos eixos vertical e horizontal.

É a mesma coisa que LEGO. As pequenas pecinhas estão disponíveis em diferentes formatos, mas a composição de retângulos só é possível com elementos que possuem arestas retas. Até existem peças em formato de círculo, mas elas não conseguem formar um retângulo perfeito.

 

No caso dos pixels é a mesma coisa. Caso eles tivessem o formato circular, seria muito difícil juntá-los lado a lado e compor uma imagem retangular. Talvez, poderia haver uma solução com a sobreposição de pixels (mas não há motivos para complicar algo que é fácil).

Conforme nota o site HowItWorks, os pixels até poderiam ser triangulares ou hexagonais, mas, em alguns casos, seria difícil completar a imagem. Não bastando isso, esses formatos diferentes requisitariam maior poder de processamento. Por fim, resta explicar que o quadrado foi adotado para facilitar a reprodução dos pixels em diferentes aparelhos.

3. O que é o subpixel? Quais tipos de arranjos existem?

Virtualmente falando, o pixel é o menor elemento da imagem. Todavia, ele é somente a superfície do todo. Atrás do que você vê na tela do seu gadget, há uma série de camadas programadas para trabalhar o pixel nos mínimos detalhes.

Um display de smartphone, por exemplo, conta com uma camada para interpretar os comandos de toque, outra para proteção, uma para iluminação e assim por diante. No meio dessas camadas, há uma série de componentes minúsculos que geram os subpixels.

Os subpixels são os responsáveis por indicar a iluminação e cor específica do pixel, mas eles não funcionam de maneira idêntica em todos os aparelhos eletrônicos. Uma tela LCD, por exemplo, usa um arranjo na horizontal com três cores para cada pixel. Aliás, a maioria dos dispositivos que usa o padrão RGB conta com essa mesma matriz.

RGB (esquerda) e PenTile (direita) 

Além desse arranjo clássico, um que é muito comum em diversos smartphones é o PenTile (novidade que gerou polêmica no Galaxy S3). As principais mudanças nesta matriz estão na ordenação, no tamanho e no formato dos subpixels.

Tirando essas duas tecnologias, alguns outros aparelhos eletrônicos apostam em arranjos diferentes. É o caso dos monitores CRT que possuem um arranjo diferenciado, o qual apresentava bons resultados para a tecnologia da época. As alterações nesses padrões são realizadas principalmente para melhorar a qualidade de imagem e reduzir o consumo energético.

4. Como cabem mais pixels em espaços iguais ou menores?

Uma das grandes tendências dos smartphones mais recentes é a capacidade do display para trabalhar com a resolução Full HD (1920x1080 pixels). A mesma tela de 4,7 polegadas que antes reproduzia imagens em HD (1280x720 pixels) agora pode exibir muitos pixels a mais, o que resulta em imagens mais nítidas. Como isso é possível?

O mesmo tamanho de tela, resoluções diferentes 

Como já comentamos, o pixel não tem uma medida física definida. As dimensões reais dele variam conforme o display em questão (tanto pela tecnologia quanto pelo espaço disponível). A grande sacada nos novos aparelhos é reduzir o tamanho de reprodução do pixel — algo que exige maior poder do chip gráfico e uma tela com capacidade para exibir a imagem —, garantindo que mais pixels caibam na mesma área.

Visivelmente falando, é como se os pixels tivessem seu tamanho físico reduzido. Sem pegar um modelo específico, mas apenas fazendo uma comparação teórica, podemos presumir que o mesmo pixel que antes tinha 0,1 mm agora mede — e ocupa — apenas 0,067 mm.

Essa capacidade de comportar mais pixels em uma mesma região é o que chamamos de densidade, ou seja, a concentração de pixels em um mesmo espaço. Um display gigante (de uma televisão) com resolução Full HD exibe pixels de tamanho maior e concentra menos pixels por polegada se comparada com um vistor pequeno (de um celular). Veja alguns exemplos:

• Tela de 55” Full HD: 40 ppi (ou 16 ppcm)
• Tela de 42” Full HD: 52 ppi (ou 20 ppcm)
• Tela de 24” Full HD: 92 ppi (ou 36 ppcm)
• Tela de 15,6” Full HD: 141 ppi (ou 56 ppcm)
• Tela de 5,7” Full HD: 368 ppi (ou 145 ppcm)
• Tela de 5” Full HD: 441 ppi (ou 174 ppcm)
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Como você pode ver, a densidade da tela de um Galaxy S4 (com display de 441 ppi) é muito elevada, o que garante a nitidez absurda na reprodução de conteúdos. Vale notar, contudo, que apesar das densidades menores as telas grandes foram projetadas para diferentes usos, o que na prática pode significar resultados similares.

 

Você não vai ficar a 10 centímetros de distância de uma tela de 55 polegadas, pois não seria possível visualizar todo o conteúdo exibido. Conforme as recomendações das fabricantes, a melhor forma de aproveitar a imagem em uma tela desse tamanho é se posicionar entre 2 a 4 metros distância do aparelho.

Quando você fica a uma distância dessas, a tendência é que, fisicamente, os pixels diminuam de tamanho e mais pixels fiquem concentrados em uma mesma região. Isso não aumenta a densidade real do display, mas é uma forma de enganar um pouco a visão do espectador e compensar a baixa densidade da tela.

5. Por que os pixels nas câmeras de smartphones têm tamanhos diferentes?

Para finalizar nosso artigo, vamos falar da questão dos pixels em câmeras de smartphones. Esse assunto ganhou os holofotes quando a HTC anunciou que o HTC One teria um sensor CMOS com pixels de 2,0 mícron. Agora, a Apple anunciou que o sensor (fabricado pela Sony) do iPhone 5S tem pixels de 1,5 mícron.

 

Jogando o Lumia 1020 na comparação (que tem um sensor com pixels de 1,1 mícron), o consumidor acaba tendo quase certeza de que a redução no tamanho do pixel é algo vantajoso. Mas será que quanto menor for o pixel melhor será a qualidade? Ou o raciocínio contrário é o correto?

Bom, primeiro é preciso pensar que variações pequenas no tamanho do pixel e uma diferença absurda na quantidade de pixels capturados geram resultados absurdamente diferentes. Comparando apenas imagens lado a lado, qualquer um diria que as imagens do Lumia são melhores (algo que as pessoas poderiam concluir devido ao tamanho absurdo da imagem).

A primeira coisa que devemos esclarecer é o porquê da mudança no tamanho do pixel. Na verdade, as companhias vêm investindo em melhorias no sensor para garantir que a captura de imagens em baixas condições de iluminação apresente melhor qualidade. Basicamente, quanto maior é o pixel, mais luz por pixel será capturada e menor será a quantidade de ruído.

 

Então, quer dizer que o HTC One tem a melhor qualidade? Não é bem assim. Conforme as informações do site ClarkVision, a imagem tende a ter melhor qualidade quando o pixel é maior. No entanto, para entender essa questão, não basta simplesmente pensar na questão do tamanho do pixel. Novamente, a qualidade cai em um conceito muito parecido com que existe na densidade de pixels nos displays.

Aqui, quanto mais pixels forem capturados (aquele valor em megapixels) e quanto maior o tamanho do pixel (que indica a presença de um sensor maior), melhor tende a ser a qualidade da foto. O fator CFSFM (algo como o Número de Valor Completo do Sensor da Câmera) surge da multiplicação desses dois valores. Esse dado pode dar uma ideia mais clara de qual sensor é melhor, mas ele ainda não pode ser o único fator de comparação. Veja alguns exemplos:

• Pentax 645D: 40,4 MP – pixel de 6,0 mícron – CFSFM de 242
• Nikon D4: 16,2 MP – pixel de 7,3 mícron – CFSFM de 118
• Canon 1D Mark II: 8,2 MP – pixel de 8,2 mícron – CFSFM de 67
• Nokia Lumia 1020: 41 MP – pixel de 1,1 mícron – CFSFM de 45,1
• iPhone 5S: 8 MP – pixel de 1,5 mícron – CFSFM de 12
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Claro, além dessa questão dos pixels, há diversos outros fatores (profundidade de cores, abertura da lente, sensibilidade, capacidade de trabalhar com ruído e outros) em jogo que impossibilitam comparações simples entre câmeras.

Ampliar Qual imagem é a melhor? O mícron faz tanta diferença?

A verdade é que cada celular (com seu sensor) possui deficiências e não é possível ser bom em todas as situações, mas definitivamente não adianta pensar apenas no tamanho do pixel para determinar qual é o “melhor”.

Bom, esperamos que esses esclarecimentos tenham sanado algumas de suas dúvidas. Você gosta de artigos sobre fotografia e imagem? Gostaria de ver mais conteúdo no site? Deixe seu comentário!

Fonte: The New York Times, ClarkVision, HowItWorks, SPhoto