作者： VI Ventures LLC 首席執(zhí)行官 DEBBIE SNIDERMAN

除了無線自拍桿、運動相機和活動攝影中的消費者使用之外，無人機成像正在進入許多商業(yè)、政府和公共安全應(yīng)用。越來越多的無人機/無人機被用來代替直升機檢查高壓輸電線，這是一項昂貴且有時危險的工作。它們用于航空攝影、能源、森林管理、測繪和測量、石油和天然氣以及野生動物監(jiān)測應(yīng)用，以及秘密行動、應(yīng)急響應(yīng)、有效載荷交付、安全和監(jiān)視、戰(zhàn)術(shù)行動、搜索和救援、執(zhí)法，甚至醫(yī)療行動。

航空成像有其自身的需求。無人機嵌入式系統(tǒng)需要比其他移動設(shè)備更多的處理能力來處理飛行控制、高級分析、視頻拼接和無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。當需要在現(xiàn)場進行預(yù)覽和共享時，片上系統(tǒng) (SoC) 可以在通過 Wi-Fi 實時流式傳輸?shù)耐瑫r錄制視頻。電子圖像穩(wěn)定 (EIS) 和去扭曲等軟件功能允許拍攝全景視頻，從而減少對機械云臺的需求。許多無人機應(yīng)用還需要獨特的攝像頭、傳感器和光學(xué)器件。

是什么讓無人機相機與眾不同？

堅固耐用的工業(yè)無人機相機進入非消費類無人機。工業(yè)相機制造商 Lumenera Corp. 的銷售工程師 Brendan Lelieveld-Amiro 表示，專用相機與 GoPro 相機、手機和數(shù)碼單反相機等設(shè)備中的低成本消費級相機有很大不同。

許多高端無人機應(yīng)用程序需要相機提供原始格式的圖像，而無需進行有損壓縮。運行精密檢查的用戶需要相信相機提供的數(shù)據(jù)是準確的，無論是用于農(nóng)業(yè)還是檢查水壩的細線裂縫。任何美化、增強或壓縮圖像的處理都可能使數(shù)據(jù)對高端商業(yè)應(yīng)用毫無用處。

工業(yè)相機還使用高精度和確定性觸發(fā)。從他們被告知拍照到曝光過程開始時，它們會在幾微秒內(nèi)觸發(fā)。Lelieveld-Amiro 表示，消費類相機在全手動模式下的延遲可以從 50 毫秒到近 1 秒不等，這對于工業(yè)應(yīng)用來說并不會減少。同步對于使用來自飛行系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)（例如來自機載 GPS、速度、高度和時間戳信息的精確坐標）標記圖像非常重要。

當無人機攜帶多個攝像頭進行精密成像等應(yīng)用時，同步和定時也至關(guān)重要。在移動的無人機中，所有指向下方的攝像機都需要同時拍攝照片，以便正確重疊它們的圖像。

許多精密成像應(yīng)用使用多光譜成像系統(tǒng)。單獨的相機在指向同一位置時收集可見光譜和近紅外 (NIR) 光譜中的彩色圖像。圖像處理用于拼接和對齊圖像以查看不同的響應(yīng)帶。

NIR 在精準農(nóng)業(yè)檢查中很重要，在這種檢查中，根據(jù)作物的健康狀況，NIR 將被不同地吸收或反射。圖像允許用戶創(chuàng)建歸一化差異植被指數(shù) (NDVI)，這是作物健康的圖形指標。近紅外成像也用于無人機，提供建筑物檢查，以揭示超出可見光譜的其他感興趣的信息。

額定用于商業(yè)用途的無人機攝像機也經(jīng)過加固，能夠承受高水平的振動、不同的溫度和濕度范圍，與非商業(yè)用途（如數(shù)碼單反相機或傻瓜相機）相比，正常運行時間和可靠性更高相機。

商業(yè)工業(yè)相機沒有板載存儲。它們確實包含內(nèi)存緩沖區(qū)，但會將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)?SoC 或單板計算機，以便在飛行時進行存儲和可選處理。根據(jù)圖像結(jié)果，如果軟件發(fā)現(xiàn)由于云層覆蓋而丟失的位置或圖像不佳，無人機可以改變其飛行模式。它們甚至可以用來確保避免與電力線或其他無人機發(fā)生碰撞。

過濾器也可用于工業(yè)相機，具體取決于應(yīng)用。帶有透明玻璃的單色相機和彩色相機很常見，客戶可以指定覆蓋 380 至 1,000 nm 光譜的濾光片。一些使用可見阻擋濾光片來僅查看 NIR 信息，而另一些則使用單獨的相機拍攝紅色、綠色和藍色并阻擋 NIR。還有用于該光譜之外不同波長的離散相機，可以并行使用。

單色相機傳感器仍然非常重要，用于檢測應(yīng)用。由于內(nèi)置拜耳過濾器和轉(zhuǎn)換或去拜耳/去馬賽克算法以數(shù)字方式處理和重建全彩色圖像，因此使用彩色相機會降低圖像的分辨率。單色相機提供完美的像素到像素信息，而不會使用拜耳模式或丟失分辨率。

許多無人機正在自動駕駛，因此防止或最大限度地減少停機時間很重要。相機經(jīng)認證可承受比消費級相機更大的沖擊和振動，并實現(xiàn)更長的平均故障間隔時間。

雖然手機中的相機在同一個包裝中包含一個鏡頭，但在商用無人機相機上，它們是單獨指定、連接和遠程控制的。他們沒有移動會隨著時間推移而磨損的機械鏡頭快門，而是使用電子數(shù)碼快門。軟件調(diào)整焦距和光圈，以便在戶外條件發(fā)生變化時對飛行期間拍攝的所有圖像進行精確控制和均勻性。

消費級相機分辨率的趨勢正在發(fā)生變化。從歷史上看，它一直朝著更高分辨率的方向發(fā)展，但是，Lelieveld-Amiro 解釋說，許多手機制造商已經(jīng)停止推動這一點?！霸谝欢〝?shù)量之后，它就不再有意義了。大多數(shù)時候它都太高了，而且包含的鏡頭不足以利用分辨率，”他說。

在無人機中，所需的分辨率取決于地面分辨率。它文件越高，需要更高的分辨率才能在地面上獲得 1 厘米/像素。在某些商業(yè)應(yīng)用中，法規(guī)規(guī)定了無人機在某些州的飛行高度。因此，分辨率和幀速率很重要。

無人機攝像機的分辨率范圍從 1 到大約 29 兆像素，最高用于高空飛行或需要非常高的地面采樣距離 (GSD) 的應(yīng)用。精密農(nóng)業(yè)、電力線和輸油管道檢查相機通常使用 2 到 12 兆像素的相機。

對于那些飛得更低的，在幀率和分辨率之間有一個權(quán)衡，選擇取決于很多事情，比如相機指向的角度、過采樣量以及用戶對圖像數(shù)據(jù)的處理方式。Lelieveld-Amiro 說，在 Lumenera，最高分辨率的相機提供 6 fps，而最低的可以提供 270 fps。

Lumenera Lt 系列 USB 相機。

航空攝影：無人機上的視頻

ARRI 技術(shù)營銷和戰(zhàn)略業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān) Stephan Ukas-Bradley 補充說，在用于電影空中覆蓋的數(shù)字移動攝影機市場中，動態(tài)范圍也變得很重要。Alexa Mini 相機的用戶需要對光敏感的大像素才能模擬膠片。他們不想在云中拍攝時丟失任何細節(jié)，并且希望即使在無人機指向太陽時也能捕捉到最多的光線。

“當無法用直升機拍攝時使用無人機，因為它們更小并且可以在城市環(huán)境中飛行?！盀蹩ㄋ?布拉德利說。

為抵御戶外環(huán)境，高端無人機攝像頭要經(jīng)過嚴格測試，遠遠超出小型移動設(shè)備中的傳感器。例如，Alexa 攝像機是密封的，以防止霧氣或沙子進入或造成損壞，并在工業(yè)振動臺上進行振動測試，其振動與卡車在粗暴怠速運行時的振動相當。這些攝像機還在 –20°C 至 45°C 的環(huán)境室中進行了測試，設(shè)計用于從南極到沙漠的任何地方。

Freefly Alta 無人機上的 ALEXA Mini 攝影機被用于拍攝由 Casey Warren 和 Danielle Krieger 執(zhí)導(dǎo)的短片“The Journey”。

帶有熱成像傳感器的機載輻射測量

熱像儀成像傳感器能夠看到微小的溫差。在無人機上，商業(yè)熱檢測涵蓋了廣泛的用戶。在高端，查看水壩、管道和發(fā)電廠或執(zhí)行搜救或消防檢查需要性能和安全性。低端用戶檢查屋頂、太陽能電池板或房地產(chǎn)，并可能將他們的無人機存放在車內(nèi)。

將 FLIR 的 Duo 相機集成到無人機上。

FLIR Systems 高級副總裁 Jeff Frank 說：“雖然我們集成到無人機相機中的傳感器技術(shù)本身與我們在手持系統(tǒng)中使用的相同，但獲得準確的機載輻射測量所需的方法在幾個方面都是獨一無二的?！?無人機上的傳感器通常在距離目標 50 到 100 米的地方運行，比手持應(yīng)用中典型的 5 到 10 米更遠。

FLIR 的 Duo 相機集成在 Phantom 上。

當它們高速飛行時，它們也可能會暴露在顯著的溫度變化中。由于大氣的變化會影響熱能的傳輸，因此這些較長的距離需要額外的處理以實現(xiàn)更高水平的輻射測量精度。優(yōu)化無人機攝像機輻射性能的另一個問題是在飛行過程中管理通過攝像機的氣流。

FLIR Duo 相機。

在地面上，攝像機平移和傾斜。無人機為收集圖像提供了不同的動態(tài)和視角。在 3D 空間中移動，取決于它的速度，需要更高精度的雙向接口，并且元數(shù)據(jù)包含在圖像信息中。數(shù)據(jù)以易于下行鏈接到地面站或?qū)崟r查看的格式存儲。

Duo 相機上使用的 FLIR Lepton 熱傳感器。FLIR 的 Duo Lepton 相機在一臺相機中同時結(jié)合了熱成像和可見光成像技術(shù)，并將它們與無人機上的數(shù)據(jù)記錄器集成在一起。

“與其他應(yīng)用相比，軍事或汽車引擎蓋下的應(yīng)用，無人機應(yīng)用是最不苛刻的，”他說。“由于相機安裝在穩(wěn)定的云臺上，除非它崩潰，否則在正常情況下，物理環(huán)境是非常良性的。由于快速移動的空氣會影響圖像質(zhì)量或增加輻射測量的變化或質(zhì)量，因此存在對氣流的擔憂。補償氣氛是關(guān)鍵。算法、飛行方法、相機內(nèi)和后處理都考慮到了這一點，并且在無人機世界中有所不同?！?/p>

審核編輯 黃昊宇