TW201611602A - 影像擷取裝置及方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係揭露一影像擷取裝備，該影像擷取裝備係包含一光學透鏡，其可操作以聚焦入進光；一縮焦器，其係配置成接收來自光學透鏡的經聚焦入進光並將經聚焦的入進光集中至一影像感測器上；一處理器，其係資料通聯於影像感測器以處理經集中的光以形成一影像；其中處理器係包含一雜訊降低模組，其可操作以從影像移除雜訊。
Description
本發明係有關一影像擷取裝置。影像擷取裝置係適合於(但不限於)擷取天文影像並將以此脈絡作描述。
本發明背景的下列討論係僅意圖利於瞭解本發明。應瞭解：在本發明的優先日期於任何司法管轄權中，該討論並非告知或認可所提及的任何事物被公開、已知或身為熟悉該技藝者所常見的一般知識之部份。
天文學是一種隨著攝影機及其他設備容易取得而快速普及之嗜好。然而，天文學產品一般係笨重、複雜且難以使用。特別來說，為了妥當地擷取相對‘微弱(dim)’的天文物體之影像，所使用的攝影機透鏡典型係為大型望遠攝影、望遠鏡或笨重且昂貴的大孔徑定焦透鏡，連同複雜的科學成像感測器或專業等級數位單鏡反光攝影機(DSLRs)。
一天文學影像的非典型影像背景幕係指調整供地上使用之典型攝影機的計量機構(或計量模式)並不相容。
這需要人工調整攝影機及其附件的不同設定，而增加其複雜度及使用的困難度。並且，所需要的專業水準及設備的高成本係已導致天文學不如應有般普及。
由於一較大裁切因子(crop factor)相關聯的利益，使用網路攝影機擷取天文學影像係為一種降低望遠攝影光學件的成本及所使用設備的尺寸所嘗試之解決方案。然而，成像程序仍然複雜。尚且，使用網路攝影機需要一處理器諸如一膝上型電腦來操作，而增加重量、成本及程序的複雜度。此外，網路攝影機所擷取的影像係傾向於具有高水準的雜訊，尤其是若增益或曝光長度對於遠距天體增加時尤然。所擷取影像因此需要對於雜訊降低措施應用之額外的特殊知識以改良影像品質。
鑒於上文，由於重量、成本及複雜度等三項關鍵因素，天文成像係限於特定化的利基族群。
本發明係企圖提供一至少部份地減輕上述缺陷之裝備。
在本文件全文中，除非另作相反陳述，用語“包含”、“由~組成”及類似物係詮釋成非窮舉性，或易言之，係指“包括但不限於”。
請瞭解：下列用語“ISO”、“增益”及“敏感度”在全文中係指有關用於成像的參數，並可用來放大來自一成像感測器的信號。可以硬體或軟體手段為基礎達成此放大。這些參數的設定愈高，則一成像擷取裝備對於光愈敏感，
取捨代價在於最終影像中具有較高雜訊。
本發明之一目的係在於降低由於先前技藝段落提及的三個(3)關鍵因素所導致之限制，藉以使天文學成像光成為可負擔且較不複雜。由於這在經濟上更易取得、更可攜帶且較不複雜，係容許業餘者、旅行者及學生遠為更容易地作天文學探索。
藉由根據本發明的一裝備係減輕上述及其他問題且在該技藝中作一改良。下列優點係為非窮舉性。根據本發明的裝備之第一優點係在於使用者能夠快速且容易地擷取清楚的天文影像，特別是對於天文學或天體。密實的成像裝置係對於使用者友善並含有諸如縮焦器及機載式成像處理軟體等特徵。縮焦器可為內建藉以達成節省空間及降低攝影機的形狀因子(form factor)。縮焦器進一步可操作以同時地將光集中至成像感測器，且因此提供藉由成像感測器之光收集的改良，藉此改良所擷取影像的信號雜訊比。
根據本發明的裝備之第二優點係在於能夠經由成像預設獲得高品質的天文影像，其能夠經由一選單選擇作此等物體的成像，而非人工地控制擷取程序的所有層面。這係容許容易擷取天文影像而不需要額外軟體或專業技術。根據本發明的裝備之第三優點係在於使用者能夠容易以星圖(star maps)疊覆在擷取點識別星體及其他天體。現場預覽連同星圖疊覆係容許使用者依此框定其偏好的星體及其他天體。根據本發明的裝備之第四優點係在於使用者能夠快
速且精確地識別及定位明亮物體予以聚焦。此功能對於縮短天文學成像的學習曲線係很重要，原因是所攝影物體一般係呈現微弱並難予以聚焦，尤其是若使用者不具備星體及其相對方向的先前知識尤然。機載式處理器係能夠藉由參照一機載式星圖(star atlas)及其空間感測器依此調整及校準以供使用者如此做。
根據本發明的一形態，係具有一成像系統，其具有：一影像擷取裝備，其包含一定焦透鏡，該影像擷取裝備具有一內建的縮焦器，其係可操作以將定焦透鏡所擷取的一影像聚焦至一較小區域；一處理器；其係可操作以接收以區位為基礎的資料以引導影像擷取裝備的一使用者將影像擷取裝備指向一物體以在擷取一影像之前聚焦影像擷取裝備。
較佳地，內建的縮焦器係可操作以達成被提供或投射於感測器上之光的強度(intensity)之預定增加。該配置係將更多約1.75倍增幅的光投射至成像感測器上，且當使用DSLR透鏡作為定焦物鏡時，其可增加最多達更多約4倍的光。
較佳地，藉由透鏡/透鏡系統的焦比值(focal ratio)來測量光的強度。因此，縮焦器將對於單鏡反光攝影機所設計的透鏡將焦比值增加達至少一2/3光圈並可或多或少地用於原始設計供其他目的用之成像透鏡。
該焦比值係容許增益或曝光長度或是兩者作一降低，其係藉由降低最終影像中的雜訊來改良影像品質。
較佳地，以區位為基礎的資料係包含至少一星圖表(star chart)之一星圖疊覆(star maps overlap)。此星圖表係容許使用者容易在擷取點識別星體或其他天體，以確保使用者所想擷取的物體之妥當框定。
較佳地，影像擷取裝備係包含一可換式感測器濾器，感測器濾器係藉由消除諸如汞或鈉線等常見光污染頻譜而適合於天文成像目的。
較佳地，系統係包含一暗雜訊資料庫，暗雜訊資料庫係包含特定對於暗雜訊減除目的之影像擷取裝備作校準之暗雜訊影像。此配置相較於先前技藝攝影機係節省在擷取點所需的時間，而容許較大量的影像擷取擷取時間。
根據本發明的另一形態，具有一影像擷取裝備，該影像擷取裝備係包含：一光學透鏡，其可操作以聚焦入進光；一縮焦器，其係配置成接收來自光學透鏡的經聚焦入進光並將經聚焦的入進光集中至一影像感測器上；一處理器，其係資料通聯於影像感測器以處理經集中的光以形成一影像；其中處理器係包含一雜訊降低模組，其可操作以從影像移除雜訊。
較佳地，縮焦器係可與光學透鏡及影像感測器作整合。
較佳地，經集中聚焦的入進光之強度係取決於透鏡系統的焦比值，且焦比值係容許增益或曝光長度或是兩者之一降低。
較佳地，影像感測器包含一陣列的像素感測器。
該陣列的像素感測器係可為一電荷耦合元件(CCD)或一互補金屬氧化物半導體(CMOS)感測器。
較佳地，處理器係可操作以儲存影像。
較佳地，裝備係進一步包含一感測器濾器，其中感測器濾器可操作以過濾入進光。
較佳地，雜訊降低模組係進一步包含預先擷取且儲存在資料庫中之暗雜訊影像的一資料庫。雜訊降低係可包含選擇一暗雜訊影像，其具有與該影像及從該影像減除暗雜訊影像的像素相類似之曝光設定。類似的曝光設定係可包括環境設定，且環境設定可包括擷取的時程及感測器溫度。
較佳地，複數個經雜訊降低的影像係組合成一合成影像以進一步降低雜訊。
較佳地，雜訊降低模組係可操作以組合複數個影像。
較佳地，處理器進一步包含一影像現場觀視模組，其係可操作以顯示現場影像並在影像聚焦及擷取中協助使用者。影像現場觀視功能可進一步包含一資料通聯於處理器之內建的顯示螢幕。裝備可進一步包含一星座圖圖表(star atlas chart)，其可操作以疊覆於現場影像上以協助使用者即時地識別該裝備所指向的物體。
較佳地，內建的顯示螢幕係為一觸控螢幕，其可操作以容許觸控輸入來控制影像擷取設定。
較佳地，裝備係進一步包含複數個空間感測器，
其係資料通聯於處理器以提供區位輸入，其中各空間感測器係可操作以協助一使用者將裝備指向一所欲物體以供影像擷取。
較佳地，複數個空間感測器係包含下列的至少一者：一全球定位系統(GPS)，加速度計，陀螺儀及磁力計。替代性地，空間感測器包含一全球定位系統(GPS)，一加速度計，及一磁力計。
較佳地，處理器進一步包含一明亮物體聚焦模組，其係可操作以協助使用者快速地識別、定位及聚焦於明亮物體。明亮物體聚焦模組可包含下列功能：(i)決定時間及空間定向功能；(ii)產生一明亮物體清單功能；及(iii)一引導功能。
決定時間及空間定向功能係可操作以決定至少三個參數以供識別一或多個明亮物體之目的用，該等至少三個參數係包含一對即時時脈(RTC)的參照用於日期及時間，對GPS座標的參照以決定區位、日期及時間，及一對複數個空間感測器的參照用於方向。
產生明亮物體清單功能係可操作以使用至少三個參數並參照一星座圖資料庫以識別水平線上方的物體或星體並將其放置在一明亮物體清單中。
較佳地，明亮物體清單可根據至少一判別標準作分類。
較佳地，引導功能係可操作以顯示明亮物體清單
並顯示一指向器以引導使用者選擇清單上的一明亮物體。
較佳地，裝備進一步包含一資料通聯於處理器之可變式時間間隔計，其中間隔計係可操作以協助一使用者擷取縮時影像，其中在相鄰影像之間具有可變的時間間隔；且時間間隔係可預先程式化。
較佳地，裝備係進一步包含一被耦接至處理器之外部連接性模組，外部連接性模組可操作以與其他電子裝置構成介面。外部連接性模組可包括Wi-Fi協定或通用序列匯流排(USB)。
根據本發明的另一形態，係具有一用於擷取影像之方法，其包含下列步驟：(i)使用一光學透鏡聚焦入進光；(ii)使用一縮焦器將經聚焦的入進光集中至一影像感測器上；(iii)使用一處理器處理經聚焦的入進光以形成一影像；其中處理器係進一步可操作以使用一雜訊降低模組進行從影像減除雜訊之步驟。
較佳地，雜訊降低模組係包含被預先擷取及儲存於資料庫中的暗雜訊影像之一資料庫。較佳地，該方法係包含一選擇一暗雜訊影像之步驟，該暗雜訊影像係具有與該影像及從該影像減除雜訊前的像素相類似之曝光設定。類似的曝光設定可包括環境設定，且環境設定可包括擷取的時程及感測器溫度。
較佳地，複數個經雜訊降低的影像係組合成一合成影像以進一步降低雜訊。
較佳地，雜訊降低模組係可操作以組合複數個影
像。
10‧‧‧用於擷取影像之系統/攝影機/影像擷取裝備
20‧‧‧中央處理單元(CPU)
22‧‧‧即時時脈(RTC)
40‧‧‧影像擷取單元
42‧‧‧光學透鏡
43‧‧‧基底板
44‧‧‧縮焦器
44a‧‧‧圓形安裝座
46‧‧‧可換式感測器濾器/頻譜(感測器)濾器
46a‧‧‧槽
48‧‧‧成像感測器
48a‧‧‧影像感測器固持器
60‧‧‧功率單元
62‧‧‧充電埠
64‧‧‧電池
66‧‧‧功率調節器
80‧‧‧外部連接性模組
82‧‧‧Wi-Fi
84‧‧‧USB
100‧‧‧記憶體單元
102‧‧‧外部記憶體
104‧‧‧快閃記憶體
120‧‧‧輸入/輸出(IO)模組
122‧‧‧觸控螢幕
124‧‧‧快門鈕
126‧‧‧控制鈕
140‧‧‧空間感測器/空間感測器模組
142‧‧‧GPS
142‧‧‧全球定位系統(GPS)接收器
144‧‧‧加速度計
146‧‧‧陀螺儀
148‧‧‧磁力計
現在將僅藉由範例參照附圖描述本發明，其中：圖1是顯示根據本發明的一實施例之影像擷取裝備及系統的系統方塊圖；圖2顯示根據圖1的實施例之影像擷取單元的一部分之不同視圖；圖3顯示根據本發明的另一實施例之如何擷取一影像之流程圖；圖4a-g顯示一影像擷取裝備及使用者介面的範例之使用；圖5顯示根據本發明的一實施例之一‘指向明亮物體以聚焦’的流程圖；及圖6顯示具有(i)一速度優先雜訊降低；或(ii)一品質優先雜訊降低的一先前技藝雜訊降低相對於暗場庫(dark library(ies))之間的比較。
本發明係可能具有其他配置，且因此附圖未被詮釋成超過本發明的先前描述之一般性。
現在將參照附圖來描述本發明的特定實施例。本文所用術語係僅供描述特定實施例之用途而無意限制本發明的範圍。此外，除非另外界定，本文所有技術及科學用語係具有與通常一般熟悉本發明所隸屬技藝者瞭解的意義
相同之意義。
根據本發明的一實施例且如圖1所示，係具有一用於擷取影像之系統10，其係包含一可能呈中央處理單元(CPU)20形式之處理器，該處理器係可操作以從一影像擷取單元40接收影像。系統10可呈一影像擷取裝備、諸如一攝影機10的形式。
攝影機10可由一功率單元60供電並可包含外部連接性模組80及記憶體單元100。裝備10可進一步包含一輸入/輸出(IO)模組120，其配置成容許一使用者控制裝置10。裝備10進一步包含空間感測器140，其係適合於(但不限於)協助裝備10評估空間區位及以區位為基礎的應用。模組40、60、80、100、120及140係可操作以資料通聯於CPU 20以傳送及接收通信、控制、輸入輸出(IO)及其他電子信號，如同熟悉該技藝者所習知且不進一步詳述。
影像擷取單元40係包含能夠擷取影像之硬體，諸如光學透鏡42、縮焦器44及感測器濾器46。光學透鏡42從環境收集光以被聚焦於一成像感測器48上。成像感測器48的一範例係可為(但不限於)互補金屬氧化物半導體(CMOS)，以供將影像存成數位影像格式例如jpeg、tiff、tif或RAW格式。縮焦器44典型係為一可移除式正透鏡元件或複數個透鏡(亦即一透鏡群組)，其係可操作以將光學透鏡42所收集的光收斂(聚焦)至一小區域。縮焦器44主要目的係在於增加落至成像感測器48上之光的強度並因此增強成像感測器48的光收集性質之能力。此外，縮焦器44係加寬光學透鏡42及
成像感測器對48的視場。縮焦器係可操作以減小光學透鏡42的焦比值(F數字)。較佳地，縮焦器可操作以將光強度至少增加達三(3)倍或盡量加大被聚焦至成像感測器上的光量以提供與影像擷取相關聯之盡可能多的資料。
縮焦器44可為一內建的組件或一分離的附接件。
感測器濾器46典型係為一可移除式體件的光學玻璃。依應用而定，感測器濾器46可為一具有各種不同特性的光學玻璃。例如，該玻璃係可容許H-Alpha線(656.28奈米)的傳輸，或受激氫粒子的發射線，並阻絕影像感測器48對其敏感之其他波長的傳輸。選定波長傳輸之組絕係容許身為H-Alpha輻射的強發射體之天文物體的成像，例如太陽及不同的星雲諸如M42大獵戶座星雲而無來自地球環境如街燈及建物使用的螢光燈等光污染之干擾。亦可使用其他感測器濾器諸如氧III(Oxygen III)及光污染(Light Pollution)濾器以達成類似目的，依據條件及被擷取的天文物體而定。
綜言之，感測器濾器46係為適合於天文成像目的之至少一可換式感測器濾器46，並能夠用來濾出光污染，增加對比或顯現出天體中的結構，其原本將被光的較明亮頻譜所洗去而無感測器濾器的過濾效應。此等濾器係包括例如H-Alpha，O-III及光污染濾器。請瞭解可使用的濾器類型係為非窮舉性。
功率單元60係可操作以提供電力予整體攝影機
系統10。功率單元60係包含一充電埠62，充電埠62係為其中將外部電力供應給裝置10使一諸如電池64等電源充電之接面。電池64作為獨立式裝置時係為用於裝置10的功率之主要來源。一功率調節器66係可操作以調節來自電池64或充電埠62的電壓，依據CPU 20及所有其他電子裝置之使用而定。
外部連接性模組80係用來與其他裝置包括業界認可的協定諸如(但不限於)Wi-Fi 82、HDMI及USB 84等構成介面。
Wi-Fi 82係指遵照Wi-Fi聯盟TM所設定的802.11標準無線式局部區域網路標準之無線式無線電裝置。其用來與智慧型裝置、膝上型電腦及或電腦構成介面，一般在所欲時用來提供外部控制介面。其亦可用來無線傳送擷取影像至此等智慧型裝置、膝上型電腦或電腦。其亦可用來從其他裝置下載資料及韌體以提供用於攝影機裝置10之軟體升級。
通用序列匯流排(USB)係指遵照通用序列匯流排組織所設定的標準之埠。其作為一類似於Wi-Fi裝置的功能，差異在於需要一物理聯結件。其可用來從外部電源供應器60對於攝影機裝置10供電。
記憶體單元100係用來儲存執行攝影機軟體所需要之經擷取的影像韌體及相關資訊。
外部記憶體102可包括依電性或非依電性記憶體。一依電性記憶體的範例將是靜態RAM，以供儲存擷取及處
理所擷取影像的程序中之中間資料。在非依電性記憶體的實例中，其可被使用者移除及置回。替代性地，非依電性記憶體可與外部記憶體102作整合。外部記憶體102係作為所有經擷取影像的貯器。其可用來儲存及升級攝影機裝置上的韌體。其亦可用來儲存使用者特定的設定。所使用的儲存技術係依據製造時適合的儲存技術之狀態而定。
快閃記憶體104係有關被整合至裝置的主機板並無意被使用者移除且亦無意置回之非依電性記憶體。其作為攝影機操作所需要之所有韌體及軟體的貯器，包括使用者特定的設定及攝影機對於暗場庫所擷取的暗框架，以供攝影機所實行的雜訊降低程序之目的。
輸入/輸出模組120係指用來顯示及攝影機與一使用者之間作通聯之IO裝置。其包含觸控螢幕122、快門鈕124、及控制鈕126。
觸控螢幕122係指數位影像顯示裝置，其容許觸控輸入以控制攝影機設定。其係用於現場預覽及攝影機設定的控制。
快門鈕124係指特定意圖用於觸發指令以擷取靜態影像及視訊擷取兩者的影像之一或多個鈕。
控制鈕126係指可被實行以協助使用者控制攝影機、開通及關斷攝影機而不限於所列舉應用之所有其他的鈕。
空間感測器模組140係包含大致使用於下列作用之裝置：協助攝影機評估其空間區位以供協助攝影機使用
者將攝影機指向所欲的天文物體之目的。空間感測器模組140係包含全球定位系統(GPS)接收器142，加速度計144，陀螺儀146及磁力計148。
GPS 142係指利用人造衛星來決定攝影機10區位座標之GPS接收器。其將協助找出攝影機被使用的區位所需要的經度及緯度以利於決定天文物體之時圈及對的上升。
加速度計144係指一測量妥當加速度之裝置，如同熟悉該技藝者所瞭解係指物理物體實際運動之加速度，諸如地球在裝置上的重力拉力9.81ms-2，其使攝影機10能夠提供回饋給CPU 20以回應地將攝影機指向的方向反映在螢幕上。
陀螺儀146係指用來測量裝置的定向之裝置，以提供回饋給CPU 20以回應地將攝影機指向的方向反映在螢幕上給使用者。
磁力計148係指測量周遭環境的磁場之裝置；作為羅盤裝置的一形式以將使用者令攝影機指向的方向指示予使用者。
CPU 20可包含周邊支援裝置。CPU 20係可操作以協調來自不同模組40、60、80、100、120及140之輸入以提供攝影機10的整體功能，包括但不限於控制成像感測器硬體，將呈RAW資料格式的擷取影像預處理成為壓縮格式，將星座圖(star atlas)予以視覺化並將資訊從成像感測器提供至觸控螢幕。CPU 20可包含一即時時脈(RTC)22以供時
脈週期及其他支援裝置的所需要計算。RTC 22進一步可操作以保持追蹤即時時間(真實世界的時間)，即使當攝影機中的主要電池被移除時亦然。因此，RTC 22可由一獨立電池源供電。
攝影機及組件可作整合及密實化藉以達成一小形狀因子。係可經由使用相對於或相較於無鏡面攝影機及數位單鏡反光攝影機(DSLRs)而言較小的影像感測器48來達成一小的形狀因子。透鏡係可為較小，以提供一足以覆蓋整體成像感測器之影像圓形。
圖2顯示一頻譜(感測器)濾器46及縮焦器44的配置之範例。縮焦器44係安裝在一圓形安裝座44a上，其係堆積在一基底板43頂上，基底板43係具有一調適以接收頻譜濾器46之槽46a。一影像感測器固持器48a係配置成使得影像感測器固持器48a及圓形安裝座44a嵌夾住基底板43。影像感測器固持器48a係被定形及設定尺寸以接收影像感測器48。一旦作配置，縮焦器44、頻譜濾器46係對準於影像感測器48俾使縮焦器44將光集中至成像感測器48，且任何不欲有的輻射係被濾器46過濾。頻譜濾器46可為可更換式。
相較於DSLRs，攝影機體部的厚度並不受限於容納一鏡面箱的一物理結構之需求。透鏡與感測器之間的凸緣距離係為較短，因此攝影機可製成更薄。作為比較，例如用於Sony E之一無鏡面安裝座的凸緣距離係為約18公釐(mm)，用於DSLR的凸緣距離係為近似40mm。
上述配置亦免除對於一分離的電腦之需求。特別來說，因為CPU內建在攝影機本身內，並不需要一分離的電腦。並非攜載電話/平板之一完整尺寸的電腦/膝上型電腦，攝影機係作為一獨立單元。
現在參照圖3，系統10將就其在獲得及擷取影像之操作暨可實行成裝設於攝影機的記憶體單元100內的軟體之功能的脈絡予以描述。
當一使用者切換開通影像擷取裝備10(例如一攝影機)時，攝影機係偵測是日間還是夜間。若決定為日間(或設定日間模式)，使用者被帶到一影像現場觀視且將沒有軟體聚焦協助以供將攝影機指向一明亮物體(下文稱為‘指向明亮物體以聚焦’)。一擷取影像將會被擷取(若使用者有選擇)並存到檔案。攝影機10可包含一‘影像現場預覽’功能，其被顯示於一使用者介面上，例如一LCD螢幕，以協助使用者聚焦及擷取影像。除了作為軟體聚焦協助的一形式之‘指向明亮物體以聚焦’外，其他類型的軟體聚焦係包括但不限於：聚焦或其他形式的邊緣或對比偵測軟體以供協助使用者聚焦攝影機光學件。較佳地，可使用預覽影像的色品像差以決定光學透鏡42是否呈現聚焦(in focus)。以明亮物體的綠或紫邊紋之出現為基礎，可決定出光學透鏡42的聚焦是否分別需調整成更深入或更接近。
若攝影機偵測到是夜間(或設定夜間模式)，一軟體聚焦將被啟動且可操作以協助使用者將攝影機指向明亮物體諸如星體，且隨後聚焦及擷取影像。
聚焦協助軟體功能首先係需要求使用者指向一其中設有所欲擷取物體之概括方向，例如物體係為夜空可見的一星體或行星。聚焦協助功能隨後可操作以聚焦在待擷取物體上，同時經由一迭代程序消除其他物體。迭代程序係可以可被寫入以評估水平線上方一合理度數例如水平線上方三十度的物體之軟體碼的一形式作編碼，以建議使用者作指向供聚焦。若物體受阻礙或其他原因而不可見，可按壓一鈕以建議下個最明亮的物體。
一旦定位出用於影像擷取之所欲物體，攝影機係可操作以聚焦在用於影像擷取之所欲物體上。若需要一疊覆以定位出明亮物體，可施加一50%不透明度或其他百分比的不透明度疊覆。若需要明亮物體的一近寫縮放以精確地決定聚焦，可施加預覽影像的一拉近段(‘裁切’)。為了補償攝影機在聚焦期間之可能運動，可施加動態追蹤演算法以藉由追蹤最明亮物體確保明亮物體總是位於預覽影像的拉近段中之觀視中。
一旦影像被擷取，其被傳送供進一步處理以移除暗雜訊。暗雜訊降低功能係包含至少一暗場庫。
暗場庫係為一包含對於特定影像擷取裝置/裝備、暗雜訊減除的設定及環境條件作校準之暗雜訊影像的一場庫之資料庫。此等環境條件的非窮舉性範例係包括擷取的時程(例如30秒或60秒)或感測器溫度(例如30或40度C)，等等。相較於需要另一影像(已知為暗框架，待擷取)之先前技藝攝影機而言，暗場庫資料庫將節省在擷取點所需要的時
間。暗雜訊場庫係容許實行雜訊降低演算法，而不需要在擷取每個影像之後擷取暗框架(亦即暗框架係為與所意圖影像具有相類似或相同的曝光設定之影像，而不使成像感測器曝露於光)以供雜訊降低目的。這係縮短擷取一長曝光影像之總時間。藉由暗雜訊場庫，攝影機不必被曝露兩次，一次對於最終影像且一次對於暗框架(請見圖6a)。處理器單純以諸如特定影像擷取裝置/裝備、設定及環境條件等參數為基礎來檢索暗雜訊影像，如早先所突顯。
在部分實施例中，並未縮短擷取一長曝光影像的總時間，多重的雜訊降低影像(以利用暗場庫為基礎具有一第一回合的雜訊降低)係可組合(疊置)成一合成影像以進一步改良雜訊(見圖6b)。影像的組合係可以一“加及平均”技術為基礎，以供以消除隨機雜訊為基礎來降低雜訊。
如同描述，影像擷取裝備10係包含內建的縮焦器44。內建的縮焦器44係容許本發明達成很高的光強度或焦比值，其係容許增益或曝光長度或是兩者作一降低，這係藉由降低最終擷取影像中的雜訊來改良影像品質。
在本發明的現場預覽上之星圖表的GPS疊覆係容許使用者容易地在擷取點識別星體或其他天體，以確保使用者所想要擷取的物體之妥當框定。此星圖表/圖的一範例係為Google Sky MapsTM。
攝影機進一步包含裝設其上之軟體，以供實行一‘指向明亮物體以聚焦’功能。此‘指向明亮物體以聚焦’功能係容許使用者快速地識別及定位出明亮物體以聚焦其透鏡
42。請瞭解既有的攝影機不具有此特徵，且聚焦係以使用者識別明亮物體將他/她們的光學件聚焦其上之知識為基礎。
‘指向明亮物體以聚焦’演算法的一範例顯示於圖5。演算法包含三個次功能或邏輯步驟以供：i.決定時間及空間定向；ii.產生明亮物體清單；及iii.引導。
‘決定時間及空間定向’次功能係用來決定至少三個參數，以供識別一或多個明亮物體之目的。至少三個參數係可包含一對即時時脈(RTC)的參照用於日期及時間；對GPS座標的參照以決定區位；及一對磁力計一參照用於初始方向。請瞭解：至少三個參數可進一步包括對於決定日期及時間之GPS，及其他感測器包括加速計及陀螺儀。
在獲得三個參數時，作出星座圖資料庫的一參照以在水平線上方的任何偏斜識別物體或‘星體’，其中待擷取物體未受阻礙(例如水平線上方三十度)並將其放置在一清單(稱為‘明亮物體清單’)中；及藉由一判決標準將該清單排出次序。判決標準可例如為物體的明度(brightness)之視量值。
將包含至少一明亮物體之清單排次序時，‘引導’功能則將最明亮物體的名稱顯示給使用者並顯示一指向器以引導使用者至最明亮物體以供聚焦。為了協助使用者，空間感測器140可被利用或參照以提供朝向明亮物體之連
續引導以供識別。若物體被識別為可見，使用者則將操作透鏡以聚焦於物體上，否則選擇並建議‘明亮物體清單’中的下個最明亮物體以顯示予使用者。
星座圖或星圖表較佳係可為一影像疊覆，其可連同‘指向明亮物體以聚焦’功能被切換開啟或關閉。依據一使用者的喜好而定，若能協助他定位出所欲的天體，他可選擇連同‘指向明亮物體以聚焦’功能切換開啟GPS疊覆功能，所欲的天體的影像係被擷取，或者若會造成分心則切換關閉‘指向明亮物體以聚焦’功能。
請瞭解：用於決定時間及空間定向的次功能係在背景運行並可連續地更新，依據使用者將攝影機10的透鏡指往何處而定。
一旦偵測到時間及空間定向次功能的一變化，則可更新明亮物體清單的產生；及引導次功能。
如同提及，攝影機10可包括可換式感測器濾器46。相較於在其感測器上包含固定式濾器之先前技藝攝影機，先前技藝攝影機對於較先進的天文學成像可能並不理想。內建的紅外線切割濾器係阻絕掉特定波長，諸如對於天文學成像為重要之H-Alpha。藉由令濾器可由使用者更換，攝影機10可對於較先進使用者的成像要求作客製化。用以抑制光污染之濾器46亦可被容易地配合，以容許光污染區位中之天文學成像。可實行軟體以匹配品牌特定的濾器，來修正不同濾器所生成之感測器的頻譜響應之差異。採用具有第三方天文學成像外加物(add-ons)的既有攝影機之使用
者係將需要先進的知識來修正這些成像製物。攝影機10可進一步包含可變式時間間隔計。雖然既有的攝影機可能特徵在於內建的時間間隔計，標準時間間隔計係容許影像的恆定間隔擷取。可變式時間間隔計係容許使用者以一設定改變擷取間隔以供創意目的，而不需不斷地將攝影機重新程式化。例如，可對於各情形以最理想的框率(frame rates)完成從夜晚到白天的一全天縮時。天體係花費一段長時間來顯示視運動，因此在前八小時的擷取中，使用者可能欲有一較長間隔來顯示一縮時中的運動。然而，在白天空檔時，日間物體諸如移動的群眾係可能在白天形成，且可能需要一較短的間隔來確保人們不會出現或在框架至框架呈現出現及再出現(動變(teleport))，其係可能發生於使用適合於夜間的較長間隔時。一可變式時間間隔計係容許一設定後不理的模式，其可依據白天中的時間而定對於可變式條件被預先程式化，而非要求每次配接即重新程式化。所執行的場域測試係容許一使用者對於間隔產生標準輪廓。非依電性記憶體係容許使用者產生其自身的輪廓並予以儲存為預設定物(類似於暗框架在暗雜訊場庫中之儲存)。預設定物的儲存係降低每當作出一縮時則記載設定及實行設定之麻煩。係可設定一從長至短或是反向的間隔梯度，以防止從夜景至日景的驟然過渡。此外，一可變式時間間隔計將達成相對容易使縮時式圖片製成視訊之優點，原因如下：‧既有攝影機上的典型縮時選項係容許一使用者選擇一框率，例如二十四(24)框架每秒(FPS)，且其將所擷取框
框的數字配合成該框率以供回播。為了使用先前攝影機達成從天文學縮時的慢間隔至一較快間隔之過渡，使用者將需要對於‘日間縮時’修改回播框率以對其以一較快框率作回播以給予縮時中的運動/活動速率已經增加之印象。替代性地，其將必須縮短擷取間隔以使活動看起來較快，可變式時間間隔計正能夠達成該效應。
影像擷取裝置10的配置係進一步達成下列優點：
‧圖片/視訊可經由USB84被儲存在姆指碟或外部快閃記憶體104中。請瞭解：儲存的儲存媒體係可為熟悉該技藝者所習知適合於儲存照片/視訊之任何其他類型的儲存媒體。
‧相較於先前技藝系統其中需要提取原始影像資料並經由影像處理工具在分離及/或獨立的電腦軟體上作處理，處理將在作為一獨立式單元的攝影機10中被完成。
‧可包括有一星圖疊覆，以幫助一使用者/攝影者更容易定位星體及星座，使其具有更好之攝影機指向何物的概念。內建的縮焦器44係強化透鏡42收集至感測器48上的光。這係容許攝影機10以一較短快門速度達成相同的曝光。其亦由於較短的快門速度而容許螢幕的一較快刷新率，由於使用者在其對於透鏡上的聚焦之調整得到更即時的回饋，其係改良星體上的聚焦速度。
‧在感測器正擷取事物的現場預覽上方之身為天空的一地圖之星圖疊覆係容許使用者容易地識別其將即時在框
架中擷取的事物。除非其具有先前的天文學知識或使用一分離的裝置來參照一星座圖，操作既有攝影機的使用者將不知道其正指向何者星體。
‧指向明亮物體以聚焦係將使用者引導至天空中的最明亮物體，以容許攝影機更有效地聚焦。由於星體相對於攝影機及透鏡42的解析度位於無窮遠，聚焦在任何星體上係將容許橫越天空的一敏銳影像。指向一較明亮星體係將容許攝影機顯示該星體的細節以供以一較短曝光率(exposure rate)聚焦至無窮遠，這係容許較好之現場預覽螢幕的刷新率，以容許攝影機之更具回應性的聚焦以供天文學使用。
‧可換式感測器濾器係容許使用特殊的天文學濾器諸如H-Alpha、O-III帶寬、光污染濾器等等，以被附接在感測器上方。將濾器附接在感測器上方係容許使用一遠為更小的濾器，而對於將濾器放置在成像物鏡的前部上方生成一更可負擔且可攜帶的解決方案。濾器係容許對於特殊天文物體成像或在從既有攝影機一般無法擷取的一光污染區操作之時成像。
‧可變式時間間隔計係容許設定可變式擷取間隔，這係容許使用者找出創意方式使用影像擷取裝置構成縮時影像。既有產品特徵僅在於均勻的時間間隔計，其中擷取間隔保持恆定且將必須加速或減慢縮時程序的部份。易言之，使用者或攝影者可以不同的時間間隔控制回播的加速度及減速。
在影像擷取裝置、一ASI 120MCTM天文學攝影機上進行實驗，以測試使用一小型1/3”影像感測器供天文學成像之可行性。
實驗係證明：由於其不良敏感度及雜訊性能，使用一小影像感測器來擷取很微弱物體的影像之技術困難性，因此導致不理想的影像品質。在高敏感度(ISO)之不良的雜訊性能亦意味著必須選擇一較低的ISO，且因此需要較長的快門速度來擷取天文物體的細節。其造成攝影機的現場預覽功能之刷新率成為較慢，由於不良回饋而造成聚焦攝影機之困難，原因在於每次調整係在近似十五(15)秒之後一當攝影機已經擷取該框架以對於使用者提供現場預覽一才反映在螢幕上。
1/3”感測器係在增加增益而不損失影像品質方面面臨侷限。在感測器設定上的最大增益，影像雜訊係為顯著。因為大部分天文影像係相對微弱之事實而使其加劇。在一測試建置上係需要10至20秒的曝光以看見螢幕上的任何天文學物體。隨著攝影機使用螢幕上的資料被聚焦，由於螢幕僅每10至20秒刷新一次，所以聚焦係很困難。
1/3”感測器所擷取的影像係由於高增益設定及長曝光長度而具有顯著雜訊。
利用一內建的縮焦器係能夠使一較大影像圓形從主要透鏡聚焦至一較小區域。結果，光強度係增加，而降低增加增益或曝光長度或是兩者之需求。此配置係為減輕增加增益或增加曝光長度以擷取天文物體之需求所欲的，
增加增益或增加曝光長度係會導致影像中增加的雜訊。
所擷取影像中的任何雜訊係可以暗雜訊降低場庫被減輕，以進一步使影像中雜訊的出現降低/達到最小。
由於螢幕刷新率可降低，亦可更容易達成聚焦。由於增益或曝光長度或是兩者可減小，可改良影像品質。
主要針對聚焦困難之另一解決方案係使用軟體合併有GPS資料，以引導使用者將攝影機指向一較明亮物體例如木星或心宿二，以在開始天文成像之前聚焦攝影機。較明亮物體將容許較短的曝光長度，而增加螢幕刷新率的回應性以容許較好的回饋以供使用者以人工聚焦透鏡。
如圖所示，圖4a是佈局的攝影機使用者介面(UI)圖示之範例。圖4b顯示當攝影機可操作時之一使用者觀點的攝影機UI。圖4c顯示當底列的鈕被按押時之一使用者觀點的攝影機UI，顯示一可捲式選單以供選擇所需要的設定。圖4d顯示用於預設之一選擇選單(其他預設尚未被界定但包括太陽(Solar)、月亮(Lunar)、深天空物體(Deep Sky Objects)等)。預設係將設定對於這些物體的擷取為理想之擷取輪廓及後處理輪廓。使用者仍可作出設定的小幅調整及人工強制優先。圖4e顯示一星座圖將如何疊覆於現場預覽上之範例(模擬物，現場預覽將不具有經擷取影像的清晰度)。圖4f顯示一具有良好雜訊性能的示範性DSLR影像，以Nikon D800E攝取，從24mm透鏡裁切視場(具有近似84度視場)。圖4g顯示來自1/3吋感測器ZWO 120MC之一影像，以3.5mm裁切視場(具有近似84度視場)。
請瞭解：已僅以示範本發明而提供上述實施例，且其進一步修改及改良將被視為落在熟悉相關技藝者所瞭解之本文所描述的本發明之廣泛範圍與界限內。特別來說，請瞭解：不同實施例的特徵係可組合形成一或多個額外實施例。並且，下列係為可與所描述實施例作組合以形成落在本發明範圍內的其他實施例之特徵的非窮舉性範例：
‧除了天文學成像外，影像擷取裝備亦可用來作為一用於日間成像之強有力密實的攝影機，例如作為一旅行攝影機。
‧長區間監視成像一其中縮焦器被移除，計算出一約6.3x至7.0x的裁切因子。藉由附接一標準50mm透鏡，其具有一350mm望遠攝影透鏡的等效視場同時仍維持一密實的形狀因子。
‧雖然軟體聚焦協助功能能夠協助一使用者指向一明亮物體或進一步聚焦光學透鏡42，請瞭解：可進一步利用聚焦協助資訊導引使用者從其位置移動藉以達成光學透鏡的一更好聚焦。
10‧‧‧用於擷取影像之系統/攝影機/影像擷取裝備
20‧‧‧中央處理單元(CPU)
22‧‧‧即時時脈(RTC)
40‧‧‧影像擷取單元
42‧‧‧光學透鏡
44‧‧‧縮焦器
46‧‧‧可換式感測器濾器/頻譜(感測器)濾器
48‧‧‧成像感測器
60‧‧‧功率單元
62‧‧‧充電埠
64‧‧‧電池
66‧‧‧功率調節器
80‧‧‧外部連接性模組
82‧‧‧Wi-Fi
84‧‧‧USB
100‧‧‧記憶體單元
102‧‧‧外部記憶體
104‧‧‧快閃記憶體
120‧‧‧輸入/輸出(IO)模組
122‧‧‧觸控螢幕
124‧‧‧快門鈕
126‧‧‧控制鈕
140‧‧‧空間感測器/空間感測器模組
142‧‧‧GPS
142‧‧‧全球定位系統(GPS)接收器
144‧‧‧加速度計
146‧‧‧陀螺儀
148‧‧‧磁力計
Claims (36)
- 一種影像擷取裝備，其包含：一光學透鏡，其可操作以聚焦入進光；一縮焦器，其配置為接收來自該光學透鏡的經聚焦入進光且將該經聚焦入進光集中至一影像感測器上；一處理器，其資料通聯於該影像感測器以處理該經集中的光以形成一影像；其中該處理器係包含一雜訊降低模組，其可操作以從該影像移除雜訊。
- 如請求項1之裝備，其中該縮焦器係可與該光學透鏡及該影像感測器作整合。
- 如請求項1或2之裝備，其中該經集中的聚焦入進光之強度係取決於該光學透鏡的一焦比值，且該焦比值係容許增益及/或曝光長度之一降低。
- 如請求項1至3中任一項之裝備，其中該影像感測器係包含一陣列的像素感測器。
- 如請求項4之裝備，其中該陣列的像素感測器係為一電荷耦合元件(CCD)或一互補金屬氧化物半導體(CMOS)感測器。
- 如請求項1至5中任一項之裝備，其中該處理器係資料通聯於一可操作以儲存該影像之資料庫。
- 如請求項1至6中任一項之裝備，其進一步包含一感測器濾器，其中該感測器濾器係可操作以過濾該入進光。
- 如請求項1至7中任一項之裝備，其中該雜訊降低模組係包含被預先擷取且儲存於該資料庫中之暗雜訊影像的一資料庫。
- 如請求項8之裝備，其中該雜訊降低係包含選擇列一暗雜訊影像，該暗雜訊影像具有與該影像及從該影像減除該暗雜訊影像的像素相類似之曝光設定。
- 如請求項9之裝備，其中該類似的曝光設定係包括環境設定。
- 如請求項10之裝備，其中該環境設定係包括擷取的時程及感測器溫度。
- 如請求項8至11中任一項之裝備，其中複數個經雜訊降低的影像係組合成一合成影像以進一步降低雜訊。
- 如請求項1至7中任一項之裝備，其中該雜訊降低模組係可操作以組合複數個影像。
- 如請求項1至13中任一項之裝備，其中該處理器進一步包含一影像現場觀視模組，其係可操作以顯示現場影像並協助使用者聚焦及擷取影像。
- 如請求項14之裝備，其中該影像現場觀視功能係進一步包含一資料通聯於該處理器之內建的顯示螢幕。
- 如請求項14或15之裝備，其中一星座圖圖表(star atlas chart)係可操作以疊覆於該現場影像上以協助該使用者即時地識別該裝備所指向的物體。
- 如請求項14至16中任一項之裝備，其中該內建的顯示螢幕係為一觸控螢幕，其可操作以容許觸控輸入來控制影 像擷取設定。
- 如請求項1至17中任一項之裝備，其係進一步包含複數個耦接至該處理器之空間感測器，以提供區位輸入，其中各空間感測器係可操作以協助一使用者將該裝備指向一所欲物體以供影像擷取。
- 如請求項中1至18任一項之裝備，其中該空間感測器係包含下列的至少一者：一全球定位系統(GPS)，加速度計，陀螺儀及磁力計。
- 如請求項1至18中任一項之裝備，其中該空間感測器包含一全球定位系統(GPS)，一加速度計，及一磁力計。
- 如請求項14至20中任一項之裝備，其中該處理器進一步包含一明亮物體聚焦模組，其係可操作以協助該使用者快速地識別、定位及聚焦於明亮物體。
- 如請求項1至21中任一項之裝備，其中該明亮物體聚焦模組係包含下列功能：(i)決定時間及空間定向功能；(ii)產生一明亮物體清單功能；及(iii)一引導功能。
- 如請求項1至22中任一項之裝備，其中該決定時間及空間定向功能係可操作以決定至少三個參數以供識別一或多個明亮物體之目的用，該等至少三個參數係包含一對即時時脈(RTC)的參照用於日期及時間，對GPS座標的參照以決定區位、日期及時間，及一對複數個空間感測器的參照用於方向。
- 如請求項22之裝備，其中該產生明亮物體清單功能係可操作以使用該等至少三個參數並參照一星座圖資料庫以識別水平線上方的物體或星體並將其放置在一明亮物體清單中。
- 如請求項24之裝備，其中該明亮物體清單係可根據至少一判別標準作分類。
- 如請求項22之裝備，其中該引導功能係可操作以顯示該明亮物體清單並顯示一指向器以引導該使用者選擇該清單上的一明亮物體。
- 如請求項1至26中任一項之裝備，其進一步包含一資料通聯於該處理器之可變式時間間隔計，其中該時間間隔計係可操作以協助一使用者擷取在相鄰影像之間具有可變的時間間隔之縮時影像；且該等時間間隔係可預先程式化。
- 如請求項1至27中任一項之裝備，其中一外部連接性模組係耦接至該處理器，該外部連接性模組係可操作以與其他電子裝置構成介面。
- 如請求項28之裝備，其中該外部連接性模組係使用Wi-Fi協定或通用序列匯流排(USB)。
- 一種用於擷取影像之方法，其包含下列步驟：(i)使用一光學透鏡聚焦入進光；(ii)使用一縮焦器將該經聚焦的入進光集中至一影像感測器上；(iii)使用一處理器處理該經聚焦的入進光以形成一 影像；其中該處理器係進一步可操作以使用一雜訊降低模組進行從該影像減除雜訊之步驟。
- 如請求項30之裝備，其中該雜訊降低模組係包含被預先擷取及儲存於該資料庫中的暗雜訊影像之一資料庫。
- 如請求項31之裝備，其進一步包含選擇一暗雜訊影像之步驟，該暗雜訊影像係具有與該影像及從該影像減除雜訊前的像素相類似之曝光設定。
- 如請求項32之裝備，其中該類似的曝光設定係包括環境設定。
- 如請求項33之裝備，其中該等環境設定係包括擷取的時程及感測器溫度。
- 如請求項31至34中任一項之裝備，其中複數個經雜訊降低的影像係組合成一合成影像以進一步降低雜訊。
- 如請求項30之裝備，其中該雜訊降低模組係可操作以組合複數個影像。
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