自從數位攝影快速興起，取代了傳統底片相機後，不管是專業攝影師或一般普羅大眾，均受惠於近乎於零的拍照成本，而製造出大量數位影像檔案。然而，數位影像檔案的氾濫，已經對許多使用者造成管理上的不便。以目前的數位影像檔案管理機制來看，使用者只能以日期或特定的檔案格式，來存取或管理在散布在電腦中數百個檔案夾裡的相片。這是一種極為原始且不人性化的資料管理方式。因為在通常狀況下，對消費者來說，知道「我在澳洲度假時拍的照片存在哪裡？」，比知道「2007年6月7日到28日間所拍的照片存在哪裡？」更有意義。
因此，隨著數位相機每年出貨量已發展到超過一億兩千萬台的成熟地步，不同品牌的數位相機間除了在外觀、尺寸、畫素解析度、成本等各方面做不同的功能提升與差異化設計外，也開始思考其他可創造出差異化的因子。照片地理標記功能(Geotagging)，也就是在照片中加入位置訊息，遂被不少數位相機與其周邊配件視為一大差異化的賣點。
此外，網路相簿的流行，也帶動照片地理標記功能的需求。目前幾家主流的網路相簿業者，如Google Picasaweb(圖1)、Flickr及Locr等，均提供使用者透過地理標記來檢視與管理照片的方式，讓使用者能以地理資訊為經緯，將照片顯示在地圖上。此一空間表現方式可為消費者的相簿增加全新的檢視效果。
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| 圖1 Google Picasaweb 可支援地理標記照片 |
地理標記功能瓶頸阻礙普及
雖然數位相機市場對照片地理標記的需求相當強勁，且許多軟體與網路上的服務也能支援照片地理標記功能，但利用全球衛星定位系統(GPS)來進行三角定位，以便在相機上增加位置記錄能力，卻面臨了兩項主要障礙，使其無法為大量市場所採用。
首先，在正常狀況下，GPS接收機通常需要30～60秒左右的定位時間，才能鎖定足夠的衛星訊號。這是消費者無法接受的，因為消費者已習慣了「即拍即得」拍照體驗，而不是「等等再拍」使用模式。其次，為了實現照片地理標記功能，相機製造商須在系統中增加GPS接收器電路，但由於GPS接收機所接收到的原始資料，還須經過額外的運算處理，才能轉化成每張照片的地理位置，因此會增加中央處理器(CPU)的運算負荷量，對相機的電池壽命造成負面影響。
因此，成熟的即時GPS地理標記相機和配件，僅受到早期採用者和專業用戶的歡迎，因為他們願意忍受這些不方便，以擁有最先進的相機裝置。
但對一般消費者而言，不太可能會為了使用照片地理標記功能，而放棄即拍即得的拍照樂趣。因此，必須等待定位完成且成本昂貴的地理標記功能或配件，很難在一般消費型相機市場上普及。
設計理念翻轉有助突破障礙
然而，由於地理標記功能可帶來顯著的效益與價值，因此嵌入式GPS方案供應商仍有強烈的動機進行投資研發，用軟硬體雙管齊下的方式來克服這些瓶頸。
如前所述，在相機中添加地理標記功能的兩大技術挑戰在於，如何將定位時間縮短到近乎即時的程度，以及降低對電池壽命的負面衝擊。為了達成這兩個目標，晶片業者遂從應用需求的角度，重新思考GPS功能該如何整合到相機或其周邊配件中，才能獲得最好的效益。例如，當相機使用者在拍照的當下，其實並不需要立刻知道拍攝地點的位置訊息。既然如此，系統設計人員何必要耗費相機的CPU運算效能來為每一張照片計算位置？
因此，嵌入式GPS供應商提出的「擷取和處理」(Capture & Process)概念，便是從這點出發，讓相機先單純地擷取原始取樣的GPS衛星訊號並將其儲存後，待使用者回到家中將相機與個人電腦/麥金塔電腦(PC/Mac)連線後，透過對應的軟體工具，並利用電腦的運算效能來做位置運算。這種作法有助於大幅縮短GPS的定位時間並降低功耗，例如相機內建的GPS或外部定位配件所需的「定位時間」(其實並非真的在現場完成定位，只是擷取GPS衛星訊號而已)可以從30～60秒大幅降低到五分之一秒的時間，且由於毋須勞煩相機或周邊配件的CPU進行位置運算，因此系統的功耗極低。
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| 圖2 Jobo公司推出的PhotoGPS即為以擷取和處理概念為基礎的熱靴配件 |
這種方式也有助於降低GPS功能的實作成本。相機或周邊供應商僅需在產品中內建一小尺寸、簡單的GPS射頻接收器晶片，就可以提供精確度達10公尺以內的地理位置標記。
此一概念目前已經獲得領先相機配件業者如JOBO和DXG Technology採用(圖2)，並已有產品上市。由於其效能與功耗優勢顯著，且可以在不影響使用者拍攝經驗的前提下，得到內建相片地理標記的結果，因此頗受使用族群的好評。
PC工具軟體/GPS接收機各司其職
事實上，如果不採用擷取和處理的概念，要消除等待時間幾乎是不可能的任務。因為來自GPS衛星的定位數據是完成定位功能不可或缺的元素，但由於GPS衛星訊號的傳輸速率(Baud Rate)非常緩慢，每秒只有50位元，且一個完整的訊框(Frame)長度長達1,500位元，因此即便在最佳狀況下，GPS接收機也得要花費30秒來下載整個訊框，這是等待時間難以縮短的原因之一，特別是儲存衛星位置的星曆資料(Ephemeris Data)，其下載時間相當漫長。此外，GPS系統要完成定位工作，必須要有來自四個衛星的數據資料才能完成。目前在地球上空有約三十個GPS衛星在軌道上運行，且全部都在不同的分碼多重存取(CDMA)通道上發送訊號，因此相機上的GPS接收機必須具備能偵測可見衛星的能力。
由於這些基本條件限制，可以獲得一個結論：如果定位工作一定要在相機上解決，不管軟、硬體如何設計，都無法消除等待時間。但問題不一定要透過相機來解決。「擷取和處理」只負責為相機擷取原始的衛星訊號，不做其他事情；較困難(耗時且耗能)的原始數據處理任務，則可稍後在PC或Mac上用軟體來計算出位置定位。
工程師讀者可能會有疑問，這個概念要如何解決星曆資料下載時間漫長的問題呢？如果GPS接收機只隨機擷取200毫秒的衛星訊號，其所下載的資料中不可能包含完整的星曆資料；若沒有此一資料，就不可能在稍後計算出位置定位。確實如此，但由於擷取與處理架構中導入了PC或Mac來做後端運算處理，因此透過電腦的網路連線能力，應用程式可以從其他地方來取得這些資料。其實，某些GPS晶片商本身便有一套自行建置的線上資料庫，儲存從全球各地衛星接收器所收集到的歷史星曆資料。
其實，在擷取與處理這個架構中，相機上的GPS接收機的工作非常單純--只須根據快門觸發訊號，來執行200毫秒的訊號擷取工作並將之輸出。以熱靴配件為例，其動作機制就只有透過標準熱靴接頭來接收觸發訊號，進行接收擷取和資料儲存。產品製造商也不必在系統中內建CPU，因此擷取可以非常輕巧，且擁有較長的電池壽命。
當使用者將相機帶回家中，連接上電腦後，使用者一邊將照片下載至電腦中儲存時，也可以同時擷取到的GPS原始資料送到電腦上進行後續處理。這分處理工作須使用特定的應用軟體來進行。以本文的實作為例，由於在拍照現場所擷取到的每一段200毫秒資料都包含原始衛星訊號，因此這些訊號跟資料庫上所有的衛星訊號進行比對後，就可知道接收機當時接收到的訊號來自哪些衛星，然後再進行定位量測工作。此外，透過比較每個衛星的偽隨機展頻碼，亦可推知可視衛星GPS訊號傳送到相機的時間，因為這項參數是已知的。
將此資訊加到由線上服務提供的星曆資料中，可以讓軟體知道衛星在軌道上的位置，然後PC/Mac地理標記軟體就具備了所有計算每張照片位置經緯度所需的資訊，且通常不用1秒就可完成計算。此一線上服務同時也具備將街道地址與經緯度匹配的智慧，能將每張照片以位置定位重疊在實際地圖上。圖3為整個擷取與處理架構中所需的元素。
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| 圖3 擷取和處理架構的四大元素 |
擷取與處理分割作業有助開展GPS多元應用
簡言之，擷取與處理是一個兩個步驟的定位流程。使用者可以帶著各種可攜式的GPS接收機，到欲定位的地點進行GPS訊號擷取的工作，然後再將所得到的原始資料帶回電腦上進行定位量測。這種架構由於具備快速完成訊號擷取，以及電池壽命可長達數個月的超低功耗特性，因此除可應用在數位相機之外，也可以被應用在各種手持式或可攜式記錄器，如運動追蹤或寵物/牲畜追蹤等。
當然，這種架構也有其缺點，亦即無法在訊號擷取現場完成定位作業，且須仰賴如歷史輔助伺服器等線上衛星資料庫的輔助。但這無損於其價值，因為並非所有應用都有即時顯示定位結果的需求，如本文所描述的數位相機應用，便是其中一例。因此，擷取與處理架構的出現，將有助GPS技術拓展至其他新應用領域。
(本文作者任職於u-blox)