無人機電影航拍技術歷史、現狀及其發展趨勢

張 潔

(蘭州城市學院教育學院，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形式，其作為人類文化中一種更帶有機構性質的藝術 “話語”，意識形態性是不言而喻的；經過逾世紀的發展，電影產業逐漸產生了獨特的社會和經濟影響力，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展，電影也不斷在題材、場景、角度等各個層面進行創新，呈現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，所展現的畫面廣度、層次存在有天然的限制，這給有異于傳統攝影器材的設備提供了廣闊的發展空間。其中，無人機航拍便是一種經濟、安全的創新型電影拍攝手段，其展現的獨特大場面、超現實視覺效果，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，一步一步實現了人類通過銀幕飛向天空的夢想。二十世紀以來，飛機的發明以及第一、二次世界大戰極大地推動了無人機、航拍偵察相關技術的發展，1916年，世界首架無人機在美國成功試飛，這標志著影像設備載體出現了革命性的轉變。但由于其技術不夠成熟及高昂的造價，在電影領域鮮有應用，早期電影航拍鏡頭主要還是依賴于基于直升飛機的Space-cam 專業航拍系統，雖然價格昂貴，但可以獲得穩定、滿意的取景效果。Space-cam 的原理是利用三軸陀螺儀實現全方位的角度、加速度修正，從而穩定相機的拍攝畫面。此后，隨著圖像傳感器技術、微云臺技術的發展，在無人機這樣小體積飛行器上實現穩定、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備進入了電影片場。

圖1 Space-cam 專業航拍系統

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

圖2 旗艦級電影無人機

3 無人機航拍技術現狀及發展趨勢

在消費定位方面，無人機分為消費級和專業級。消費級航拍無人機專注于設備硬件、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，除具備優秀的便攜性、機動能力、成像素質以及長距離圖傳穩定性，還具有一系列智能飛行輔助功能，可使非專業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，專業級無人機由于需要搭配專業電影攝影機，在成像質量、整機載荷、續航時長等方面要求更加苛刻，價格也更加昂貴。

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

3.1 長距離圖傳技術

無線圖像傳遞技術，簡稱圖傳，是航拍無人機最具標志性的特性。圖傳技術的好壞直接決定地面終端設備所呈現畫面的質量及實時性，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以數字類型為主，比如大疆的OcuSync圖傳技術，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利用高效的數字壓縮技術和信道傳輸技術，在各種不利的無線傳輸場景下獲得穩定的高清視頻流傳輸，相比傳統模擬圖傳，OcuSync支持720p和1080p圖傳，圖像清晰度大約提升4到10倍，而且不會出現模擬圖傳經常出現的偏色、雪花點、花屏、閃爍現象，提供更加清晰的飛行視野。在FCC 和SRRC標準下，相同發射功率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境中具有非常重要的現實意義。

3.2 多旋翼動力技術

圖3 大疆E7000動力系統

多旋翼動力技術是無人機的心臟，直接決定其氣動效率、推重比、可靠性、平穩性和敏捷度。圖3為大疆經典的E7000 動力系統，由M12 電機、12100 FOC 電調以及R3390 低慣量螺旋槳構成。M12電機采用軸承系統密封、定子涂覆工藝，具備優異的防銹抗腐蝕能力；12100電調采用磁場定向控制 (FOC)算法，實現精準敏捷的電機驅動；R3390螺旋槳在降低60%噪聲功率的基礎上，仍能夠提供單軸6～8kg 的額定拉力，氣動性能優異。相對消費級無人機航拍器，專業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取得突破性進展之前，優異氣動性能無人機與專業電影攝像機相結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秀的機動性能，隨之帶來的是較高的飛行安全問題，這在復雜地貌環境中尤為明顯。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備，一旦發生事故，輕則造成設備財產損失，嚴重時會威脅片場人身安全。因此，航拍無人機對環境的感知能力就非常關鍵，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實現的。外部環境數據，比如障礙物距離、障礙物形狀、離地高度、風速風向、無人機航速等，通過高精度傳感器采集，經由高性能數字信號處理器分析、整合，綜合研判當前設備所處環境特征，實現360°無死角環境實時感知，最大程度保證航拍無人機、影像設備以及片場工作人員安全。隨著芯片技術以及電池技術的進一步發展，未來航拍無人機將通過全景視覺識別技術進一步提升環境感知能力，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

電池組件是航拍無人機質量最大的部件，同時又是其所有電子設備能量的來源，在所有部件輕量化發展的大前提下，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用場景下仍然顯得力不從心，導致目前航拍無人機的續航均以分鐘計算，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用將徹底補足航拍無人機續航的短板，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，實現大量數據的實時處理，從而實現基于機器視覺的移動目標識別、智能跟蹤等功能。

4 結語

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