無(wú)人機(jī)電影航拍技術(shù)歷史、現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)

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(huì)文化意涵的一種藝術(shù)形式，其作為人類(lèi)文化中一種更帶有機(jī)構(gòu)性質(zhì)的藝術(shù) “話語(yǔ)”，意識(shí)形態(tài)性是不言而喻的；經(jīng)過(guò)逾世紀(jì)的發(fā)展，電影產(chǎn)業(yè)逐漸產(chǎn)生了獨(dú)特的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)影響力，也受到了世界各國(guó)的高度重視。近年來(lái)，隨著觀影需求多元化的發(fā)展，電影也不斷在題材、場(chǎng)景、角度等各個(gè)層面進(jìn)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(huà)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(wú)人機(jī)航拍便是一種經(jīng)濟(jì)、安全的創(chuàng)新型電影拍攝手段，其展現(xiàn)的獨(dú)特大場(chǎng)面、超現(xiàn)實(shí)視覺(jué)效果，給刷新觀眾的觀影體驗(yàn)注入了新鮮的血液。

2 無(wú)人機(jī)航拍的發(fā)展歷史

人類(lèi)對(duì)上帝視角的渴望由來(lái)已久，最早可追溯至十九世紀(jì)五十年代，從熱氣球、風(fēng)箏上的老式濕版照相機(jī)，到裝備在鳥(niǎo)類(lèi)身上的微型相機(jī)，再到火箭、直升機(jī)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(shí)現(xiàn)了人類(lèi)通過(guò)銀幕飛向天空的夢(mèng)想。二十世紀(jì)以來(lái)，飛機(jī)的發(fā)明以及第一、二次世界大戰(zhàn)極大地推動(dòng)了無(wú)人機(jī)、航拍偵察相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，1916年，世界首架無(wú)人機(jī)在美國(guó)成功試飛，這標(biāo)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(jià)，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(jī)的Space-cam 專(zhuān)業(yè)航拍系統(tǒng)，雖然價(jià)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(shí)現(xiàn)全方位的角度、加速度修正，從而穩(wěn)定相機(jī)的拍攝畫(huà)面。此后，隨著圖像傳感器技術(shù)、微云臺(tái)技術(shù)的發(fā)展，在無(wú)人機(jī)這樣小體積飛行器上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高清晰度畫(huà)面取景成為可能，從而使各種各樣類(lèi)型無(wú)人機(jī)航拍設(shè)備進(jìn)入了電影片場(chǎng)。

圖1 Space-cam 專(zhuān)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(guò)精靈、悟、御等系列產(chǎn)品穩(wěn)穩(wěn)抓住了消費(fèi)級(jí)和專(zhuān)業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)航拍器市場(chǎng)，大疆推出的STORM 機(jī)型，憑借E5000動(dòng)力系統(tǒng)、R2880 螺旋槳、A3 Pro飛控系統(tǒng)、D-RTK 厘米級(jí)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(wú)人機(jī)。

圖2 旗艦級(jí)電影無(wú)人機(jī)

3 無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

在消費(fèi)定位方面，無(wú)人機(jī)分為消費(fèi)級(jí)和專(zhuān)業(yè)級(jí)。消費(fèi)級(jí)航拍無(wú)人機(jī)專(zhuān)注于設(shè)備硬件、軟件的高度融合，同時(shí)兼具一定的便攜性，比如大疆的 “御”系列折臂無(wú)人機(jī)，除具備優(yōu)秀的便攜性、機(jī)動(dòng)能力、成像素質(zhì)以及長(zhǎng)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(zhuān)業(yè)人員快速上手并拍出自己理想的視覺(jué)效果。而與消費(fèi)級(jí)不同，專(zhuān)業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)由于需要搭配專(zhuān)業(yè)電影攝影機(jī)，在成像質(zhì)量、整機(jī)載荷、續(xù)航時(shí)長(zhǎng)等方面要求更加苛刻，價(jià)格也更加昂貴。

在技術(shù)層面，無(wú)人機(jī)涉及自動(dòng)化、信息工程、機(jī)械電子等多個(gè)學(xué)科，具有高度融合特性，核心技術(shù)包括：長(zhǎng)距離圖傳技術(shù)、多旋翼動(dòng)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(jī)器視覺(jué)技術(shù)等。

3.1 長(zhǎng)距離圖傳技術(shù)

無(wú)線圖像傳遞技術(shù)，簡(jiǎn)稱圖傳，是航拍無(wú)人機(jī)最具標(biāo)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(huà)面的質(zhì)量及實(shí)時(shí)性，對(duì)電影拍攝取景的重要性不言而喻。長(zhǎng)距離、低延遲、高帶寬、強(qiáng)抗擾性是其主要的發(fā)展方向。由于模擬信號(hào)抗擾能力較弱，目前無(wú)人機(jī)的圖傳系統(tǒng)以數(shù)字類(lèi)型為主，比如大疆的OcuSync圖傳技術(shù)，作為L(zhǎng)ightBridge高清圖傳系列的重要一員，OcuSync在多種速率下都具備遠(yuǎn)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(wú)線傳輸場(chǎng)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(huì)出現(xiàn)模擬圖傳經(jīng)常出現(xiàn)的偏色、雪花點(diǎn)、花屏、閃爍現(xiàn)象，提供更加清晰的飛行視野。在FCC 和SRRC標(biāo)準(zhǔn)下，相同發(fā)射功率OcuSync支持7km 以上的圖傳遙控距離，遠(yuǎn)超模擬圖傳，巨大的鏈路余量也明顯地增強(qiáng)了對(duì)抗干擾和遮擋的能力。這在信號(hào)干擾嚴(yán)重的城市取景環(huán)境中具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3.2 多旋翼動(dòng)力技術(shù)

圖3 大疆E7000動(dòng)力系統(tǒng)

多旋翼動(dòng)力技術(shù)是無(wú)人機(jī)的心臟，直接決定其氣動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)，由M12 電機(jī)、12100 FOC 電調(diào)以及R3390 低慣量螺旋槳構(gòu)成。M12電機(jī)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(chǎng)定向控制 (FOC)算法，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)敏捷的電機(jī)驅(qū)動(dòng)；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(dòng)性能優(yōu)異。相對(duì)消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)航拍器，專(zhuān)業(yè)電影級(jí)無(wú)人機(jī)航拍器擁有更強(qiáng)的載重能力以及更嚴(yán)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(tái)專(zhuān)業(yè)電影無(wú)人機(jī)承載力為例，STORM 最大有效負(fù)載達(dá)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(jī)，STORM 甚至還可以搭載ALEXA SXT/LF 以及SONY VENICE等全尺寸攝影機(jī)，在電影攝影機(jī)輕量化技術(shù)取得突破性進(jìn)展之前，優(yōu)異氣動(dòng)性能無(wú)人機(jī)與專(zhuān)業(yè)電影攝像機(jī)相結(jié)合的方案無(wú)疑是電影片場(chǎng)的首選。

3.3 全向感知/避障能力

由于航拍無(wú)人機(jī)經(jīng)常需要拍攝大場(chǎng)景位移或快速追蹤鏡頭，這就要求其需具備優(yōu)秀的機(jī)動(dòng)性能，隨之帶來(lái)的是較高的飛行安全問(wèn)題，這在復(fù)雜地貌環(huán)境中尤為明顯。特別對(duì)于電影無(wú)人機(jī)，其本身不僅價(jià)格昂貴，往往還搭載著價(jià)值不菲的影像設(shè)備，一旦發(fā)生事故，輕則造成設(shè)備財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重時(shí)會(huì)威脅片場(chǎng)人身安全。因此，航拍無(wú)人機(jī)對(duì)環(huán)境的感知能力就非常關(guān)鍵，在非運(yùn)動(dòng)模式下，航拍無(wú)人機(jī)通常具備全向感知、避障能力，這是通過(guò)采用視覺(jué)、紅外、雷達(dá)等多傳感器融合技術(shù)實(shí)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(wú)人機(jī)航速等，通過(guò)高精度傳感器采集，經(jīng)由高性能數(shù)字信號(hào)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(shí)現(xiàn)360°無(wú)死角環(huán)境實(shí)時(shí)感知，最大程度保證航拍無(wú)人機(jī)、影像設(shè)備以及片場(chǎng)工作人員安全。隨著芯片技術(shù)以及電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，未來(lái)航拍無(wú)人機(jī)將通過(guò)全景視覺(jué)識(shí)別技術(shù)進(jìn)一步提升環(huán)境感知能力，從而進(jìn)一步提升機(jī)動(dòng)性能和安全性。

3.4 電池及機(jī)器視覺(jué)技術(shù)

電池組件是航拍無(wú)人機(jī)質(zhì)量最大的部件，同時(shí)又是其所有電子設(shè)備能量的來(lái)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(wú)人機(jī)“一克一金”的機(jī)身上，這個(gè)看似普通的部件極大地制約了航拍無(wú)人機(jī)氣動(dòng)、續(xù)航等各項(xiàng)指標(biāo)。目前航拍無(wú)人機(jī)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(jiǎng)得主研究多年共同攻克，兼具輕便、高能量密度的特點(diǎn)，但在無(wú)人機(jī)這種輕量化要求和動(dòng)力密度要求極高的應(yīng)用場(chǎng)景下仍然顯得力不從心，導(dǎo)致目前航拍無(wú)人機(jī)的續(xù)航均以分鐘計(jì)算，在高密度的拍攝場(chǎng)景不得不頻繁更換電池。未來(lái)隨著電池技術(shù)的進(jìn)一步革新，超高效率的薄膜太陽(yáng)能電池甚至核能電池的應(yīng)用將徹底補(bǔ)足航拍無(wú)人機(jī)續(xù)航的短板，極大地提升拍攝效率。

圖4 基于機(jī)器視覺(jué)的移動(dòng)目標(biāo)跟蹤

與此同時(shí)，充沛的能量供給將為航拍無(wú)人機(jī)的核心處理器提供強(qiáng)大的支撐，實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，從而實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器視覺(jué)的移動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、智能跟蹤等功能。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)論是消費(fèi)級(jí)還是專(zhuān)業(yè)級(jí)，航拍無(wú)人機(jī)從誕生至今，各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，為大眾帶來(lái)《戰(zhàn)狼2》《影》等優(yōu)秀電影作品的同時(shí)，也通過(guò)《航拍中國(guó)》等航拍特色紀(jì)錄片的獨(dú)特視角真實(shí)再現(xiàn)了中國(guó)的波瀾壯闊。紀(jì)錄片導(dǎo)演吉加·維爾托夫把攝影機(jī)視為比人眼更完美的“電影眼睛”，而由人類(lèi)自己創(chuàng)造的 “上帝之眼”將以全新的視角為未來(lái)的電影創(chuàng)作創(chuàng)造更多的可能。?