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照出事後可對焦的相片: 光場照相術與新相機 ! Lytro Light Field Camera

Scimage
・2011/06/23 ・989字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 514 ・六年級

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雖然照相術已經發明很久了,但是新的改進仍不停的產生,例如之前介紹過的超解析度照片可以從低解析度的照片得到高解析度的影像,立體材質照片可以利用光的散射方式給出大約的材質深度,自動構圖修正可以讓照片自動變成較專業的構圖等等…這些改進都是基於對物理的認識或是軟體分析影像的進步。今天要介紹的「光場照相術」是一種野心更大的改進技術,或許能帶動另一種新相機的發展。

一般的攝影把感光元件放在像平面,讓景物能經由鏡頭投影在這平面上來成像,因為鏡頭有固定的焦距,所以一張相片只能對應到一個景物的平面(就是所謂的景深範圍,跟光圈有關);如果要改變對焦清楚位置,只能經由改變鏡頭位置來達到。不過理論上,一個平面上通過的光一定有所有景深影像的訊息,不然固定的相機就照不出對焦位置不同的影像;相片之所以不能紀錄這所有訊息的原因,是因為感光元件只能紀錄在像平面的光強,而不管每一道光(光子)的來源方向,所以剛好對焦的就清楚,沒有對到焦的就散開;只有移動像平面,才能讓沒對焦的光又聚合在一起。

光場攝影術的概念是由居禮夫人的指導教授所提出來的,主要概念就是不只要紀錄光的強度,更要對所有光子進入的角度進行紀錄。只要紀錄了這些資訊,理論上就可以知道哪些光雖然沒有對到焦,可是其實在另外的平面可以成像,而紀錄入射角度的方式就是在像平面放一塊小透鏡,然後每個小透鏡後面有一群感光元件(CCD像素),不同角度的光進入透鏡以後就會被轉到不同的感光學件上被紀錄下來;這樣一來, 照出來的照片就不僅有亮度的資訊,還有入射光角度的資訊。

所這樣的照出來的特殊相片 (微觀影像如上圖) 只要經過軟體處理就可以合成出各種對焦位置影像;當然這種技術有缺點跟限制,那就是必須用很多的像素來儲存一個最後像素中所需要的資訊,所以解析度很差。最後的像素多寡取決於小鏡子的數目,不過隨著微鏡片技術跟CCD像素不斷發展,終於目前快要有可以有商品化的相機產生,就是下面所介紹的影片 (只有九萬個小鏡子,就是大約300×300的解析度)。或許在不久之後,像素能慢慢提升到不太差的水準。

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革命性相機 先拍照後對焦
效果測試網站: 點滑鼠可以改變焦點

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本文原發表於科學影像Scimage[2011-06-23]

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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知識大圖解:拆解全片幅數位單眼相機
知識大圖解_96
・2015/01/12 ・639字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

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我們打開Nikon D600,檢查其內部組件

D600是Nikon出產的全片幅數位單眼反射式相機(DSLR),旨在提供消費者一台具備專業性能但價格平易近人的相機。

拜大小為35.9×24公釐的CMOS感光元件所賜,它的畫素高達2430萬像素。與D600價位相近的款式通常感光元件只有其一半或四分之一大,這是由於傳統的全片幅感光元件成本相當高,導致每一片矽晶片可生產的感光元件數量較少。

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以全片幅感光元件擷取的圖像由EXPEED 3成像引擎處理。EXPEED 3是內含多中央處理器(CPU)的媒體處理器,可以執行多重任務,例如色彩再現、灰階處理、影像銳化、伽馬校正和壓縮等。由於有多CPU,EXPEED 3成像引擎能夠平行執行多項任務,因此相機連拍速率可每秒高達5.5張。

與其他同樣高級的全片幅相機相較,D600最重要的特點是它輕便的設計──體積為14.2×11.2×8.1公分,重量也輕。而輕便背後的奧祕在於整合雙SD卡插槽,並選用體積較小的內部晶片和電板。

何謂全片幅?

全片幅單眼相機的感光元件相當於35mm底片的大小,主要優點是以全片幅感光元件拍攝的影像範圍較一般感光元件來得大,因此畫面不會被裁切,拍攝到的角度也更寬廣。舉例而言,一個24mm的鏡頭若是裝在全片幅相機上,則可拍攝到視角84度的影像,而焦距轉換率為1.5的一般相機則只有62度。除此之外,全片幅相機能應用於較大的感光點,進而取得更寬廣的動態範圍與更低的雜訊,因此影像即使過曝仍能保留細節。

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本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第04期(2015年1月號)

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知識大圖解:圖解攝錄影機的運作原理
知識大圖解_96
・2014/10/23 ・951字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 504 ・六年級

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數位攝影機如何捕捉、記錄高解析度影片呢?

現代數位攝影機的運作原理基本上與1980年代的大型VCR類比攝影機相同,兩者都包含了鏡頭、成像器和儲存媒體,但最大的不同是如今的攝影機將類比資料轉成了數位格式,而攝影技術整體也縮小成更實用、適合手持的大小。

攝錄影機透過鏡頭將現場光線的樣式聚焦在成像器上,成像器通常為CMOS感光元件或CCD(電荷耦合元件)。CCD是一種小半導體,可容納大約50萬感光單元(對光敏感的迷你二極體,可以測量光子數量,並且將光子轉換為電荷)。播放影片時,電荷強度會幫助攝錄影機判斷該點的光線強度。顏色則藉由測量綠色、紅色和藍色的程度決定,因為所有顏色都可由混合這三原色重現。

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為了捕捉動態影像,CCD會將影片中的每格畫面傳送到主成像器後方,轉像系統中的外加感光器。這第二個感光器會將每個感光單位的電荷傳送到類比/數位轉換器,而第一層感光器則會自行清空,準備捕捉下一個影像。

最新的頂級攝錄影機雖然體型小,容納的技術卻多得驚人。舉例來說,日立的超高清攝錄影機(Super Hi-Vision)每秒可以拍下120張3300萬像素的影像,精細程度相當於IMAX電影。

什麼是感光元件

互補式金氧半導體(CMOS)感光元件是一種影像感應器,已取代多數行動電話、網路攝影機和數位單眼相機中的CCD。CMOS感光元件利用像素上的微小電晶體來個別捕捉每個點。電晶體會吸收並放大捕捉光點轉換而來的電荷,接著再透過電線傳送。

CMOS感光元件將影像處理和捕捉的功能整合在同樣的裝置上,耗電通常小於CCD,遲滯現象較少,也比較不涉及昂貴的製程。CMOS感光元件也因此常見於手機相機裡,因為手機正需要更便宜、省電的元件。CMOS感光元件因其線路很容易產生影像雜訊,畫質通常遜於CCD,因此後者常用於較高端的影像技術。

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類比 VS 數位

數位與類比攝錄影機之間的最大差異在於資料的記錄方式。類比攝錄影機通常利用VHS磁帶記錄磁圖案,但有兩個最大的問題:需要大量的實體空間來存放卡帶,也需要硬碟上的虛擬空間;此外,類比資料每複製一次,就會「褪色」一些。相反地,資料數位化可以壓縮影像,在記憶卡或固態硬碟中所佔的虛擬空間少了許多。資料也可以原封不動地複製,不會像類比資料一樣隨時間褪逝。

本文選自《HOW IT WORKS知識大圖解 中文版》第01期(2014年10月號)

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