无人机相机：一种独特的光学成像方法

作者： VI Ventures LLC 首席执行官 DEBBIE SNIDERMAN

除了无线自拍杆、运动相机和活动摄影中的消费者使用之外，无人机成像正在进入许多商业、政府和公共安全应用。越来越多的无人机/无人机被用来代替直升机检查高压输电线，这是一项昂贵且有时危险的工作。它们用于航空摄影、能源、森林管理、测绘和测量、石油和天然气以及野生动物监测应用，以及秘密行动、应急响应、有效载荷交付、安全和监视、战术行动、搜索和救援、执法，甚至医疗行动。

航空成像有其自身的需求。无人机嵌入式系统需要比其他移动设备更多的处理能力来处理飞行控制、高级分析、视频拼接和无线网络应用。当需要在现场进行预览和共享时，片上系统 (SoC) 可以在通过 Wi-Fi 实时流式传输的同时录制视频。电子图像稳定 (EIS) 和去扭曲等软件功能允许拍摄全景视频，从而减少对机械云台的需求。许多无人机应用还需要独特的摄像头、传感器和光学器件。

是什么让无人机相机与众不同？

坚固耐用的工业无人机相机进入非消费类无人机。工业相机制造商 Lumenera Corp. 的销售工程师 Brendan Lelieveld-Amiro 表示，专用相机与 GoPro 相机、手机和数码单反相机等设备中的低成本消费级相机有很大不同。

许多高端无人机应用程序需要相机提供原始格式的图像，而无需进行有损压缩。运行精密检查的用户需要相信相机提供的数据是准确的，无论是用于农业还是检查水坝的细线裂缝。任何美化、增强或压缩图像的处理都可能使数据对高端商业应用毫无用处。

工业相机还使用高精度和确定性触发。从他们被告知拍照到曝光过程开始时，它们会在几微秒内触发。Lelieveld-Amiro 表示，消费类相机在全手动模式下的延迟可以从 50 毫秒到近 1 秒不等，这对于工业应用来说并不会减少。同步对于使用来自飞行系统的元数据（例如来自机载 GPS、速度、高度和时间戳信息的精确坐标）标记图像非常重要。

当无人机携带多个摄像头进行精密成像等应用时，同步和定时也至关重要。在移动的无人机中，所有指向下方的摄像机都需要同时拍摄照片，以便正确重叠它们的图像。

许多精密成像应用使用多光谱成像系统。单独的相机在指向同一位置时收集可见光谱和近红外 (NIR) 光谱中的彩色图像。图像处理用于拼接和对齐图像以查看不同的响应带。

NIR 在精准农业检查中很重要，在这种检查中，根据作物的健康状况，NIR 将被不同地吸收或反射。图像允许用户创建归一化差异植被指数 (NDVI)，这是作物健康的图形指标。近红外成像也用于无人机，提供建筑物检查，以揭示超出可见光谱的其他感兴趣的信息。

额定用于商业用途的无人机摄像机也经过加固，能够承受高水平的振动、不同的温度和湿度范围，与非商业用途（如数码单反相机或傻瓜相机）相比，正常运行时间和可靠性更高相机。

商业工业相机没有板载存储。它们确实包含内存缓冲区，但会将图像数据传输到 SoC 或单板计算机，以便在飞行时进行存储和可选处理。根据图像结果，如果软件发现由于云层覆盖而丢失的位置或图像不佳，无人机可以改变其飞行模式。它们甚至可以用来确保避免与电力线或其他无人机发生碰撞。

过滤器也可用于工业相机，具体取决于应用。带有透明玻璃的单色相机和彩色相机很常见，客户可以指定覆盖 380 至 1,000 nm 光谱的滤光片。一些使用可见阻挡滤光片来仅查看 NIR 信息，而另一些则使用单独的相机拍摄红色、绿色和蓝色并阻挡 NIR。还有用于该光谱之外不同波长的离散相机，可以并行使用。

单色相机传感器仍然非常重要，用于检测应用。由于内置拜耳过滤器和转换或去拜耳/去马赛克算法以数字方式处理和重建全彩色图像，因此使用彩色相机会降低图像的分辨率。单色相机提供完美的像素到像素信息，而不会使用拜耳模式或丢失分辨率。

许多无人机正在自动驾驶，因此防止或最大限度地减少停机时间很重要。相机经认证可承受比消费级相机更大的冲击和振动，并实现更长的平均故障间隔时间。

虽然手机中的相机在同一个包装中包含一个镜头，但在商用无人机相机上，它们是单独指定、连接和远程控制的。他们没有移动会随着时间推移而磨损的机械镜头快门，而是使用电子数码快门。软件调整焦距和光圈，以便在户外条件发生变化时对飞行期间拍摄的所有图像进行精确控制和均匀性。

消费级相机分辨率的趋势正在发生变化。从历史上看，它一直朝着更高分辨率的方向发展，但是，Lelieveld-Amiro 解释说，许多手机制造商已经停止推动这一点。“在一定数量之后，它就不再有意义了。大多数时候它都太高了，而且包含的镜头不足以利用分辨率，”他说。

在无人机中，所需的分辨率取决于地面分辨率。它文件越高，需要更高的分辨率才能在地面上获得 1 厘米/像素。在某些商业应用中，法规规定了无人机在某些州的飞行高度。因此，分辨率和帧速率很重要。

无人机摄像机的分辨率范围从 1 到大约 29 兆像素，最高用于高空飞行或需要非常高的地面采样距离 (GSD) 的应用。精密农业、电力线和输油管道检查相机通常使用 2 到 12 兆像素的相机。

对于那些飞得更低的，在帧率和分辨率之间有一个权衡，选择取决于很多事情，比如相机指向的角度、过采样量以及用户对图像数据的处理方式。Lelieveld-Amiro 说，在 Lumenera，最高分辨率的相机提供 6 fps，而最低的可以提供 270 fps。

Lumenera Lt 系列 USB 相机。

航空摄影：无人机上的视频

ARRI 技术营销和战略业务发展总监 Stephan Ukas-Bradley 补充说，在用于电影空中覆盖的数字移动摄影机市场中，动态范围也变得很重要。Alexa Mini 相机的用户需要对光敏感的大像素才能模拟胶片。他们不想在云中拍摄时丢失任何细节，并且希望即使在无人机指向太阳时也能捕捉到最多的光线。

“当无法用直升机拍摄时使用无人机，因为它们更小并且可以在城市环境中飞行。“乌卡斯-布拉德利说。

为抵御户外环境，高端无人机摄像头要经过严格测试，远远超出小型移动设备中的传感器。例如，Alexa 摄像机是密封的，以防止雾气或沙子进入或造成损坏，并在工业振动台上进行振动测试，其振动与卡车在粗暴怠速运行时的振动相当。这些摄像机还在 –20°C 至 45°C 的环境室中进行了测试，设计用于从南极到沙漠的任何地方。

Freefly Alta 无人机上的 ALEXA Mini 摄影机被用于拍摄由 Casey Warren 和 Danielle Krieger 执导的短片“The Journey”。

带有热成像传感器的机载辐射测量

热像仪成像传感器能够看到微小的温差。在无人机上，商业热检测涵盖了广泛的用户。在高端，查看水坝、管道和发电厂或执行搜救或消防检查需要性能和安全性。低端用户检查屋顶、太阳能电池板或房地产，并可能将他们的无人机存放在车内。

将 FLIR 的 Duo 相机集成到无人机上。

FLIR Systems 高级副总裁 Jeff Frank 说：“虽然我们集成到无人机相机中的传感器技术本身与我们在手持系统中使用的相同，但获得准确的机载辐射测量所需的方法在几个方面都是独一无二的。” 无人机上的传感器通常在距离目标 50 到 100 米的地方运行，比手持应用中典型的 5 到 10 米更远。

FLIR 的 Duo 相机集成在 Phantom 上。

当它们高速飞行时，它们也可能会暴露在显着的温度变化中。由于大气的变化会影响热能的传输，因此这些较长的距离需要额外的处理以实现更高水平的辐射测量精度。优化无人机摄像机辐射性能的另一个问题是在飞行过程中管理通过摄像机的气流。

FLIR Duo 相机。

在地面上，摄像机平移和倾斜。无人机为收集图像提供了不同的动态和视角。在 3D 空间中移动，取决于它的速度，需要更高精度的双向接口，并且元数据包含在图像信息中。数据以易于下行链接到地面站或实时查看的格式存储。

Duo 相机上使用的 FLIR Lepton 热传感器。FLIR 的 Duo Lepton 相机在一台相机中同时结合了热成像和可见光成像技术，并将它们与无人机上的数据记录器集成在一起。

“与其他应用相比，军事或汽车引擎盖下的应用，无人机应用是最不苛刻的，”他说。“由于相机安装在稳定的云台上，除非它崩溃，否则在正常情况下，物理环境是非常良性的。由于快速移动的空气会影响图像质量或增加辐射测量的变化或质量，因此存在对气流的担忧。补偿气氛是关键。算法、飞行方法、相机内和后处理都考虑到了这一点，并且在无人机世界中有所不同。”

审核编辑 黄昊宇