无人机高清4K拍摄遇难题 稳像与图传延时成两大“弊病”

无人机高清4K拍摄遇难题 稳像与图传延时成两大“弊病”

　　作为无人机最终的价值体现，拍摄能力已成为衡量无人机产品优劣的关键指标。而随着传统相机技术的发展逐渐走向成熟，消费类无人机的相机整体性能也在逐渐向专业相机靠拢，从“1200万像素+2.7K”到“2000万像素+4K”，无人机相机技术已经有了突飞猛进的发展。虽然整体上离专业相机还有一定的距离，但拍摄性能已经可以满足广大消费者的需求。但在相机性能如此快速的更迭进程中，其他诸如稳像与图传等影响相机发挥实力的关键技术却没有跟上脚步，已成为当前无人机实现“高清4K拍摄”愿景的主要障碍。

　　“要想实现稳定的高清拍摄，云台抖动的控制显得尤为重要，由于飞机在飞行过程当中都会产生一定频率的抖动，因此要想让相机保持稳定，无人机的抖动频率与相机的振动频率就必须要保持一致，从而令相机处于相对静止的状态，这样才能充分发挥相机的拍摄能力。”深圳市智航无人机总监王晓亮解释道，“稳像技术就是为解决这一问题而生的，目前在该领域活跃着两大流派：一种是物理/机械稳像技术;另一种是电子稳像技术。而它们的原理各不相同，物理稳像主要是通过使用减震球及其他硬件/机械装置来吸收无人机的飞行振动或修正相机的偏转角度来实现稳像的，电子稳像则是通过内置传感器结合各种增稳算法来实现的，通过传感器感知相机的抖动并使用算法来对图像进行处理，最终达到增稳的目的。”

　　王晓亮进一步解释道，机械稳像/物理稳像技术当前发展会更成熟一些，这主要是基于其在专业相机拍摄领域多年的技术积淀，因此这种技术更适用于专业级拍摄领域，而且稳像效果更好;相比之下，电子稳像是近些年才提出来的新概念，在算法控制以及图像处理等很多方面都还不太成熟，因此其目前的应用对象主要是一些对于图像质量要求不太高的小型无人机或刑侦设备，但随着传感器技术及无人机稳像算法的不断发展，不排除电子稳像未来会被应用到大型无人机设备上。

深圳市星图智控研发工程师林翰

　　而针对这两种稳像技术的选择方面，深圳市星图智控研发工程师林翰也从技术的角度表达了自己的看法，“由于电子图像增稳(EIS)技术主要是基于图像尺寸的裁剪而实现的电子防抖功能，不需要加载三轴机械云台的硬件结构，因此省去了很多重量，成为业内多数无人机产品的首选。从技术原理的角度考虑，电子图像增稳通常的做法是将原始视频进行大幅度的边缘裁剪后再重新缩放到用户设置的分辨率，然后再以图像中心为基准，裁去抖动较大的边缘图像(越是边缘越容易产生抖动)，最后生成1080P画质的视频。不过，这种做法理论上能让分辨率达到全高清画质，但实际上这种方式并不能完全消除抖动，会使照片和视频都出现“水纹现象”，同时还会存在无法录制4K或高帧率视频、拍摄角度无法精准调整、视频裁剪过程容易造成画面黑边以及画质损失几大问题。虽然有不少业内企业都宣称电子稳像能够达到很好的效果，但事实上‘果冻效应(图像很明显的抖动现象)’的频繁出现也越来越让此类说法遭到质疑。”

　　此外，林翰还表示：“相比电子稳像技术，机械稳像技术的实现方法简单的多，而且效果更好，目前主流的方案有两种：一种是通过在靠近云台相机的机架周围安装多个对振动非常敏感的减震球，在飞机机架发生抖动的同时尽可能的减小传输到云台相机模块的振动，从而达到稳像的目的，代表性产品有法国派诺特的Bebop无人机和大疆的Phantom 2系列无人机;另一种则是在三个维度上都配备一个无刷电机，在飞行过程中对相机的角度进行高精度控制，然后根据飞行姿态修正其运动方向从而消除相机的抖动，保持拍摄画面的持续稳定，代表性产品有大疆的Mavic“御”。由于这两种机械稳像方法在很多领域都有应用而且比较成熟，其最终实现的效果也是一般的电子稳像技术难以企及的。"

　　除了稳像技术之外，图传延时也是目前限制无人机实现稳定视频流输出的另一大阻碍。由于无人机进行高清视频实时拍摄的过程中，视频流的传输或多或少会受到一些干扰信号的影响，会产生信号和图像传输延迟，从而令视频的拍摄质量大打折扣。因此，图传系统就成为广大消费级无人机企业相互角逐的另一大战场。

　　王晓亮告诉记者，“图传延时是目前困扰着整个行业的一大难题，虽然信道的传输延时可以忽略不计，但由于图传还存在编码过程，因此会产生传输延时。想要让图传达到实时传输的水平，就必须要对编码的时间进行严密控制。目前市面上存在两种图传方案：模拟图传与数字图传。由于不存在编码过程，模拟图传可以达到近乎零延时的水平，但其传输范围却是备受限制，因此只适用于那些对飞行距离要求不高的航模上。相比之下，数字图传由于存在编码和信道传输的过程，因此或多或少会存在一些延时，但这并不代表数字图传的延时不能达到可控(200ms-500ms以内)的水平，比如大疆的Lightbridge 2在通过优化编码后延时仅为50ms，还有一些使用COFDM方案的图传设备，最低的端端延时也低于40ms，已经达到了一个相当高的水平。”

　　林翰则表示，模拟图传虽然有接近“实时图传”零延时的优势，但由于传输距离很受限制，而且容易出现偏色、雪花点、花屏和闪烁等现象，因此其应用范围也极为受限。而目前的消费级无人机对于用户体验的要求很高，模拟图传显然不适用。市面上还存在一种基于Wi-Fi技术的图传方案，它主要考虑消费电子产品的局部互联，多数设备通信用于几米到数十米之间，Wi-Fi协议为了照顾到低成本应用，相对来讲链路性能相对偏弱，Wi-Fi的收发机链路性能也会相应变弱，无法检测到微弱信号或者在一定干扰环境中检测到有用信号。而且，由于Wi-Fi采用传统协议栈，建立链接或者失步后重新建立链接时间较长，约在数秒到十多秒，而目前的数字图传采用跨层设计后，建立链接和重新建链时间可以低至1秒以内，因此数字图传是目前较为主流的一种方案。

　　林翰进一步解释道，目前业内相对比较好的的数字图传一般都会采用高效的数字压缩技术和信道传输技术，能在各种不利的无线传输场景下获得稳定的高清视频流传输，而且图像清晰度一般都比模拟图传高上4倍到10倍，传输距离能够达到7km以上，而一般的模拟图传最多也只能达到2km左右。市面也有号称接近零延迟的图传，但这类图传的物理层传输比较简化，占用带宽较宽，无法自适应信道状况的变化，在信道受到干扰或者遮挡情况下，图传质量会急剧下降，无法适应远场和复杂传输环境的应用，同时由于系统集成度不高，再配合上相关的相机、显示设备，屏到屏的延迟会显著上升，因此高效的数字图传是目前各大无人机厂商所追求的主流方案。

　　总之，“智能跟随及高清4K”已逐渐成为消费级无人机的新“标配”，未来也必定会是广大业内企业相互争夺的新“战场”。而在全面走向“消费化”的进程中，无人机企业还需针对性的去解决当前技术领域所面临的各种不足。未来几年，无人机企业需要加大在这两方面的投入：“智能跟随”方面，视觉定位系统需要在定位精度以及抗干扰性等方面做出新的突破，核心元器件的抗干扰力以及稳定性、智能算法的可靠性和精度也将是下一个“致胜点”;而在“高清4K拍摄”上，稳像方案的选型和技术的优化升级、图传系统的链路性能以及传输距离将是核心关键。无人机企业只有稳扎稳打的在技术层面上做出自己的突破，才能在“下一个战场”充分体现自身的价值，助力消费级无人机产业正式走上“高质量”的路线。

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