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(新闻)小型无人机的成像技术要点

2022-05-27 来源:东莞机械信息网

随着上个月底大疆发布小型无人机Mavic,标志着整个无人机行业正式进入了小型化趋势中。然而想要在这一新兴趋势下领涨行业,着力剖析小型化无人机中的重要技术一定是从业者需要特别关注的信息之一。

本期的智能内参,我们推荐来自广发证券的小型无人机报告,先抛个重要结论过过瘾:小型化是趋势,但云台不可简配。其中的道理将会在文中得到解答。以下为智能内参整理呈现的干货:

技术要点在=“航拍”+“无人机”

市面上的小型无人机产品均需要在悬停定位技术、避障技术、视觉跟随、图传技术等几方面进行重点打磨。下图为大疆Mavic和同级别产品的一个综合对比。

要对无人机航拍技术进行梳理,首先需要知道无人机航拍技术有哪几点。通常来看,无人机航拍技术其实可以简单地按照字面的“无人机”+“航拍”拆分为2点:

(1)影像拍摄技术,也即成像以及图像处理技术;

(2)无人机平台技术,主要指为航拍提供稳定的航拍环境的机身控制技术。

影像拍摄技术:目前市场上的影像拍摄方案,都是对几个大品牌主流的摄像头模组的集成应用,无人机生产厂商在这一方面没有太多的技术空间,而且因为技术发展已经比较成熟,不同产品方案之间差距并不大。因此,本篇报告仅作简要介绍。

无人机机载平台稳定技术:是指除了飞行导航、控制等无人机自身飞行技术以外,为无人机实现稳定航拍平台保障的相关技术。这种技术是影响到成像质量最关键的因素。

随着近几年智能的迅猛发展,智能相关技术得到了空前的发展,以触摸显示屏、处理器、摄像头模组等为突出代表的智能核心的硬件技术在大规模工业化需求的基础上不断地朝着低功耗、高性能、高集成的方向发展,在这一产业发展过程中,淘汰了大量落后技术产能,产品向索尼、三星等巨头企业不断集中。

可以看到,不论在销量还是销售额,索尼凭借在移动端市场的出色表现,牢牢占据榜首。从总的品牌分布来看,前4名的企业占有了市场近75%的份额,市场分布较为集中。

影响成像质量的参数

在体现单个摄像头模组成像水平的技术参数方面,通常大家比较关心的是一些具体、表观参数,比如像素数、光圈大小等,但是摄像头模组上影响成像质量的参数还有许多:单个像素尺寸、传感器技术、镜片组技术、ISP技术等。下面做一个简单的介绍。

像素数/分辨率:像素数比如800万像素(3200TImes;2400分辨率)、1300万像素(4208TImes;3120分辨率)是目前摄像头模组技术中最经常被提到的概念,但是像素数其实并非决定图像清晰度的决定性因素。像素数仅决定一幅图像中有多少单位像素,也即放大后,图片能够展现的细节程度,但是每个细节以及整张照片的图像质量还取决于其他很多因素。

至于现在比较火的“4K视频录制”概念,指的就是分辨率达到4096TImes;2160的影像拍摄能力,其实4K更新趋势主要来自于播放设备以及胶片拍摄设备,因为之前的播放设备高清标准为1920TImes;1080分辨率,现在的4K像素水平是之前的4倍,面临着许多方面的挑战,同样,胶片拍摄将从原先耳朵35mm胶片升级到70mm,面临的是全行业标准设备的升级。但是4K分辨率的数字视频拍摄能力仅要求传感器达到1200w像素,以及能够与之匹配的图像处理能力,这一点行业内已经有成熟的配套解决方案(比如高通的Snapdragon Flight平台不仅支持4K录制,还支持4K的立体VGA录制),因此,也并不构成技术壁垒。

光圈大小:光圈大小直接影响到通光量的多少,对于成像质量有较大影响,目前,移动类消费电子的摄像头模组已经从f/2.4、f/2.2、f/2.0逐渐增大(数字越小,光圈越大),目前市场上也已经开始大面积出现f/1.8的摄像头模组了。

光圈增大对于拍摄成像来说主要有两方面优势:1、提高弱光下画质;2、提高快门速度;3、减小景深。

对于航拍应用来说,提高弱光下画质(夜景拍摄)以及提高快门速度(运动拍摄)都是很有必要的,而减小景深则在人像拍摄时能够较好的虚化背景,突出主体,这种需求对于目前以大景物对象拍摄为主要使用目的的无人机来说属于锦上添花的功能,但是对于自拍无人机来说,是十分必要的。比如主打自拍的Dobby无人机就采用的f/1.8光圈,而大疆的精灵4则采用的f/2.8光圈。

影响成像质量的参数

但是从现有行业技术水平以及产品策略上来看,光圈的提升也并不是没有代价的:

1)、大光圈的进光量增大后,首先需要配套提高的是快门速度。在黑暗环境中,本来光线较弱,快门速度不需要提高很多即可保证拍摄质量。但是,在白天或者光线较强的环境下,考虑到无人机或者移动电子设备通常采用的是固定光圈,并不能调整到合适的小光圈,因此必须要将快门速度提高从而避免过度曝光,但从目前的技术水平来看,快门速度的提高还存在一些技术瓶颈,这也是小型化设备上制约光圈增大的一个重要因素。

2)、光圈增大同样还会引起图像畸变以及边缘画质下降。为了校正边缘画质的下降以及图像畸变,通常都会采用更多的镜头组以及镜头部分的机械结构,这对于小型设备来说,是难以实现的(比如iphone6以后的设备为了实现f/1.8的光圈以及相关的一些其他技术考虑,摄像头高度增加,且远高于机身,凸出于外部)。当然,小型化的考虑在无人机上还不是一个特别大的问题,但是技术实现可能会有一定的门槛。

传感器技术:传感器技术目前主要是索尼、OmniVision、三星几家公司,尤其是索尼公司,其所推出的IMX220/230/240等系列传感器几乎占到了市售的大半壁江山苹果、三星、索尼、华为、小米、魅族等热门旗舰机几乎都是采用的IMX系列传感器。因此,在无人机上的应用也只需要根据无人机的定价策略来选择相应产品即可。传感器技术主要涉及到传感器尺寸和传感器结构方式两部分技术。

ISP技术:ISP(Image Signal Processing)也即图像处理技术,镜片、传感器构成了图像的接收装置,而ISP则构成了图像的采集和预处理,面对目前越来越高的全尺寸高帧频的数据吞吐能力要求,ISP技术也在不断提高。除了高速拍摄、杂噪抑制以外,相机还可以借助ISP处理器对图像做出比较重大的调整,HDR技术就是一个很明显的例子。

HDR技术是ISP技术的一个主要应用,其可以通过采用不同的曝光策略连续拍摄数张照片,并通过ISP处理器对几张照片进行合成,保留了暗部和高光的细节,大大增强了画面的层次感,如果这一合成算法是由自身的处理器完成的话,势必加重处理器负担,而且考虑到图像处理的特殊性,可能效果并不完美,从而很多厂商设立了独立的ISP处理器,专门对照片进行预处理。还可以ISP技术还可以对画面的整体渲染效果做出调整,不同的厂商有这不同的调教倾向。

自动对焦技术也是ISP的一个主要功能。目前主要有三种主流的自动对焦方式,分别为:反差对焦、相位对焦、激光对焦。这三种对焦方式,尤其是反差对焦,需要对图像进行全景扫描处理,ISP资源消耗巨大;相位对焦也需要对图像进行实时处理,虽然计算量小,但是速度要求较高,同样对ISP有能力要求。

因此,不论从成像观感、自动对焦拍摄使用等角度来看,ISP技术都对拍摄成像有较大影响。

从上面的分析可以看出,影响最终成像质量的因素很多,而且很难通过单一调整参数提高整体水平,因此,摄像头模组的设计是一个相当考验工业设计水平的核心技术领域,从目前的现状来看,国内无人机厂商对于这一领域的探索还较为初步。但是,必须要注意到的一点是,目前摄像头模组技术的发展从某种意义上来说确实已经相当成熟。成像技术对于性能的提升,大部分都在专业领域内才能显现出差异,对于一般消费者来说,对于使用体验的提升并不明显,成像技术对于最终画质提升边际效应应该还是较弱。

我们认为,成像技术固然重要,但是按照目前的成熟度和提升潜力来说,专注于无人机拍摄平台的稳定技术相比于成像技术来说,对使用感受的提升更为明显。

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