Pixel 4為什麼能用夜拍捕捉銀河?Google的長曝光、照片合成與景物識別

2019.12.02 02:49PM
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照片中提到了Google Pixel 4,跟谷歌有關,包含了手機、手機、移動電話、手機配件、牆紙

Google發表的新手機Pixel 4功能有不少升級,不只是雷達感應手勢操作,還將Pixel 3的相機拍照功能再強化,在夜晚景物之外甚至能拍攝到整片星空。Google Pixel 4相機搭載雙鏡頭模組,力求達到「所見即所得」的效果,盡可能減少照片與實物之間的色彩差異。到底為什麼Google Pixel 4能拍攝銀河呢?Google日前發布了Pixel 4相機功能技術文章,至於擁有強大夜拍功能的Pixel 3可參考:解析Google Pixel相機原理 Pixel 3、Pixel 3a單鏡頭相機為什麼這麼強?

拉長曝光時間 15張照片疊合圖像

通常手機拍夜空的時候,因為星光太過微弱,手機的相機難以捕捉光線,導致照片上只看得見一片漆黑。因此Pixel 4除了加大光圈之外,也拉長了曝光的時間上限(也就是拉長快門時間),讓Pixel 4最多能有4分鐘的長曝光,鏡頭有足夠的時間捕捉微弱的光點。Pixel 3、Pixel 3a透過軟體更新則能有1分鐘的曝光時間。

照片中提到了f/1.8、OOO、f/2.8,包含了鏡頭光圈、攝影膠卷、f數、光圈、相機

▲光圈越大,能進入到鏡頭的光線越多,相反的如果光圈較小,能進入到鏡頭裡的光線就較少。光圈大小的數值以f值表示,而因為光圈數值位於分母,因此光圈越大,數值越小。如圖,f1.8的光圈要比f11大。(圖片來源:wiki)

雖然長曝光讓星光得以被鏡頭捕捉,但拉長曝光同時也會遇到許多問題,比如說感光元件過熱、手持不穩、或是星空隨著時間移動等等,每項都會影響到相片最終呈現的效果。其中,當CMOS(感光元件)過熱時,照片上會出現「熱像素」,讓原本沒有光點的地方出現紅點般的雜訊,而鏡頭的高感光度也會讓照片容易出現噪點。

名詞解釋:感光度ISO
感光度也稱為ISO,是對光線的敏感度,高ISO有助於在光線不足、無閃光燈的情況下拍攝。

照片中包含了晶須、沙特勒、歐洲短毛貓、晶須、小貓

▲長曝光、或是高感光度拍攝容易出現噪點。如上圖左方明顯的模糊顆粒,照片並不清晰。(圖片來源:家裡的貓)

為了解決雜訊的問題,Pixel 4並不只拍一張照片,而是在曝光的4分鐘中,將照片分為多個幀(Frame),也就是拍攝許多張照片,讓每張照片的曝光時間不那麼長。這些幀的曝光時間較短,模糊的部分也較少,Pixel 4再透過照片互相比對辨認,使用演算法將雜訊覆蓋過去,以獲得清晰的最終成果。

維持星點固定 每幀曝光最多16秒 

因為需要長時間曝光、拍攝,1張清晰的銀河照片Pixel 4需要大約4分鐘的時間進行拍攝與後製合成。然而,月亮和星星都是會移動的,如果單張照片的快門時間,也就是曝光時間過長,可能拍攝到的不是星點,而是星星移動的軌跡。為了避免拍攝成星軌,Pixel 4每幀最多16秒,16秒的曝光足夠Pixel 4捕捉到足夠的光,也同時讓星星看起來像光點。

照片中包含了天空、攝影、股票攝影、西表島、沖繩石垣

▲因為星星不停地在移動,因此如果曝光時間過長,無法拍攝到光點,只能有光線。圖為單幀2分鐘曝光中的模糊星空。(圖片來源:Google)

當然,如果想要更精細的照片,Pixel 4可以選擇拍攝更多的幀,有更多的資料比對讓照片更清楚。然而,拍攝與攝影師的耐心有關,Google表示很少人願意等待超過4分鐘以上的圖像,因此Pixel 4將單張照片限制為最多15幀,每幀最多16秒。

機器學習與圖像訓練 自動區分地景與星空

為了避免星光之外的景物變成過度曝光,Pixel 4透過機器學習與超過10萬張圖像訓練,會自動區分星空與景物,並且自動進行不同程度的疊合。Pixel 4能辨識天空與非天空的區塊,針對區塊選擇性地增加對比度、亮度,讓照片每一個部分都有合適的色彩。也因此,當Pixel 4在疊合星空的時候,不會同時影響到其他景物、人像的明暗與光影。

照片中包含了優勝美地國家公園,優勝美地山谷、優勝美地瀑布、隧道視圖、優勝美地山谷旅館、半穹頂

▲如果是星空與景物在同一張照片裡,Pixel 4會自動區分天空與地景,分別做出不同的處理,避免景物過亮,或是星空不夠清晰。(圖片來源:Google相簿,Nicholas Wray Wilson)

手機夜拍里程碑 仍有缺點待解決

雖然比不上專業相機,但手機能夠清楚拍攝夜晚景物、星空銀河等等,已經是技術上的一大革新。不過雖然Pixel 4在星空拍攝方面非常強大,Google也表示仍有進步的空間,其在噪點判斷、高亮度對比拍攝、以及需要嚴格的環境標準(極暗、腳架固定、長時間倒數計時)才能拍攝到理想效果等等,都還有可以改良的地方。但就算如此,Pixel 4手機相機的銀河拍攝功能令人驚嘆,也期待之後Google在手機相機上更多的突破。


 

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