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無人機(jī)整機(jī)
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無人機(jī)服務(wù)
設(shè)備與工具當(dāng)業(yè)內(nèi)人士均將目光瞄準(zhǔn)小型無人機(jī)時(shí)，無疑這必將掀起行業(yè)新趨勢。然而小型無人機(jī)總體而言在產(chǎn)品技術(shù)上相較當(dāng)前的主流機(jī)型差異化并不大，而性價(jià)比卻成了其關(guān)鍵的競爭因素。
隨著上個(gè)月底大疆發(fā)布小型無人機(jī)Mavic，標(biāo)志著整個(gè)無人機(jī)行業(yè)正式進(jìn)入了小型化趨勢中。然而想要在這一新興趨勢下領(lǐng)漲行業(yè)，著力剖析小型化無人機(jī)中的重要技術(shù)一定是從業(yè)者需要特別關(guān)注的信息之一。
小型化是趨勢，但云臺不可簡配。
技術(shù)要點(diǎn)在=“航拍”+“無人機(jī)”
市面上的小型無人機(jī)產(chǎn)品均需要在懸停定位技術(shù)、避障技術(shù)、視覺跟隨、圖傳技術(shù)等幾方面進(jìn)行重點(diǎn)打磨。要對無人機(jī)航拍技術(shù)進(jìn)行梳理，首先需要知道無人機(jī)航拍技術(shù)有哪幾點(diǎn)。通常來看，無人機(jī)航拍技術(shù)其實(shí)可以簡單地按照字面的“無人機(jī)”+“航拍”拆分為2點(diǎn)：
(1)影像拍攝技術(shù)，也即成像以及圖像處理技術(shù);
(2)無人機(jī)平臺技術(shù)，主要指為航拍提供穩(wěn)定的航拍環(huán)境的機(jī)身控制技術(shù)。
影像拍攝技術(shù)：目前市場上的影像拍攝方案，都是對幾個(gè)大品牌主流的攝像頭模組的集成應(yīng)用，無人機(jī)生產(chǎn)廠商在這一方面沒有太多的技術(shù)空間，而且因?yàn)榧夹g(shù)發(fā)展已經(jīng)比較成熟，不同產(chǎn)品方案之間差距并不大。因此，本篇報(bào)告僅作簡要介紹。
無人機(jī)機(jī)載平臺穩(wěn)定技術(shù)：是指除了飛行導(dǎo)航、控制等無人機(jī)自身飛行技術(shù)以外，為無人機(jī)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定航拍平臺保障的相關(guān)技術(shù)。這種技術(shù)是影響到成像質(zhì)量最關(guān)鍵的因素。
隨著近幾年智能手機(jī)的迅猛發(fā)展，智能手機(jī)相關(guān)技術(shù)得到了空前的發(fā)展，以觸摸顯示屏、處理器、攝像頭模組等為突出代表的智能手機(jī)核心的硬件技術(shù)在大規(guī)模工業(yè)化需求的基礎(chǔ)上不斷地朝著低功耗、高性能、高集成的方向發(fā)展，在這一產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，淘汰了大量落后技術(shù)產(chǎn)能，產(chǎn)品向索尼、三星等巨頭企業(yè)不斷集中。
可以看到，不論在銷量還是銷售額，索尼憑借在移動端市場的出色表現(xiàn)，牢牢占據(jù)榜首。從總的品牌分布來看，前4名的企業(yè)占有了市場近75%的份額，市場分布較為集中。
影響成像質(zhì)量的參數(shù)
在體現(xiàn)單個(gè)攝像頭模組成像水平的技術(shù)參數(shù)方面，通常大家比較關(guān)心的是一些具體、表觀參數(shù)，比如像素?cái)?shù)、光圈大小等，但是攝像頭模組上影響成像質(zhì)量的參數(shù)還有許多：單個(gè)像素尺寸、傳感器技術(shù)、鏡片組技術(shù)、ISP技術(shù)等。下面做一個(gè)簡單的介紹。
像素?cái)?shù)/分辨率：像素?cái)?shù)比如800萬像素(3200×2400分辨率)、1300萬像素(4208×3120分辨率)是目前攝像頭模組技術(shù)中最經(jīng)常被提到的概念，但是像素?cái)?shù)其實(shí)并非決定圖像清晰度的決定性因素。像素?cái)?shù)僅決定一幅圖像中有多少單位像素，也即放大后，圖片能夠展現(xiàn)的細(xì)節(jié)程度，但是每個(gè)細(xì)節(jié)以及整張照片的圖像質(zhì)量還取決于其他很多因素。
至于現(xiàn)在比較火的“4K視頻錄制”概念，指的就是分辨率達(dá)到4096×2160的影像拍攝能力，其實(shí)4K更新趨勢主要來自于播放設(shè)備以及膠片拍攝設(shè)備，因?yàn)橹暗牟シ旁O(shè)備高清標(biāo)準(zhǔn)為1920×1080分辨率，現(xiàn)在的4K像素水平是之前的4倍，面臨著許多方面的挑戰(zhàn)，同樣，膠片拍攝將從原先耳朵35mm膠片升級到70mm，面臨的是全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的升級。但是4K分辨率的數(shù)字視頻拍攝能力僅要求傳感器達(dá)到1200w像素，以及能夠與之匹配的圖像處理能力，這一點(diǎn)行業(yè)內(nèi)已經(jīng)有成熟的配套解決方案(比如高通的SnapdragonFlight平臺不僅支持4K錄制，還支持4K的立體VGA錄制)，因此，也并不構(gòu)成技術(shù)壁壘。
光圈大小：光圈大小直接影響到通光量的多少，對于成像質(zhì)量有較大影響，目前，移動類消費(fèi)電子的攝像頭模組已經(jīng)從f/2.4、f/2.2、f/2.0逐漸增大(數(shù)字越小，光圈越大)，目前手機(jī)市場上也已經(jīng)開始大面積出現(xiàn)f/1.8的攝像頭模組了。
光圈增大對于拍攝成像來說主要有兩方面優(yōu)勢：1、提高弱光下畫質(zhì);2、提高快門速度;3、減小景深。
對于航拍應(yīng)用來說，提高弱光下畫質(zhì)(夜景拍攝)以及提高快門速度(運(yùn)動拍攝)都是很有必要的，而減小景深則在人像拍攝時(shí)能夠較好的虛化背景，突出主體，這種需求對于目前以大景物對象拍攝為主要使用目的的無人機(jī)來說屬于錦上添花的功能，但是對于自拍無人機(jī)來說，是十分必要的。比如主打自拍的Dobby無人機(jī)就采用的f/1.8光圈，而大疆的精靈4則采用的f/2.8光圈。
但是從現(xiàn)有行業(yè)技術(shù)水平以及產(chǎn)品策略上來看，光圈的提升也并不是沒有代價(jià)的：
1)、大光圈的進(jìn)光量增大后，首先需要配套提高的是快門速度。在黑暗環(huán)境中，本來光線較弱，快門速度不需要提高很多即可保證拍攝質(zhì)量。但是，在白天或者光線較強(qiáng)的環(huán)境下，考慮到無人機(jī)或者移動電子設(shè)備通常采用的是固定光圈，并不能調(diào)整到合適的小光圈，因此必須要將快門速度提高從而避免過度曝光，但從目前的技術(shù)水平來看，快門速度的提高還存在一些技術(shù)瓶頸，這也是小型化設(shè)備上制約光圈增大的一個(gè)重要因素。
2)、光圈增大同樣還會引起圖像畸變以及邊緣畫質(zhì)下降。為了校正邊緣畫質(zhì)的下降以及圖像畸變，通常都會采用更多的鏡頭組以及鏡頭部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)，這對于小型設(shè)備來說，是難以實(shí)現(xiàn)的(比如iphone6以后的設(shè)備為了實(shí)現(xiàn)f/1.8的光圈以及相關(guān)的一些其他技術(shù)考慮，攝像頭高度增加，且遠(yuǎn)高于機(jī)身，凸出于外部)。當(dāng)然，小型化的考慮在無人機(jī)上還不是一個(gè)特別大的問題，但是技術(shù)實(shí)現(xiàn)可能會有一定的門檻。
傳感器技術(shù)：傳感器技術(shù)目前主要是索尼、OmniVision、三星幾家公司，尤其是索尼公司，其所推出的IMX220/230/240等系列傳感器幾乎占到了市售手機(jī)的大半壁江山蘋果、三星、索尼、華為、小米、魅族等熱門旗艦機(jī)幾乎都是采用的IMX系列傳感器。因此，在無人機(jī)上的應(yīng)用也只需要根據(jù)無人機(jī)的定價(jià)策略來選擇相應(yīng)產(chǎn)品即可。傳感器技術(shù)主要涉及到傳感器尺寸和傳感器結(jié)構(gòu)方式兩部分技術(shù)。
ISP技術(shù)：ISP(ImageSignalProcessing)也即圖像處理技術(shù)，鏡片、傳感器構(gòu)成了圖像的接收裝置，而ISP則構(gòu)成了圖像的采集和預(yù)處理，面對目前越來越高的全尺寸高幀頻的數(shù)據(jù)吞吐能力要求，ISP技術(shù)也在不斷提高。除了高速拍攝、雜噪抑制以外，相機(jī)還可以借助ISP處理器對圖像做出比較重大的調(diào)整，HDR技術(shù)就是一個(gè)很明顯的例子。
HDR技術(shù)是ISP技術(shù)的一個(gè)主要應(yīng)用，其可以通過采用不同的曝光策略連續(xù)拍攝數(shù)張照片，并通過ISP處理器對幾張照片進(jìn)行合成，保留了暗部和高光的細(xì)節(jié)，大大增強(qiáng)了畫面的層次感，如果這一合成算法是由手機(jī)自身的處理器完成的話，勢必加重處理器負(fù)擔(dān)，而且考慮到圖像處理的特殊性，可能效果并不完美，從而很多廠商設(shè)立了獨(dú)立的ISP處理器，專門對照片進(jìn)行預(yù)處理。還可以ISP技術(shù)還可以對畫面的整體渲染效果做出調(diào)整，不同的廠商有這不同的調(diào)教傾向。
自動對焦技術(shù)也是ISP的一個(gè)主要功能。目前主要有三種主流的自動對焦方式，分別為：反差對焦、相位對焦、激光對焦。這三種對焦方式，尤其是反差對焦，需要對圖像進(jìn)行全景掃描處理，ISP資源消耗巨大;相位對焦也需要對圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，雖然計(jì)算量小，但是速度要求較高，同樣對ISP有能力要求。
因此，不論從成像觀感、自動對焦拍攝使用等角度來看，ISP技術(shù)都對拍攝成像有較大影響。
從上面的分析可以看出，影響最終成像質(zhì)量的因素很多，而且很難通過單一調(diào)整參數(shù)提高整體水平，因此，攝像頭模組的設(shè)計(jì)是一個(gè)相當(dāng)考驗(yàn)工業(yè)設(shè)計(jì)水平的核心技術(shù)領(lǐng)域，從目前的現(xiàn)狀來看，國內(nèi)無人機(jī)廠商對于這一領(lǐng)域的探索還較為初步。但是，必須要注意到的一點(diǎn)是，目前攝像頭模組技術(shù)的發(fā)展從某種意義上來說確實(shí)已經(jīng)相當(dāng)成熟。成像技術(shù)對于性能的提升，大部分都在專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)才能顯現(xiàn)出差異，對于一般消費(fèi)者來說，對于使用體驗(yàn)的提升并不明顯，成像技術(shù)對于最終畫質(zhì)提升邊際效應(yīng)應(yīng)該還是較弱。
我們認(rèn)為，成像技術(shù)固然重要，但是按照目前的成熟度和提升潛力來說，專注于無人機(jī)拍攝平臺的穩(wěn)定技術(shù)相比于成像技術(shù)來說，對使用感受的提升更為明顯。
機(jī)載平臺穩(wěn)定技術(shù)
四旋翼無人機(jī)之所以在航拍中得到廣泛應(yīng)用，很大一部分原因是其所具備的穩(wěn)定性以及操作的簡易性。其中，穩(wěn)定性對于航拍來說，更是至關(guān)重要。
1.在拍攝視頻時(shí)，畫面的抖動、傾斜都會嚴(yán)重影響畫面的流暢度和美觀度;
2.在拍攝照片時(shí)，尤其是弱光情況下，如果曝光時(shí)間較長，機(jī)身的抖動會引起畫面的模糊;若減少曝光時(shí)間，則需要提高感光度，噪點(diǎn)增多，影響畫質(zhì)。因此，機(jī)身的穩(wěn)定對于拍攝來說至關(guān)重要。
影響機(jī)身穩(wěn)定的主要因素
在分析機(jī)身穩(wěn)定技術(shù)之前，首先需要確定，對無人機(jī)機(jī)身穩(wěn)定造成主要影響的來源有哪些?按照當(dāng)前四旋翼無人機(jī)的典型情況，可以將對于機(jī)身位置、姿態(tài)造成擾動的幾個(gè)因素歸結(jié)如下：1、懸停定位不精確造成的水平位置以及高度的飄逸;2、機(jī)體作動時(shí)的機(jī)身傾斜與抖動;3、電機(jī)震動、突風(fēng)等帶來的干擾。對于不同類型的擾動，無人機(jī)系統(tǒng)上采取了不同的策略進(jìn)行應(yīng)對。
對于水平以及高度的飄移，在室外，也即GPS信號良好的情況下，無人機(jī)會主要根據(jù)GPS信號進(jìn)行定位。但是限于民用GPS系統(tǒng)自身的精度有限且更新頻率較低，單純依靠GPS系統(tǒng)進(jìn)行定位較為困難，通常無人機(jī)還會引入慣性模組進(jìn)行組合定位。當(dāng)處于室內(nèi)或者GPS信號接收受限的情況下，無人機(jī)系統(tǒng)還采用對地?cái)z像頭進(jìn)行光流定位。光流定位是一項(xiàng)近年來興起的基于圖像的定位方式，在距離地面較勁時(shí)，使用效果良好。
如果說位置的飄移屬于慢動態(tài)的擾動，那么無人機(jī)機(jī)動時(shí)所引起的機(jī)體傾斜、抖動則是高頻擾動因素，對于畫面的影響十分顯著。對于機(jī)身在水平方向移動時(shí)所帶來的機(jī)體傾斜，以及機(jī)體作動時(shí)的抖動等干擾因素，對圖像拍攝效果影響較大，必須通過掛載穩(wěn)定云臺抵消影響。
對于電機(jī)震動、突風(fēng)擾動等因素，考慮到其屬于較高頻擾動，可采用空心橡膠球彈簧進(jìn)行高頻震動濾除，即可取得較好的效果。對于突風(fēng)等干擾，由于其形式、大小均存在較大的隨機(jī)性，很難保證完全消除影響，只能考慮結(jié)合云臺、光流等多種形式對其影響進(jìn)行抑制。
最后，不能忽略的一個(gè)技術(shù)是電子穩(wěn)像技術(shù)。電子穩(wěn)像技術(shù)是在不借助機(jī)械設(shè)備的前提下，通過傳感器，感受機(jī)體運(yùn)動，從而在顯示畫面上對圖像進(jìn)行剪裁、拼接的修正，從軟件的角度，一定程度上實(shí)現(xiàn)了圖像穩(wěn)定的意圖。在這一方面，運(yùn)動相機(jī)GoPro是最早成功推出產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)應(yīng)用的，其所推出的GoProHero系列運(yùn)動相機(jī)，具有較為良好的電子穩(wěn)像人能給力，也憑借這項(xiàng)技術(shù)，在運(yùn)動相機(jī)市場占有了較大份額。
但是電子穩(wěn)像技術(shù)通過對抖動后的圖片進(jìn)行處理，天生就不具備先發(fā)優(yōu)勢，是一種被動的后期處理方式。因此，可能會帶來一些比較明顯的問題也即所謂的“黑邊現(xiàn)象”。
總的來說，電子穩(wěn)像技術(shù)雖然補(bǔ)救能力有限，但是作為一種微調(diào)或者修正措施，是經(jīng)常選用的，出了大疆的Mavic以外，目前市售航拍無人機(jī)基本都采用了“機(jī)械云臺+電子穩(wěn)像”兩條腿走路的思路。只有沒搭載云臺的小型自拍無人機(jī)才會只采用電子穩(wěn)像技術(shù)。
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