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天文攝影是Google Pixel 4智慧型手機最大的創新功能之一，讓使用者可以利用手機拍下閃爍耀眼的星空照片，我們先前也曾實際測試過這個功能。然而使用智慧型手機拍攝星空會遇到什麼難題，研發團隊又是怎麼克服這些挑戰，就讓Google的軟體工程師為大家解說吧。
手機夜拍再突破
Google Research的軟體工程師Florian Kainz和Kiran Murthy在官方部落格說明了Night Sight功能的運作原理。他們提到在這之前天文攝影都是單眼相機等大型器材的天下，攝影師需要攜帶笨重的設備，並透過繁雜的後處理、修圖，才能呈現理想的圖像品質。
Google在去年於Pixel 3系列智慧型手機推出的Night Sight夜拍功能，能讓手機在低光源的環境下拍出亮麗的照片，而不像一般手機會有顆粒狀雜點、嚴重曝光不足的問題。讀者可以參考筆者先前撰寫的《深入研究Pixel 3 Night Sight神夜拍，疊圖技法立大功》，或《Pixel 3相機系列文章》。
而到了2019年，研發團隊推出新版Night Sight，再次突破透過手機相機在低光源環境攝影的極限，藉由在Pixel 4上最多曝光4分鐘，或在Pixel 3和3a上最多曝光1分鐘，達到在沒有任何人造光的情況下，拍攝清晰夜空照片的效果。
疊圖取代長曝光
相機的感光元件在運作的過程中，原本就有一些稱為散粒雜訊（Shot Noise）的不確定性，會讓拍攝出來的照片看起來比較粗糙，而散粒雜訊會隨著光通量（相機捕捉到的光線總量）的增加而下降，所以為了要增加圖像的細膩度，需要盡可能讓更多光線進入相機。
我們有2種方式可以增加光通量，第1種方式就是加大相機的感光元件或光圈，然而這些變因屬於硬體規格的限制，只能透過更換設備的方式達成，而第2種方式為增加快門時間，透過延長曝光時間以增加捕獲的總光線量，然而增加快門時間的副作用，就是會讓移動中的物品留下殘影（比方拍攝夜間車燈的光軌就是用這個方式），或是因為手震讓照片變得模糊。
為了解決這個問題，Night Sight會將整個曝光時間拆分為多段，拍下多張曝光時間較短的照片，以減輕每張照片的模糊狀況，然後再修正各張照片因物品移動與手震造成的模糊，並將所有照片對齊、疊加在一起，然後仔細處理無法完美對齊的區域，讓相對模糊的多張照片合成1張清晰的照片。
開發團隊也提到，在初代Night Sight發表後，他們便開始嘗試在黑暗的室外環境拍攝星空，但也注意到需要數分鐘的曝光時間才能產生高品品質的照片，因此不適合用於手持手機拍攝，需要以三腳架固定手機，或將手機放在石頭或其他可以固定手機的地方。
值得注意的是，即便用三腳架固定手機，Night Sight的長曝光時間也會因場景中樹木隨風搖曳、雲朵飄蕩、月落日升等物品移動的狀況而留下殘影。然而我們可以忍受樹枝和雲朵有些模糊，確無法忍受星星呈現線條的形狀。因此在實驗後，開發團隊發現拍攝夜空照片時，各段曝光時間不應超過16秒，這樣能讓星星看起來像光點。
然而考慮到拍攝照片所需的時間，開發團隊認為很少願意為1張照片等上4分鐘，因此將Night Sight攝影的上限訂為最多可以疊加15張圖片，每張圖片曝光16秒，以在等待時間與照片品質間取得平衡。
▲如果曝光時間太長，星星看起來就會像模糊的線條，而非清晰的光點。
克服暗電流雜訊
暗電流（Dark Current）是指感光元件沒有受到光線照射時，還是會隨機產生微小電流，這讓拍攝光線量本來就很低的星空倍受挑戰，因為暗電流雜訊的比重可能跟星星的光線訊號強度差不多，當曝光時間很短時，這種影響可以忽略不計，但是對於長時間曝光而言，影響就變得更加明顯。
暗電流的肇因為感光元件晶圓製程無法避免的瑕疵，而感光元件的某些像素可能也會因其他瑕疵而在至照片中形成亮點，我們能做的是透過比較同張圖片與連續拍攝多張圖片中相鄰像素，找出異常的亮點，並將亮點移除後用周圍像素的平均值取代，雖然這樣會損失原始像素資料，但實際上這不會對整體圖像品質造成顯著影響。
（下頁還有更多技術說明）
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