無人機(jī)相機(jī)：一種獨(dú)特的光學(xué)成像方法

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

除了無線自拍桿、運(yùn)動(dòng)相機(jī)和活動(dòng)攝影中的消費(fèi)者使用之外，無人機(jī)成像正在進(jìn)入許多商業(yè)、政府和公共安全應(yīng)用。越來越多的無人機(jī)/無人機(jī)被用來代替直升機(jī)檢查高壓輸電線，這是一項(xiàng)昂貴且有時(shí)危險(xiǎn)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(dòng)物監(jiān)測應(yīng)用，以及秘密行動(dòng)、應(yīng)急響應(yīng)、有效載荷交付、安全和監(jiān)視、戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)、搜索和救援、執(zhí)法，甚至醫(yī)療行動(dòng)。

航空成像有其自身的需求。無人機(jī)嵌入式系統(tǒng)需要比其他移動(dòng)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(dāng)需要在現(xiàn)場進(jìn)行預(yù)覽和共享時(shí)，片上系統(tǒng) (SoC) 可以在通過 Wi-Fi 實(shí)時(shí)流式傳輸?shù)耐瑫r(shí)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(jī)械云臺的需求。許多無人機(jī)應(yīng)用還需要獨(dú)特的攝像頭、傳感器和光學(xué)器件。

是什么讓無人機(jī)相機(jī)與眾不同？

堅(jiān)固耐用的工業(yè)無人機(jī)相機(jī)進(jìn)入非消費(fèi)類無人機(jī)。工業(yè)相機(jī)制造商 Lumenera Corp. 的銷售工程師 Brendan Lelieveld-Amiro 表示，專用相機(jī)與 GoPro 相機(jī)、手機(jī)和數(shù)碼單反相機(jī)等設(shè)備中的低成本消費(fèi)級相機(jī)有很大不同。

許多高端無人機(jī)應(yīng)用程序需要相機(jī)提供原始格式的圖像，而無需進(jìn)行有損壓縮。運(yùn)行精密檢查的用戶需要相信相機(jī)提供的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的，無論是用于農(nóng)業(yè)還是檢查水壩的細(xì)線裂縫。任何美化、增強(qiáng)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(jī)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(shí)，它們會(huì)在幾微秒內(nèi)觸發(fā)。Lelieveld-Amiro 表示，消費(fèi)類相機(jī)在全手動(dòng)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(huì)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(jī)載 GPS、速度、高度和時(shí)間戳信息的精確坐標(biāo)）標(biāo)記圖像非常重要。

當(dāng)無人機(jī)攜帶多個(gè)攝像頭進(jìn)行精密成像等應(yīng)用時(shí)，同步和定時(shí)也至關(guān)重要。在移動(dòng)的無人機(jī)中，所有指向下方的攝像機(jī)都需要同時(shí)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(dú)的相機(jī)在指向同一位置時(shí)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(zhǔn)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(biāo)。近紅外成像也用于無人機(jī)，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(jī)攝像機(jī)也經(jīng)過加固，能夠承受高水平的振動(dòng)、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(jī)或傻瓜相機(jī)）相比，正常運(yùn)行時(shí)間和可靠性更高相機(jī)。

商業(yè)工業(yè)相機(jī)沒有板載存儲。它們確實(shí)包含內(nèi)存緩沖區(qū)，但會(huì)將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)?SoC 或單板計(jì)算機(jī)，以便在飛行時(shí)進(jìn)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(jī)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(jī)發(fā)生碰撞。

過濾器也可用于工業(yè)相機(jī)，具體取決于應(yīng)用。帶有透明玻璃的單色相機(jī)和彩色相機(jī)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(dú)的相機(jī)拍攝紅色、綠色和藍(lán)色并阻擋 NIR。還有用于該光譜之外不同波長的離散相機(jī)，可以并行使用。

單色相機(jī)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(jī)會(huì)降低圖像的分辨率。單色相機(jī)提供完美的像素到像素信息，而不會(huì)使用拜耳模式或丟失分辨率。

許多無人機(jī)正在自動(dòng)駕駛，因此防止或最大限度地減少停機(jī)時(shí)間很重要。相機(jī)經(jīng)認(rèn)證可承受比消費(fèi)級相機(jī)更大的沖擊和振動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)更長的平均故障間隔時(shí)間。

雖然手機(jī)中的相機(jī)在同一個(gè)包裝中包含一個(gè)鏡頭，但在商用無人機(jī)相機(jī)上，它們是單獨(dú)指定、連接和遠(yuǎn)程控制的。他們沒有移動(dòng)會(huì)隨著時(shí)間推移而磨損的機(jī)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(shí)對飛行期間拍攝的所有圖像進(jìn)行精確控制和均勻性。

消費(fèi)級相機(jī)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(jī)制造商已經(jīng)停止推動(dòng)這一點(diǎn)?！霸谝欢〝?shù)量之后，它就不再有意義了。大多數(shù)時(shí)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(jī)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(jī)在某些州的飛行高度。因此，分辨率和幀速率很重要。

無人機(jī)攝像機(jī)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(jī)通常使用 2 到 12 兆像素的相機(jī)。

對于那些飛得更低的，在幀率和分辨率之間有一個(gè)權(quán)衡，選擇取決于很多事情，比如相機(jī)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(jī)提供 6 fps，而最低的可以提供 270 fps。

Lumenera Lt 系列 USB 相機(jī)。

航空攝影：無人機(jī)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(bǔ)充說，在用于電影空中覆蓋的數(shù)字移動(dòng)攝影機(jī)市場中，動(dòng)態(tài)范圍也變得很重要。Alexa Mini 相機(jī)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(shí)丟失任何細(xì)節(jié)，并且希望即使在無人機(jī)指向太陽時(shí)也能捕捉到最多的光線。

“當(dāng)無法用直升機(jī)拍攝時(shí)使用無人機(jī)，因?yàn)樗鼈兏〔⑶铱梢栽诔鞘协h(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(jī)攝像頭要經(jīng)過嚴(yán)格測試，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出小型移動(dòng)設(shè)備中的傳感器。例如，Alexa 攝像機(jī)是密封的，以防止霧氣或沙子進(jìn)入或造成損壞，并在工業(yè)振動(dòng)臺上進(jìn)行振動(dòng)測試，其振動(dòng)與卡車在粗暴怠速運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)相當(dāng)。這些攝像機(jī)還在 –20°C 至 45°C 的環(huán)境室中進(jìn)行了測試，設(shè)計(jì)用于從南極到沙漠的任何地方。

Freefly Alta 無人機(jī)上的 ALEXA Mini 攝影機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)存放在車內(nèi)。

將 FLIR 的 Duo 相機(jī)集成到無人機(jī)上。

FLIR Systems 高級副總裁 Jeff Frank 說：“雖然我們集成到無人機(jī)相機(jī)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(zhǔn)確的機(jī)載輻射測量所需的方法在幾個(gè)方面都是獨(dú)一無二的?！?無人機(jī)上的傳感器通常在距離目標(biāo) 50 到 100 米的地方運(yùn)行，比手持應(yīng)用中典型的 5 到 10 米更遠(yuǎn)。

FLIR 的 Duo 相機(jī)集成在 Phantom 上。

當(dāng)它們高速飛行時(shí)，它們也可能會(huì)暴露在顯著的溫度變化中。由于大氣的變化會(huì)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(shí)現(xiàn)更高水平的輻射測量精度。優(yōu)化無人機(jī)攝像機(jī)輻射性能的另一個(gè)問題是在飛行過程中管理通過攝像機(jī)的氣流。

FLIR Duo 相機(jī)。

在地面上，攝像機(jī)平移和傾斜。無人機(jī)為收集圖像提供了不同的動(dòng)態(tài)和視角。在 3D 空間中移動(dòng)，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(shí)查看的格式存儲。

Duo 相機(jī)上使用的 FLIR Lepton 熱傳感器。FLIR 的 Duo Lepton 相機(jī)在一臺相機(jī)中同時(shí)結(jié)合了熱成像和可見光成像技術(shù)，并將它們與無人機(jī)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(jī)應(yīng)用是最不苛刻的，”他說?！坝捎谙鄼C(jī)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(dòng)的空氣會(huì)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(dān)憂。補(bǔ)償氣氛是關(guān)鍵。算法、飛行方法、相機(jī)內(nèi)和后處理都考慮到了這一點(diǎn)，并且在無人機(jī)世界中有所不同?！?/p>

審核編輯 黃昊宇