Lunetas, Macros e Microscópios Digitais de Baixo Custo na Fotografia e Fotogrametria 3D¶
Cicero Moraes 3D Designer, Arc-Team Brazil, Sinop-MT
Rodrigo Dornelles Cirurgião Plástico, Núcleo de Plástica Avançada - NPA, São Paulo-SP
Everton da Rosa Cirurgião BMF, Hospital de Base, Brasília-DF
DOI |
Com o advento das tecnologias de captura digital nos dispositivos de comunicação como celulares e smartphones houve um grande incremento na geração de fotos nos últimos anos. No entanto, o fato de ter à disposição a tecnologia, não significa que ela forneça soluções para todos as forma de capturas como fotos muitos distantes ou muito próximas. Pensando em contornar essas limitações, o presente trabalho fornece soluções acessíveis a parte considerável dos proprietários de dispositivos de captura de modo a aumentar a potencialidades dos mesmos para observar desde objetos distantes até elementos microscópicos mais finos do que um fio de cabelo.
Importante
Este material utiliza a seguinte licença Creative Commons: Atribuição 4.0 Internacional (CC BY 4.0).
Equipamentos¶
Smartphone¶
Smartphone da Marca Samsung, modelo Galaxy A70 [Sam20] com tomadas fotográficas de 4032x2268 px.
Lente de Mira¶
Fotografias tiradas com lente de mira sobre a lente de um smartphone.¶
Lente convexa de mira extraída de uma antiga máquina fotográfica.
Como Montar o Dispositivo¶
Etapas da configuração da lente macro utilizando uma mira de câmera antiga.¶
Retire o dispositivo de mira de uma câmera digital antiga;
Retire a lente côncava;
Recorte um pequeno pedaço de papel com a grossura compatível com a capa de um caderno. Recorte um retângulo um pouco menor que a lente;
O papel deve ser usado para conter a lente no celular;
Retire a capa protetora do celular, coloque a lente da mira sobre a lente da câmera do celular. Em seguida cubra a mesma com o papel e recoloque a capa do celular de modo a conter o papel e a câmera. Faça pequenos ajustes, se necessário.
Dica
Caso não use capa para smartphone a fixação poderá ser feita com fita adesiva.
Prós¶
Moeda digitalizada em 3D por fotografias (fotogrametria). Malha sem textura, sólido + textura e apenas textura.¶
Por ser reaproveitamento de um equipamento antigo não há custos em sua obtenção.
Apresentou resultados muito superiores ao da lente de macro pertencente ao conjunto adquirido junto com a luneta que será abordada mais adiante.
Funciona para digitalização 3D por fotos (fotogrametria).
Contras¶
Não é tão simples de montar e desmontar como as lentes adaptáveis para smartphone.
As fotos saem borradas com relativa facilidade sendo necessária a captura de várias tomadas de modo a selecionar as melhores.
Dica
Caso não disponha de uma máquina antiga, é possível utilizar uma lente de DVD para a confecção de um macro [Cir20].
Lente de Câmera Digital Antiga¶
Frames de vídeos capturados com microscópio de lente de máquina digital antiga. Perna de uma aranha, olho de uma vespa, antena de uma vespa e olho de uma formiga.¶
Lente extraída de uma antiga câmera digital.
Como Montar o Dispositivo¶
Etapas da configuração de um microscópio utilizando uma lente de câmera antiga.¶
Retire a lente de uma câmera digital antiga.
Para a colocação da lente pode ser usado um adaptador, como no exemplo, ou a fixação pode ser feita com massa de modelar atóxica.
Posicione a lente na abertura do adaptador.
Fixe o adaptador no smartphone de modo que a lente fique em uma posição invertida em relação a original, ou seja, a parte de dentro da lente precisa estar necessariamente para fora.
Prós¶
A ampliação funciona e é efetivamente grande.
Por ser reaproveitamento de um equipamento antigo não há custos em sua obtenção.
Luneta 10x¶
Imagens de objetos distantes capturadas com a luneta de 10x de ampliação.¶
Luneta monóculo adaptável para smartphone, sem marca, com amplicação de 10 vezes (segundo o vendedor) [Liv20a].
Faixa de preço: R$ 59,99 (+frete).
Prós¶
Sequência de fotos tomadas a alguns metros (+- 4,00m) e digitalização 3D por fotogrametria.¶
É possível utilizar na digitalização 3D por fotogrametria.
O adaptador torna a colocação e retirada relativamente simples.
É possível olhar diretamente pela luneta, sem a necessidade de um dispositivo eletrônico.
Contras¶
A luneta precisa estar bem apoiada, caso contrário a imagem capturada terá grande chance de sair borrada.
Se não for bem encaixada no adaptador pode se perder pequenas áreas na extremidade, posto que há um escurecimento pela projeção circular da estrutura.
Há a necessidade de se ter cuidado com a colocação do adaptador sob pena de trincar a película sobre a tela do smartphone, o mesmo pode acontecer com a parte inferior do aparelho (tampa), por isso é importante sempre utilizar uma capa protetora.
Microscópio 60X-100X¶
Microscópio 60-100x: Digital, trama de tecido, cabelos, reboco de parede e inseto capturado por uma aranha.¶
Microscópio adaptável para smartphone, sem marca, com amplicação de 60 a 100 vezes (segundo o vendedor) [Liv20d].
Faixa de preço: R$ 63,90 (+frete).
Prós¶
Utiliza a captura da câmera do smartpone resultando em imagens de alta resolução.
Conta com duas lâmpadas disponíveis em sua estrutura: led simples e ultravioleta.
O modelo utiliza pilhas AAA, amplamente disponíveis em pequenas vendas e mercados.
O adaptador torna a colocação e retirada relativamente simples.
Contras¶
O microscópio precisa estar bem apoiado, caso contrário a imagem capturada terá grande chance de sair borrada.
É relativamente fácil perder o foco do objeto observado.
Não foi possível, até o fechamento desse material proceder com digitalização 3D por fotos (fotogrametria) utilizando o equipamento.
Microscópio USB 1000x¶
Capturas efetuadas com o microscópio USB de 1000x de ampliação.¶
Microscópio USB, sem marca, com aumento de 1000x (segundo o vendedor) [Liv20c].
Faixa de preço: R$ 82,99 (+frete).
Prós¶
Imagem em alta resolução (à direita) criada a partir de uma série de pequenas capturas.¶
Estrutura simples de ser organizada.
Como gera fotografias praticamente ortográficas (sem deformação de perspectiva) é possível fazer várias capturas e criar um mosaico que resulta em uma imagem de alta resolução. Para tal pode-se utilizar programas geradores de panoramas como o Hugin [Hug20].
Luz embarcada no dispositivo, o que permite ao usuário controlar a iluminação; Pode ser utilizado na documentação de manchas na pele ao longo de um período, sempre com a mesma iluminação.
Contras¶
Por conta do seu sensor, as imagens e vídeo gerados são feitos em baixa resolução: 640x480 pixels. Ainda que o aplicativo permita que se capture e grave em outros formatos e ainda que os vendedores informem que a captura seja de 2MP as dimensões reais são: 640x480 pixels, logo, 0.307 MP.
Como as imagens geradas são praticamente ortográficas, ao se tentar digitalizar em 3D o objeto resultante é um plano texturizado e não uma estrutura tridimensional com volume.
Microscópio USB 1600x¶
Capturas efetuadas com o microscópio USB de 1600x de ampliação. Cabelo preso ao couro cabeludo (à esquerda), fio de cabelo branco (ao centro) e raiz de um cabelo (à direita).¶
Microscópio USB, sem marca, com aumento de 1600x (segundo o vendedor).
Faixa de preço: R$ 109,00 (+frete).
Prós¶
Todos os descritos no modelo de 1000x.
Contras¶
Todos os descritos no modelo de 1000x.
Apesar de prometer um aumento de 60% em relação ao modelo de 1000x o real aumento é de 44,73% (ver na sequência do documento o levantamento da ampliação).
Luneta 40x¶
Imagens capturadas com o telescópio de 40x.¶
Luneta monóculo 60x360 da marca J.W.S., adaptável para smartphone e com aumento de 40x (segundo o vendedor) [Liv20b].
Faixa de preço: R$ 249,95 (+frete).
Prós¶
É possível olhar diretamente pelo telescópio, sem a necessidade de um dispositivo eletrônico.
O foco é bem desenhado e a sua operação intuitiva.
Contras¶
O adaptador não oferece uma boa fixação para o smartphone prejudicando o alinhamento da lente da câmera. O usuário precisa fazer constantes readaptações para alinhar os dispositivos corretamente.
Por conta do adaptador não fixar bem o smartphone é comum desalinhar as lentes ao tentar focar um objeto.
Calculando a Ampliação dos Equipamentos¶
No site de venda dos produtos abordados no início deste material, os vendedores informam as supostas ampliações dos mesmos. Tomamos como base essas informações para nomear cada um dos equipamentos.
Buscando mensurar e compreender a ampliação descrita pelos vendedores para descrever os produtos, utilizamos duas abordagens neste material: Fator de Redimensionamento e Fator de Ampliação.
Em face da constante confusão em relação às descrições, segue uma explanação didática para uma melhor compreensão.
Redimensionamento de duas vezes em uma tela fullHD resultando em uma tela 4K.¶
Imagine o leitor que temos em nossa frente uma TV full HD (à esquerda), ou seja, a tela do dispositivo transmite imagens de 1920x1080 pixels.
Se pudéssemos ampliar as dimensões da TV em 2 vezes (ao centro) mantendo como referência os pixels do mesmo tamanho, teríamos as seguintes dimensões:
1920 x 2 = 3840
1080 x 2 = 2160
As dimensões são: 3860 x 2160 ou seja, temos o formato 4K (à direita). Como foi redimensionado, o Fator de Redimensionamento do 4K em relação ao full HD é 2.
Mas, e o Fator de Ampliação?
Divisão de uma tela 4K resultando em 4 telas full HD.¶
Para compreendermos esse conceito basta dividirmos a tela do 4K em 4 partes, traçando duas linhas perpendiculares aos centros da vertical e horizontal do aparelho (centro).
Ao mensurar os pixels de cada retângulo temos o valor de 1920 x 1080 (à direnta), ou seja, o Fator de Ampliação do 4K em relação ao full HD é 4.
Calculando os Fatores de Redimensionamento e Ampliação dos Equipamentos¶
O cálculo dos fatores foi feito pelas seguintes fórmulas:
Dimensão Ampliada ÷ Dimensão de Referência = Fator de Redimensionamento
(Fator de Redimensionamento)² = Fator de Ampliação
Calculando a Ampliação com Imagens Digitais¶
Um exemplo são os cálculos dos fatores relacionados à lua. Foi tomado como referência uma fotografia tirada sem ampliação. Como a unidade mais óbvia da imagem digital é o pixel, ele foi utilizado para a mensuração.
Levantamento das ampliações da lua.¶
As distâncias foram traçadas no software Inkscape [Ink20], por conta disso a medida de referência apresenta valores decimais: 79,552.
A lua ampliada pela luneta de 10x (ao centro) apresentou o valor de 394,688 pixels, ao jogar na fórmula temos os seguintes valores:
Dimensão de Referência: 79,552
Dimensão Ampliada: 394,688
394,688 ÷ 79,552 = 4,961383748
O Fator de Redimensionamento, simplificado, é: 4,96
Aplicando a outra fórmula teremos o seguinte valor:
4,96² = 24,6016
O Fator de Ampliação é: 24,60x. Logo, a luneta que ampliaria 10x, amplia na verdade 24,60x.
Aplicando a mesma lógica no telescópio teremos os seguintes valores:
Fator de Redimensionamento: 7,27
Fator de Ampliação: 52,85x
Ou seja, o telescópio que ampliaria 40x na verdade amplia 52,85x.
Calculando a Ampliação pela Projeção Visual¶
Etapas do cálculo da ampliação por projeção visual.¶
1 - O observador (LE) se posicionou frente a uma estrutura de vidro temperado observando um objeto a distância. O objeto a distância (OD) projetou-se no vidro (PD) com uma dimensão significativamente menor do que o real.
2 - Para poder mensurar a ampliação o observador precisou mirar o objeto com os dois olhos abertos. Enquanto um dos olhos (LE) simplesmente focou o objeto naturalmente, com uma das mãos o observador empunhou uma luneta e a levou ao outro olho (LR). Assim, cada olho enxergou uma imagem da placa: uma sem e outra com ampliação.
3 - Mantendo uma distância de quase um braço do vidro e com um pincel marcador na outra mão, o observador inicialmente precisou alinhar as duas imagens em um dos lados para facilitar o traçado de projeção. Uma vez satisfeito o alinhamento, foram traçadas duas linhas correspondentes a projeção dos limites horizontais da placa menor ( A1 e A2), depois duas linhas correspondentes aos limites horizontais da placa maior (B1 e B2). Na verdade na placa maior bastou traçar um dos lados, posto que o outro estava alinhado e seria apenas a extensão do traçado anterior (A2).
4 - O observador repetiu o traçado das linhas, mas com um telescópio de maior ampliação, resultando evidentemente em uma distância maior (C1 e C2) do que a anterior (B1 e B2).
5 - Os traçados resultaram em espaços correspondentes as dimensões do objeto visto pela visualização natural sem luneta (PD-A), com a luneta de menor ampliação (PD-B) e com o telescópio de maior ampliação (PD-C).
Os testes foram repetidos por várias vezes resultando nos seguintes valores para o fator de redimensionamento e ampliacao:
Luneta 10x: 4,93 - 24,30x
Telescópio 40x: 7,34 - 53,87x
Os resultados do modo visual não diferiram significativamente daqueles extraídos pela abordagem digital:
- Luneta 10x:
Digital: 4,96 - 24,60x
Visual: 4,93 - 24,30x
- Telescópio 40x:
Digital: 7,27 - 52,85x
Visual: 7,34 - 53,87x
Calculando a Ampliação da Macro e dos Microscópios¶
Para fazer a comparação da macro e dos microscópios a imagem de referência foi fotografada a 25 cm do gabarito gráfico que acompanha os microscópios USB. A distância corresponde a média que um olho humano necessita para focar um objeto [Edu20].
Comparação dos milímetros em cada observação capturada.¶
Para a comparação optou-se por utilizar um milímetro de cada captura, presente nas extremidades do quadrado de 10x10 milímetros. Dentro do quadrado cada milímetro ainda foi subdividido em 10 partes resultando em um nível detalhamento impossível de ser visualizado a olho nu.
Para levantar o valor da Dimensão de Referência da fotografia base, foi necessário mensurar um lado do quadrado e dividí-lo por 10.
A lente macro criada com uma lente de mira pode ampliar objetos até 140,90x (limite do foco).
O microscópio que é apresentado com ampliação de 60 a 100 apresentou ampliação de 3042,62x, um número bem acima do esperado e que se deve a resolução da captura da câmera do celular, posto que o dispositivo a utiliza para gerar imagens. Em celulares com menos resolução esse valor seria, evidentemente, inferior.
O microscópio criado com a lente de uma câmera digital antiga apresentou a maior ampliação com o valor de 3521,23x, mas é perceptível a dificuldade do foco, já que vemos a imagem levemente borrada.
A microscópio de 1000x chegou a quase 92% desse valor, dentro do esperado e compatível com a informação fornecida pelo vendedor: 917,48x.
A microscópio de 1600x chegou a quase 83% deste valor: 1327,87x.
Comparação entre a captura do microscópio de 60-100x e o de 1000x.¶
Para entender a situação da resolução da câmera, basta alinharmos a imagem gerada pelo microscópio de 60-100x com o de 1000x. A imagem gerada pelo primeiro dispositivo é tão grande em relação à outra que a engloba dentro da captura (parcial, posto que é um círculo completo) e ainda sobra muito espaço.
Comparação entre todos os microscópios ao observar grãos de areia.¶
Isso não significa necessariamente que a imagem maior tenha mais resolução que as menores, mas apenas que a captura tem mais pixels.
Testes com Pipe de Telescópios¶
Aproveitando a disponibilidade dos equipamentos foram implementados alguns testes alinhando uma luneta com o telescópio e um telescópio com outro.
Diferentes ampliações de uma flor com lentes individuais e juntas em pipe.¶
Inicialmente observou-se uma flor a curta distância (mais ou menos 4,50 m) e os resultados foram as seguintes ampliações:
Luneta de 10x: 30,25x
Telescópio de 40x: 59,91x
Luneta + Telescópio: 1723,91x
Diferentes ampliações de um mortor de abertura de portão com lentes individuais e juntas em pipe.¶
Posteriormente observou-se um motor de abertura de portão à distância de mais ou menos 30 metros e os resultados foram as seguintes ampliações:
Luneta de 10x: 26,31x
Telescópio + Telescópio: 3.414,57x
Luneta + Telescópio + Telescópio: 81.687,36x
A partir do momento que o pipe com três equipamentos foi efetuado, uma série de ruídos pontuaram pela lente final, muito provavelmente se tratam de elementos minúsculos que se ampliaram ao passar por várias lentes. Além deles também notam-se listas ao longo da saída de visão, bem como notórias aberrações cromáticas (desfoque azul e vermelho).
Ao que tudo indica há uma ampliação diferente para curtas distâncias, posto que a luneta amplia em média 24x enquanto o telescópio amplia 53x e respectivamente os dois ampliaram 30x e 60x em curta distância.
Antena observada com lente individual e juntas em pipe.¶
Ao capturar um objeto distante a mais ou menos 60 metros a ampliação da luneta se compatibilizou com a média, no entanto, a ampliação do pipe com os dois telescópios sofreu redução em relação ao motor, indo para 2.599,98x.
Lua observada com lente individual e juntas em pipe.¶
Ao capturar a lua, que está a 384.400 Km da Terra [UFR20] a ampliação do telescópio se compatibilizou com a média e a ampliação do pipe se compatibilizou com a torre, chegando a 2.693,61x.
Prós¶
Permite uma ampliação amplamente superior aos dispositivos separados.
Apresenta uma boa qualidade quando se observa diretamente com o olho.
Contras¶
A menos que a estrutura que segure os dispositivos seja bem montada, o alinhamento das lentes se perde com facilidade.
As imagens capturadas na lente por via digital costumam ter baixíssima qualidade quando comparadas com a observação direta feita com o olho.
Conclusão¶
Os equipamentos testados oferecem um bom resultado frente ao custo de cada um e na maioria das vezes cumpriram com as designações descritas pelos vendedores.
Caso o indivíduo não possua recursos para adquirir alguns dos dispositivos, existe a possibilidade de criar alternativas com peças antigas, como no caso da lente macro e do microscópio.
Todos os problemas apresentados, como a falta de foco e a baixa resolução da captura das imagens podem ser contornados, ou com uma estrutura desenvolvida pelo usuário ou mesmo com um software, como o exemplo da montagem dos panoramas, resultando em imagens de alta resolução. O que definirá qual dispositivo adquirir será, evidentemente, a necessidade do usuário.
Imagens e Exemplos¶
Cabeça de uma formiga gerada com várias capturas do microscópio USB 1000x.¶
Várias capturas de uma vespa efetuadas com o microscópio USB 1000x.¶
Corpo de uma vespa gerado com várias capturas do microscópio USB 1000x.¶
Asa de uma vespa gerada com várias capturas do microscópio USB 1000x.¶
- Can20
CanalTech. Aprenda a construir um microscópio caseiro utilizando uma webcam. 2020. URL: https://bit.ly/2ECdn7F.
- Cir20
Instructables Circuits. Lente macro para celular (lente do laser dvd). 2020. URL: https://bit.ly/2ECdn7F.
- Edu20
Mundo Educação. Acomodação visual. 2020. URL: https://mundoeducacao.uol.com.br/fisica/acomodacao-visual.htm.
- Hug20
Hugin. Hugin - panorama photo stitcher. 2020. URL: http://hugin.sourceforge.net/.
- Ink20
Inkscape. Drawfreely. 2020. URL: https://inkscape.org/.
- Liv20a
Mercado Livre. Lente celular universal 4in1 telescopica zoom 10x. 2020. URL: https://bit.ly/2DiOwoD.
- Liv20b
Mercado Livre. Luneta monoculo aumento 40x espião. 2020. URL: https://bit.ly/312bloX.
- Liv20c
Mercado Livre. Microscópio digital usb 1000x. 2020. URL: https://bit.ly/2Divq1W.
- Liv20d
Mercado Livre. Microscópio lupa 60x a 100x. 2020. URL: https://bit.ly/315uPZE.
- Sam20
Samsung. Galaxy a70. 2020. URL: https://www.samsung.com/br/smartphones/galaxy-a70-a705/SM-A705MZKJZTO/.
- UFR20
CREF - UFRGS. Qual é a distância entre a terra e a lua? 2020. URL: https://www.if.ufrgs.br/novocref/?contact-pergunta=qual-e-a-distancia-entre-a-terra-e-a-lua.