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1.2.5 相机与云台

对于无人机来说,其载荷设备可以多种多样,如负载喷洒系统的大疆T20植保无人机、搭载“大喇叭”的“喊话”无人机、搭载探照灯侦察巡查无人机、搭载快递箱的“快递员”无人机等。但是,无论是针对哪种行业应用的无人机,都不可或缺地需要一个相机(或摄像头)观察周围环境。即使是不以拍摄为主要用途的无人机,通常也会搭载一个FPV(First Person View)摄像头,即第一人称视角摄像头。例如,大疆T20植保无人机、悟2就分别搭载了分辨率为1280×960、640×480的轻型FPV摄像头。FPV摄像头就像无人机的“眼睛”,如果无人机脱离了“眼睛”,一定会让飞手心慌慌,并且在紧急情况下可能无法做出正确的避障操作。

1. 相机(摄像头)

相机可分为胶片相机和数码相机,目前无人机所采用的相机基本均为数码相机,即通过成像原理通过感光元件记录光线的设备。常见的感光元件(感光传感器)包括CMOS和CCD两类。CMOS的全称为互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS),而CCD的全称为电荷耦合器(Chagre Couled Device,CCD)。两者的原理上都是将光子信号转为电信号,但是其结构和制造工艺存在众多差异,并且CMOS一般采用循环曝光,CCD一般采用全局曝光。通常,CCD在感光灵敏度、噪声控制要强于CMOS,但是CCD的成本相对较高,良品率低,且一旦出现坏点,会使得整个CCD元件报废。但是,随着CMOS的技术和工艺逐渐发展成熟,CMOS传感器的画质越来越强,并且具有低成本、低功耗、高能效等特征,在手机、无人机等领域上广泛运用。大疆消费级无人机多数采用CMOS传感器。

使用航拍相机时,应当特别注意快门、光圈、相对感光度、曝光、白平衡、对焦、变焦等各种参数的设置。

1)快门、光圈、相对感光度与曝光

照片的明暗程度基本由快门时间、光圈大小和相对感光度所决定,而曝光是快门时间和光圈大小的组合。相机的曝光量过大,使得亮的部分泛白,不能展现其细节和层次,称为曝光过度(过曝)。反之,相机的曝光量过小,使得暗的部分变为黑色,不能展现其细节和层次,称为曝光不足(欠曝)。

● 光圈大小(Aperture):光圈大小,即为相机镜头进光孔的大小。在其他条件不变的情况下,光圈越大,照片的曝光量也越大,通常用f值表示光圈大小,如f/1、f/1.4、f/2等。另外,光圈大小也影响了景深,更大的光圈意味着更浅的景深。目前,绝大多数消费级大疆无人机的相机为固定光圈,但精灵4 Pro、御2等为可变光圈。

● 快门时间(Shutter):快门时间,即为感光元件记录光电信号的时间,通常以秒为单位。在其他条件不变的情况下,快门时间越长,照片的曝光量越大。相机快门包括机械快门、电子快门和组合快门等类型。例如,大疆精灵3采用电子快门,而精灵4 Pro和精灵4高级版使用了机械快门。机械快门可以在一定程度上减少画面扭曲,避免拖影现象。

● 相对感光度(ISO):改变ISO时可改变感光元件对光线的敏感程度。在其他条件不变的情况下,ISO越大,照片越亮,通常可分为低感光度(ISO在100与400之间)和高感光度(ISO在500以上)。事实上,ISO并不能改变照片的曝光量,而是通过调整感光元件的敏感程度而使得照片“显得更亮”,因此在ISO过高时其感光元件的测量误差就会非常明显,即出现照片“噪点”。在光线等条件允许的情况下,应当尽可能使用低ISO拍摄照片,这样可以拍摄出更加高质量的照片。

通常,无人机相机可以通过自动模式和手动模式调整相机的曝光量。如果使用自动模式调整曝光量,相机会根据用户选定的测光位置(测光模式)自动对环境进行测光,并自动设置拍摄照片时的光圈、快门和感光度等参数,尽可能避免过曝和欠曝的情况。在自动模式下,还可以通过调整曝光补偿(EV值)来调整照片的明亮程度。EV通常仅可设置为-2、-1、0、1、2等几个数值。当EV值为负值时,相机会减少曝光量;当EV值为正值时,相机会增加曝光量。

对于无人机而言,绝大多数的拍摄场景为户外,不适合也无法使用闪光灯,因此对于曝光量的控制对于航拍爱好者来说尤为重要。

2)白平衡

由于相机在拍摄时物体可能被不同颜色的光线所照射,所以使得被拍摄物体的颜色不是其原本的颜色。物体反射各种不同条件的光线所形成的颜色称为条件色。物体在白色光线照射下的表观颜色称为固有色。白平衡设置就是为了还原物体准确的固有色,或者对其进行色彩的艺术加工。白平衡一般通过色温进行设置。色温可以反映一个照片的“冷暖”。日光的色温在5600K左右。照片色温低于5500K时偏“冷”,高于5500K时偏“暖”。通过白平衡设置,可以将光源的色温按照实际环境设定为蜡烛光(1900K)、荧光灯(3000K)、闪光灯(3800K)、天空(12000~18000K)等,从而尽可能地还原物体的固有色。另外,相机可设置为自动白平衡(AWB)模式,通过构建多种环境色彩模型,尽可能地还原物体原本的色彩。

❀ 照片一般以JPEG、PNG等格式存储在相机存储设备中。但是,多数相机均提供了RAW格式的照片存储方式。RAW格式记录了在某个曝光设置下,照片内各个像元的感光原始数据。RAW格式内各个像元的值与白平衡的设置无关,因此可在后期对RAW格式的数据进行各种白平衡尝试,以达到最佳效果。

3)对焦与变焦

对焦是指通过电机改变镜头与感光元件的距离,从而让被拍摄的主体呈现清晰的影像。由于无人机拍摄的场景多为距离很远的事物,因此许多无人机(如大疆精灵3)直接将对焦点设置为无穷远。

变焦是指改变镜头焦距,一般是通过电机改变镜头内部镜片之间距离实现的。变焦的直接结果就是改变照片的视场角(Field of View,FOV),从而实现将被摄物体“拉近”或者“推远”。在大疆产品中,御2变焦版相机、H20T变焦相机均可实现变焦。

2. 云台

如果直接将相机硬连接到机身上,必然难以拍摄出令人满意的摄影作品:一方面,由于无人机在运动中的姿态会不断晃动,使得相机的拍摄中心也随之变化,使得相机难以在被摄物体前保持平衡;另一方面,由于无人机在空中高速运转,不可避免地会产生大量的振动,这些振动会使得相机出现“果冻效应”。云台,即为相机等载荷设备提供稳定平台,并可改变视角的装置。云台可分为舵机云台和无刷云台。其中,舵机云台多应用在固定翼无人机的FPV摄像头,一般难以维持设备稳定,多用于改变相机朝向。无刷云台利用多个可在不同轴向运动的无刷电机提供稳定设备的功能,并且通常具有独立的惯性控制单元(IMU)和主控芯片,用于保持载荷设备的稳定。

无刷云台分为2轴无刷云台和3轴无刷云台。2轴无刷云台一般提供在俯仰和横滚方向的稳定控制,3轴无刷云台提供俯仰、横滚和偏航3个方向上的稳定控制,因此3轴云台比2轴云台更加稳定,特别是在左右转动无人机时,3轴云台可在摄影时提供更加平滑的转动效果。在大疆无人机中,除晓(spark)无人机、inspire 2的FPV摄像头使用2轴无刷云台外,绝大多数的无人机均搭载3轴无刷云台。 g1h0aWWKR1e6mYLYI9YdKa7Ie+qaFg9c0wj2ssdREl8UqVq/QAvWT42Sv0yNdP/m

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