無人機電影航拍技術(shù)歷史、現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

張 潔

(蘭州城市學(xué)院教育學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

1 引言

電影是具有深厚社會文化意涵的一種藝術(shù)形式，其作為人類文化中一種更帶有機構(gòu)性質(zhì)的藝術(shù) “話語”，意識形態(tài)性是不言而喻的；經(jīng)過逾世紀的發(fā)展，電影產(chǎn)業(yè)逐漸產(chǎn)生了獨特的社會和經(jīng)濟影響力，也受到了世界各國的高度重視。近年來，隨著觀影需求多元化的發(fā)展，電影也不斷在題材、場景、角度等各個層面進行創(chuàng)新，呈現(xiàn)給觀眾耳目一新的電影作品，但由于電影拍攝器材的硬件限制，所展現(xiàn)的畫面廣度、層次存在有天然的限制，這給有異于傳統(tǒng)攝影器材的設(shè)備提供了廣闊的發(fā)展空間。其中，無人機航拍便是一種經(jīng)濟、安全的創(chuàng)新型電影拍攝手段，其展現(xiàn)的獨特大場面、超現(xiàn)實視覺效果，給刷新觀眾的觀影體驗注入了新鮮的血液。

2 無人機航拍的發(fā)展歷史

人類對上帝視角的渴望由來已久，最早可追溯至十九世紀五十年代，從熱氣球、風(fēng)箏上的老式濕版照相機，到裝備在鳥類身上的微型相機，再到火箭、直升機上的影像設(shè)備，人們不斷刷新著上帝視角的廣度和清晰度，一步一步實現(xiàn)了人類通過銀幕飛向天空的夢想。二十世紀以來，飛機的發(fā)明以及第一、二次世界大戰(zhàn)極大地推動了無人機、航拍偵察相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，1916年，世界首架無人機在美國成功試飛，這標志著影像設(shè)備載體出現(xiàn)了革命性的轉(zhuǎn)變。但由于其技術(shù)不夠成熟及高昂的造價，在電影領(lǐng)域鮮有應(yīng)用，早期電影航拍鏡頭主要還是依賴于基于直升飛機的Space-cam 專業(yè)航拍系統(tǒng)，雖然價格昂貴，但可以獲得穩(wěn)定、滿意的取景效果。Space-cam 的原理是利用三軸陀螺儀實現(xiàn)全方位的角度、加速度修正，從而穩(wěn)定相機的拍攝畫面。此后，隨著圖像傳感器技術(shù)、微云臺技術(shù)的發(fā)展，在無人機這樣小體積飛行器上實現(xiàn)穩(wěn)定、高清晰度畫面取景成為可能，從而使各種各樣類型無人機航拍設(shè)備進入了電影片場。

圖1 Space-cam 專業(yè)航拍系統(tǒng)

大疆便是這其中的集大成者，自2006年創(chuàng)立至今，大疆通過精靈、悟、御等系列產(chǎn)品穩(wěn)穩(wěn)抓住了消費級和專業(yè)級無人機航拍器市場，大疆推出的STORM 機型，憑借E5000動力系統(tǒng)、R2880 螺旋槳、A3 Pro飛控系統(tǒng)、D-RTK 厘米級GPS定位系統(tǒng)等旗艦配置，與Freefly Systems Alta X 共同成為行業(yè)代表性電影無人機。

圖2 旗艦級電影無人機

3 無人機航拍技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

在消費定位方面，無人機分為消費級和專業(yè)級。消費級航拍無人機專注于設(shè)備硬件、軟件的高度融合，同時兼具一定的便攜性，比如大疆的 “御”系列折臂無人機，除具備優(yōu)秀的便攜性、機動能力、成像素質(zhì)以及長距離圖傳穩(wěn)定性，還具有一系列智能飛行輔助功能，可使非專業(yè)人員快速上手并拍出自己理想的視覺效果。而與消費級不同，專業(yè)級無人機由于需要搭配專業(yè)電影攝影機，在成像質(zhì)量、整機載荷、續(xù)航時長等方面要求更加苛刻，價格也更加昂貴。

在技術(shù)層面，無人機涉及自動化、信息工程、機械電子等多個學(xué)科，具有高度融合特性，核心技術(shù)包括：長距離圖傳技術(shù)、多旋翼動力技術(shù)、全向感知/避障技術(shù)、電池技術(shù)以及基于圖像的機器視覺技術(shù)等。

3.1 長距離圖傳技術(shù)

無線圖像傳遞技術(shù)，簡稱圖傳，是航拍無人機最具標志性的特性。圖傳技術(shù)的好壞直接決定地面終端設(shè)備所呈現(xiàn)畫面的質(zhì)量及實時性，對電影拍攝取景的重要性不言而喻。長距離、低延遲、高帶寬、強抗擾性是其主要的發(fā)展方向。由于模擬信號抗擾能力較弱，目前無人機的圖傳系統(tǒng)以數(shù)字類型為主，比如大疆的OcuSync圖傳技術(shù)，作為LightBridge高清圖傳系列的重要一員，OcuSync在多種速率下都具備遠超 Wi-Fi 和一般圖傳的鏈路性能。OcuSync利用高效的數(shù)字壓縮技術(shù)和信道傳輸技術(shù)，在各種不利的無線傳輸場景下獲得穩(wěn)定的高清視頻流傳輸，相比傳統(tǒng)模擬圖傳，OcuSync支持720p和1080p圖傳，圖像清晰度大約提升4到10倍，而且不會出現(xiàn)模擬圖傳經(jīng)常出現(xiàn)的偏色、雪花點、花屏、閃爍現(xiàn)象，提供更加清晰的飛行視野。在FCC 和SRRC標準下，相同發(fā)射功率OcuSync支持7km 以上的圖傳遙控距離，遠超模擬圖傳，巨大的鏈路余量也明顯地增強了對抗干擾和遮擋的能力。這在信號干擾嚴重的城市取景環(huán)境中具有非常重要的現(xiàn)實意義。

3.2 多旋翼動力技術(shù)

圖3 大疆E7000動力系統(tǒng)

多旋翼動力技術(shù)是無人機的心臟，直接決定其氣動效率、推重比、可靠性、平穩(wěn)性和敏捷度。圖3為大疆經(jīng)典的E7000 動力系統(tǒng)，由M12 電機、12100 FOC 電調(diào)以及R3390 低慣量螺旋槳構(gòu)成。M12電機采用軸承系統(tǒng)密封、定子涂覆工藝，具備優(yōu)異的防銹抗腐蝕能力；12100電調(diào)采用磁場定向控制 (FOC)算法，實現(xiàn)精準敏捷的電機驅(qū)動；R3390螺旋槳在降低60%噪聲功率的基礎(chǔ)上，仍能夠提供單軸6～8kg 的額定拉力，氣動性能優(yōu)異。相對消費級無人機航拍器，專業(yè)電影級無人機航拍器擁有更強的載重能力以及更嚴苛的穩(wěn)定性要求，使其整體可工作于極端氣候條件下，為特殊天氣取景提供了硬件保障。

以STORM 以 及Freefly Systems Alta X 兩 臺專業(yè)電影無人機承載力為例，STORM 最大有效負載達18.5公斤，Alta X 為15.8公斤，該承載能力可以適配ALEXA Mini、RED DSMC2電影攝影機，STORM 甚至還可以搭載ALEXA SXT/LF 以及SONY VENICE等全尺寸攝影機，在電影攝影機輕量化技術(shù)取得突破性進展之前，優(yōu)異氣動性能無人機與專業(yè)電影攝像機相結(jié)合的方案無疑是電影片場的首選。

3.3 全向感知/避障能力

由于航拍無人機經(jīng)常需要拍攝大場景位移或快速追蹤鏡頭，這就要求其需具備優(yōu)秀的機動性能，隨之帶來的是較高的飛行安全問題，這在復(fù)雜地貌環(huán)境中尤為明顯。特別對于電影無人機，其本身不僅價格昂貴，往往還搭載著價值不菲的影像設(shè)備，一旦發(fā)生事故，輕則造成設(shè)備財產(chǎn)損失，嚴重時會威脅片場人身安全。因此，航拍無人機對環(huán)境的感知能力就非常關(guān)鍵，在非運動模式下，航拍無人機通常具備全向感知、避障能力，這是通過采用視覺、紅外、雷達等多傳感器融合技術(shù)實現(xiàn)的。外部環(huán)境數(shù)據(jù)，比如障礙物距離、障礙物形狀、離地高度、風(fēng)速風(fēng)向、無人機航速等，通過高精度傳感器采集，經(jīng)由高性能數(shù)字信號處理器分析、整合，綜合研判當(dāng)前設(shè)備所處環(huán)境特征，實現(xiàn)360°無死角環(huán)境實時感知，最大程度保證航拍無人機、影像設(shè)備以及片場工作人員安全。隨著芯片技術(shù)以及電池技術(shù)的進一步發(fā)展，未來航拍無人機將通過全景視覺識別技術(shù)進一步提升環(huán)境感知能力，從而進一步提升機動性能和安全性。

3.4 電池及機器視覺技術(shù)

電池組件是航拍無人機質(zhì)量最大的部件，同時又是其所有電子設(shè)備能量的來源，在所有部件輕量化發(fā)展的大前提下，電池組件顯得格格不入。在無人機“一克一金”的機身上，這個看似普通的部件極大地制約了航拍無人機氣動、續(xù)航等各項指標。目前航拍無人機采用的均是成熟的聚合物鋰離子電池，其中的核心技術(shù)由三位諾貝爾獎得主研究多年共同攻克，兼具輕便、高能量密度的特點，但在無人機這種輕量化要求和動力密度要求極高的應(yīng)用場景下仍然顯得力不從心，導(dǎo)致目前航拍無人機的續(xù)航均以分鐘計算，在高密度的拍攝場景不得不頻繁更換電池。未來隨著電池技術(shù)的進一步革新，超高效率的薄膜太陽能電池甚至核能電池的應(yīng)用將徹底補足航拍無人機續(xù)航的短板，極大地提升拍攝效率。

圖4 基于機器視覺的移動目標跟蹤

與此同時，充沛的能量供給將為航拍無人機的核心處理器提供強大的支撐，實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的實時處理，從而實現(xiàn)基于機器視覺的移動目標識別、智能跟蹤等功能。

4 結(jié)語

無論是消費級還是專業(yè)級，航拍無人機從誕生至今，各項關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，為大眾帶來《戰(zhàn)狼2》《影》等優(yōu)秀電影作品的同時，也通過《航拍中國》等航拍特色紀錄片的獨特視角真實再現(xiàn)了中國的波瀾壯闊。紀錄片導(dǎo)演吉加·維爾托夫把攝影機視為比人眼更完美的“電影眼睛”，而由人類自己創(chuàng)造的 “上帝之眼”將以全新的視角為未來的電影創(chuàng)作創(chuàng)造更多的可能。?