O Efeito Rolling Shutter

Vamos entender um interessante efeito de ilusão de óptica. Veja ao lado. As pás da hélice do avião aparentam estar soltas no ar. Este é um tipo de distorção em filmagens feitas com câmeras digitais que utilizam sensores do tipo CMOS.

Diferente dos sensores do tipo CCD, eles não fazem a leitura da imagem de uma só vez, mas através de uma varredura, produzindo um efeito que ficou conhecido como Rolling Shutter.
Pelo fato de as câmeras digitais estarem usando cada vez mais os dispositivos CMOS, por serem mais baratos e por gastarem até 100 vezes menos energia do que os CCD, poupando com isso as baterias, acredito que este efeito se tornará cada vez mais popular, e pode ocorrer não só nas filmagens como também nas fotografias. Veja:

Hélices de um avião que parecem ter sido amolecidas pelo calor. (fonte: Flickr)

Note que as pás do rotor do helicóptero parecem ter sido "penteadas" para trás. (fonte: Wikipedia)

No caso do iPhone 4 as imagens são capturadas desde o canto superior esquerdo até ao canto inferior direito. - See more at: http://www.kerodicas.com/geral/artigo=37252/#sthash.hj57cEJb.dpuf

A varredura dos sensores CMOS pode ser feita de várias maneiras, de cima para baixo, esquerda para a direita ou, por exemplo, no caso do iPhone 4, na diagonal, desde o canto superior esquerdo até o canto inferior direito. Quando o objeto está se movimentando muito rapidamente, dependendo da frequência de rotação, no caso específico das hélices, e da frequência de varredura, surgirão ocasionalmente estas distorções. Vou usar uma animação da Wikipedia para entendermos um pouco melhor.

Nesta varredura, em 24 frames, feita na horizontal e de cima para baixo, um disco multicolorido em rotação é "filmado", ou poderia ser "fotografado" como se fosse, por exemplo, a hélice de um avião. Cada fresta corresponde a um frame, numerado de 1 a 24. Note no final a grande distorção que ocorre na imagem obtida do disco. Assim funcionam os sensores CMOS. Já nos sensores CCD não ocorre este efeito, porque a imagem é obtida como um quadro completo e de uma só vez.

O vídeo a seguir mostra bem nitidamente que esta distorção depende da frequência da filmagem. No caso, o efeito é obtido mais claramente quando a frequência da câmera chega a 4.000 frames por segundo.

Outro vídeo que também achei muito interessante, em que se nota o efeito nas lâminas, é este a seguir, de uma pessoa tocando um instrumento africano, conhecido como Kalimba.

Fontes:
http://www.kerodicas.com/geral/artigo=37252/
http://eletronicos.hsw.uol.com.br/questao362.htm (Comparações entre os sensores CMOS e CCD)
http://en.wikipedia.org/wiki/Rolling_shutter

Gifs animados

Resolvi fazer aqui uma seleção de 5 gifs bem legais que encontrei na internet.

1- Sempre na fila errada

Quem não passou algum dia por uma situação semelhante, em uma fila de banco, do tempo em que ainda não usavam fila única (e pensar que fui office boy nesta época), ou nos supermercados. No caso dos supermercados, costumo dar uma rápida analisada nos tamanhos das filas dos caixas para escolher aquela que teoricamente seria a menos demorada, pela quantidade de pessoas e também pelos volumes dentro dos carrinhos. De repente, a fila que escolhi trava por qualquer motivo. Fica difícil disfarçar a raiva que sinto de mim mesmo, vendo as outras filas seguindo seus ritmos normal.

2- Chave e tambor
Esta animação mostra claramente o princípio de funcionamento de um tipo comum de chave com tambor. Um aluno meu até comentou que ele tinha levado um bom tempo para aprender este processo de funcionamento, com várias explicações do professor de um curso técnico. Depois que viu esta imagem, o aluno entendeu seu funcionamento facilmente..

Assim fica bem fácil de entender.

3- Lançamento oblíquo
Uma das matérias de Física mais difíceis de serem entendidas no ensino médio é o lançamento oblíquo. O movimento deve ser estudado como a decomposição de dois movimentos, um na horizontal e outro na vertical. Note na animação que o vetor componente horizontal da velocidade (seta horizontal vermelha) permanece sempre com a mesma intensidade, o que caracteriza um movimento uniforme. Já, o vetor componente vertical (seta vertical vermelha) varia sua intensidade, o que caracteriza um movimento uniformemente variado.

Vetores mostrando as componentes da velocidade.

4- Ilusão de óptica
Coloque a imagem abaixo no centro da tela. Fixe seus olhos somente no ponto verde central. Esqueça os outros pontos da imagem e não deixe em nenhum momento que seus olhos se desviem do ponto verde. Veja que depois de alguns instantes os pontos amarelos parecem ter sido apagados.

5- Matemática

Este gif é para os leitores que gostam de matemática. Ele representa uma forma original de representar a operação de multiplicação, usando retas. Note que o processo para obter o resultado final é bem semelhante ao que usamos na prática, quando, por exemplo, ao fazermos a multiplicação de 123 por 25. A primeira soma dá 15, colocamos o 5 embaixo e aplicamos o famoso "vai um" que será acrescentado na soma seguinte. Achei criativo.

Os brasileiros que ajudaram Einstein

O eclipse total do Sol, ocorrido em 29 de maio de 1919, e observado no céu da cidade de Sobral, no estado de Ceará, foi usado para confirmar, com a ajuda de dois astrônomos ingleses, Andrew Crommelin e Charles Davidson, juntamente com uma equipe de colaboradores brasileiros, um fenômeno previsto na teoria proposta em 1915 por Einstein.

Os colaboradores brasileiros com os ingleses, Crommelin ( círculo vermelho) e Davidson (círculo azul).

A Teoria da Relatividade Geral previa que a luz, ao passar nas proximidades de um intenso campo gravitacional de um corpo massivo, sofreria um desvio em sua trajetória.
Através das fotos do eclipse daquele dia e após análises posteriores feitas por um conceituado grupo de cientistas, houve a comprovação do efeito previsto, e a partir daí, Einstein passou a desfrutar de maior credibilidade na comunidade científica, tornando-se cada vez mais reconhecido e famoso.

Como medir o desvio?

Devido às grandes dimensões exigidas para a verificação prática do desvio da trajetória da luz, Einstein imaginou que para uma comprovação experimental seria preciso obter duas fotografias, uma de um campo de estrelas atrás do corpo massivo, e outra do mesmo campo de estrelas sem a presença do corpo massivo. Comparando as duas fotografias, as estrelas vistas mais próximas da borda desse corpo deveriam apresentar uma pequena diferença de posição.
No entanto, caso o Sol fosse usado como corpo massivo, haveria uma outra dificuldade causada pela sua luminosidade, o que ofuscaria a luz das estrelas vistas próximas de sua borda, impedindo assim que elas fossem fotografadas. Diante disso, obter tais fotografias com o Sol entre as estrelas, mas sem a sua luz ofuscando-as seria possível em apenas uma única circunstância: durante um eclipse total.
Veja a figura abaixo que eu montei. A luz de uma estrela desvia-se, fazendo com que sua posição aparente, vista da Terra, seja alterada em relação à sua posição real. A Lua está posicionada exatamente na linha formada entre o Sol e o nosso planeta, definindo uma estreita região de sombra na Terra onde é possível verificar o eclipse total. No eclipse de 1919, em determinado instante do dia 29 de maio, o ponto correspondente à cidade de Sobral estaria exatamente dentro desta região.

Desvio de um raio de luz proveniente de uma estrela, ao passar próximo ao Sol. (Distâncias e tamanhos fora de escala)

A comprovação

Em Julho de 1919, dois meses após o eclipse, os dois astrônomos ingleses retornaram à Sobral para fotografar o mesmo campo de estrelas, desta vez sem a presença do Sol.
O cálculo do desvio previsto por Einstein não foi um processo simples. Em todas as placas fotográficas reveladas, as estrelas não estavam suficientemente próximas do Sol. (Veja ao lado uma das imagens obtidas no Brasil). Além disso, as placas de Sobral revelaram um desvio médio de apenas 0,97 segundos de arco, o que, levando em consideração os erros de medida devido à baixa qualidade das imagens e aos efeitos de refração da atmosfera, correspondia aos valores calculados pela teoria gravitacional de Newton, e não à teoria de Einstein.

O chefe das missões que patrocinou a vinda dos astrônomos ingleses ao Brasil, e que fez parte de outra missão de observação em um outro local da Terra onde também ocorreria o eclipse total, na Ilha de Príncipe, na costa ocidental da África, era um cientista inglês que defendia entusiasticamente a Teoria da Relatividade Geral: Arthur Stanley Eddington.
Eddington teria então privilegiado as medidas dos desvios que favoreciam a Teoria de Einstein, afirmando que todas as medidas obtidas acima do valor "newtoniano", que correspondia a 0,87 segundos de arco, somente poderiam ser explicadas pela teoria de Einstein.

No dia 6 de Novembro de 1919, Eddington divulgou os resultados, concluindo que as observações comprovavam as previsões de Einstein. A partir deste instante, a Teoria da Relatividade Geral passou a ser mais aceita, e popularizou cada vez mais a figura do seu gênio criador. Pode-se dizer que isto se deveu em parte à dedicada colaboração de alguns cientistas e astrônomos brasileiros, bem como dos anfitriões habitantes da cidade de Sobral, que muito bem acolheram e ajudaram os astrônomos ingleses na obtenção das fotos do eclipse.

Fontes:
http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol6/Num1/eclipse.pdf
http://www.observatorio.ufmg.br/pas16.htm

O Efeito Rolling Shutter

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