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很多航拍飛行器玩家們都會遇見抖動的問題，一個“抖索”就會導致拍攝的畫面不清晰,。本文從影視航拍原理出發(fā),，主要針對航拍畫面容易出現(xiàn)的畫面抖動問題“果凍效應”進行了研究。分析了產(chǎn)生抖動的原因,，并提出了相應的解決方案,，通過調(diào)整機身重心、螺旋槳和電機調(diào)平,、飛控參數(shù)設定,、云臺安裝調(diào)試等方法，達到理想的拍攝效果,。 一,、影視航拍及其原理簡介 首先簡要介紹航拍的基本原理，這對分析視頻抖動是十分必要的,。同時也簡要介紹本文的研究背景和意義,。 （一）影視航拍為何選擇多軸 隨著航空模型技術(shù)的不斷發(fā)展，多軸飛行器（以下簡稱多軸）憑借其特有的優(yōu)勢而得到廣泛的使用,。相對于傳統(tǒng)的固定翼飛機（圖1-1左）而言,，多軸具備可垂直起降,、攜帶方便、可懸停等優(yōu)勢,，而相比于直升飛機（圖1-1中）,，多軸同樣具有結(jié)構(gòu)簡單、易于操作的優(yōu)勢,。多軸可加載各類載荷實現(xiàn)不同功能,，其中運用最為廣泛的便是加載各類攝影攝像設備來實現(xiàn)航拍功能。
圖1-1 三類常見飛行器：固定翼飛機（左）,、直升飛機（中）和多軸飛行器（右） 影視航拍需要的是一個靈活,、方便、穩(wěn)定的“自由搖臂”,，而多軸特性恰好滿足這樣的要求：不需要空曠平整的起降環(huán)境,、可垂直起降并自由飛行、懸停精度高,、穩(wěn)定性好,、攜帶方便、結(jié)構(gòu)簡單,，所以多軸目前被廣泛應用于各類航拍活動,。但是相比于傳統(tǒng)搖臂，用多軸航拍極易出現(xiàn)畫面抖動等現(xiàn)象,，如何消除抖動對于航拍來說是非常重要的,。 （二）多軸分類 多軸一般是按照螺旋槳的個數(shù)和位置來分類的，常見的有4軸,、6軸,、8軸等，當然也有Y型甚至其他構(gòu)造的,。圖1-2展示了幾種常見的多軸類型,。
圖1-2 常見多軸飛行器類型 可以看到，多軸為保持重心在其幾何中心,，都為對稱結(jié)構(gòu),。不僅如此，為了抵消螺旋槳產(chǎn)生的扭矩,，各螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向也都與相鄰的螺旋槳相反,。 多軸在原理上都是相同的，但軸數(shù)的多少會對其特性有所影響,。以四軸和八軸為例,，四軸相對較為靈活，八軸相對較為安全。也就是說,，八軸在飛行過程中,，如果某一軸上的電機突然因故障而停止轉(zhuǎn)動，它還是可以平穩(wěn)飛行和降落的,，而四軸由于其構(gòu)造的限制是不能做到的,。 三、多軸的基本工作原理 下面以作者自己搭建的一款實驗用小型六軸飛行器（圖1-3）為例,，簡單介紹一下多軸的基本原理,。簡單來說，一個多軸由飛行控制器（簡稱飛控）,、電調(diào)、電機,、螺旋槳,、機架、腳架,、電池,、遙控器構(gòu)成。當然還有任務載荷：相機,、云臺,、圖傳等。圖1-4簡要展示了該六軸的工作原理,。
圖1-3 作者搭建的實驗用6軸飛行器
圖1-4 6軸飛行器工作原理示意 飛控通過陀螺儀,、磁強計（電子羅盤）和GPS數(shù)據(jù)，不斷調(diào)整每個螺旋槳的轉(zhuǎn)速來修正當前飛行姿態(tài),，使多軸在飛行的過程中保持平穩(wěn),，避免其因傾斜過大而墜落。無論是飛手人工操作,，還是通過地面站設置航點自主飛行,，最終的控制都是由飛控來完成的，飛控是多軸的“核心大腦”,。常見的飛控品牌有大疆,、零度智控、XAircraft等,，當然也有一些開源飛控,，如APM之類。
圖1-5 三種具有代表性的飛控 圖1-5中,，左邊的為大疆公司生產(chǎn)的A2商業(yè)飛控,，具備一鍵起飛、一鍵返航、熱點環(huán)繞等便捷功能,。中間的為零度智控公司生產(chǎn)的“雙子星”飛控,，該飛控采用雙冗余備份的設計思路，當一臺飛控出現(xiàn)故障時,，飛行器的操作權(quán)會交給備份的飛控,，提高了飛行安全性。最右邊的為開源飛控APM,，它的優(yōu)勢在于功能多樣,，使用者可根據(jù)自身需要完成開發(fā)，但這也要求一定的專業(yè)知識,。 多軸的動力一般由高性能的鋰電池提供,。電池連接電子調(diào)速器（簡稱電調(diào)），電調(diào)根據(jù)飛控信號的指令輸出適當?shù)碾娏鹘o電機,，電機再帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn),，從而實現(xiàn)飛行。那么,，四軸就需要四只電調(diào),、四只電機和四只螺旋槳，八軸則各需八只,。 多軸起飛后,，如果沒有任何操作，它將保持高度和位置懸停在空中,。加大油門后它就垂直上升,，反之下降。只操作前后（俯仰）左右（橫滾）操縱桿,，飛機便會保持當前高度向前后左右移動,。當然，只動方向操縱桿,，飛機便會原地旋轉(zhuǎn),。由此可見，多軸的操作相對其他飛行器而言是簡便的,。 二,、畫面抖動產(chǎn)生原因分析
傳統(tǒng)的攝影整備器材大都具有良好的穩(wěn)定性，以保證拍攝過程中攝影機可以平滑而穩(wěn)定的移動,，即使使用斯坦尼康甚至肩扛攝影機拍攝,，由于沒有高頻振動，拍攝的畫面都是穩(wěn)定的,。 （一）“果凍效應”原理簡介
圖2-1 “果凍效應”原理示意 如圖2-1所示,，左邊方框內(nèi)展示的是卷簾式快門（左）與全局快門（右）曝光的區(qū)別,。可以看到,，卷簾快門在拍攝物體時,，是一個逐行掃描的過程，這個過程雖然很短,，但是在拍攝高速物體時,，便會出現(xiàn)右邊方框展示的情況。由于相對運動,，最終的成像結(jié)果與拍攝物體差別很大,。
圖2-2 兩種快門拍攝高速運轉(zhuǎn)螺旋槳 圖2-2反映了這種現(xiàn)象，可以看到卷簾快門在拍攝高速物體時,，出現(xiàn)了“果凍”現(xiàn)象。
圖2-3 航拍“果凍”效應 同理,，當進行航拍時,，雖然拍攝物體相對來說不會高速運動，但是由于飛行器螺旋槳的高速轉(zhuǎn)動會引起攝影機本身的高頻振動,，那么在航拍時如果沒有避開這些振動,，拍攝時就必然產(chǎn)生果凍效應。 圖2-3是嚴重的航拍“果凍”畫面,，由于抖動嚴重,，所拍攝的畫面出現(xiàn)了扭曲變形，原本筆直的道路都彎曲了,，根本無法使用,。目前用于航拍的攝影機或微單大都是卷簾快門，即使有了全局快門的小型高清攝影機,，在拍攝時沒有出現(xiàn)“果凍”,，但是抖動造成的后果就是畫面模糊，依然無法達到電影畫面的要求,。 （二）機身振動 用于航拍的設備里面,，產(chǎn)生振動的主要來源就是機身的振動，也就是動力系統(tǒng)（電機,、螺旋槳）在產(chǎn)生和傳輸動力時產(chǎn)生的振動,。動力系統(tǒng)產(chǎn)生的振動屬于高頻振動，如果沒有對其進行處理，就會在畫面中產(chǎn)生果凍效應,。 （三）環(huán)境影響 環(huán)境影響主要是周圍氣象因素給飛行器帶來的抖動,。在非惡劣飛行條件下，飛控可以很好地自適應地修正環(huán)境影響,，使飛行器保持平穩(wěn)飛行狀態(tài),，所以調(diào)整設置飛控板的參數(shù)，就可以很好地解決環(huán)境的影響,。 （四）云臺抖動 云臺是連接攝影機到飛行器的設備,，云臺通過控制無刷電機來實現(xiàn)攝影機在俯仰、方位,、橫滾三個方向上的運動,。如果云臺在安裝時使用的減振球不當，或者云臺的參數(shù)設置不合適,，便會影響到正常的拍攝,。 三、消除抖動方法探討 正如我們在拍攝影片時一樣,，應當把問題盡量在前期解決,。如果視頻含有嚴重的“果凍效應”，那么后期是無法完全修復利用的,。所以本章就重點研究如何在前端,，也就是航拍設備上，把抖動消除,。 （一）機身平衡 1,、機身重心的調(diào)節(jié) 在組裝航拍飛行器時，要盡量保證重心在其幾何中心,。雖然飛控可以自適應地調(diào)整各螺旋槳的轉(zhuǎn)速,，使飛行器保持水平，但是如果飛行器重心偏差過大,，由圖1-4可以看出,，這必然導致某個電機高速運轉(zhuǎn)，以維持飛行器水平,。長此以往,，會帶來兩個問題：第一是安全問題，長期高速運轉(zhuǎn)的電機故障率會增大,，甚至燒毀,，導致墜落；第二,，如果該電機起飛時就已經(jīng)高速運轉(zhuǎn),，那么起飛后其可調(diào)節(jié)余量變小,，在遇到微風或者飛行器需要機動時，就會顯得“力不從心”,，導致出現(xiàn)飛行器傾斜或者抖動,，這會對拍攝的畫面帶來影響。 調(diào)整重心可通過調(diào)整電池的位置實現(xiàn),。重心調(diào)整后的飛行器,，在懸停時，各電機的轉(zhuǎn)速近乎相等,，飛行穩(wěn)定性增強,。 2、螺旋槳和電機的調(diào)平 螺旋槳在制造過程中,，很難保證兩邊槳葉的重力剛好相抵,。也就是說，一只螺旋槳會存在兩邊槳葉重量不等,，或者重心不在同一位置的問題,。雖然這個差距非常小，甚至不足1g差距,，但是在飛行器飛行時,，螺旋槳的轉(zhuǎn)速大約在3000-10000轉(zhuǎn)每分鐘，螺旋槳即使存在非常小的不平衡,，一旦旋轉(zhuǎn)起來,，也會造成很大的抖動，而且這樣的抖動屬于高頻振動,，就會造成前文中提到的果凍效應,。 首先,，我們需要對螺旋槳進行靜平衡的調(diào)平,。可以利用簡單的工具進行調(diào)整,，如圖3-1所示,。我們可以在較輕的一端貼少量透明膠帶，或者噴漆增重,，直到達到平衡狀態(tài),。
圖3-1 螺旋槳的靜平衡調(diào)整 其次，我們需要將螺旋槳安裝在電機上,，一起進行動平衡的調(diào)整,。動平衡的調(diào)整比較復雜，這里推薦利用激光筆的方法,。
圖3-2 動平衡的調(diào)整 如圖3-2所示,，將電機和螺旋槳裝在一根長棍（木質(zhì)較好）上,，在長棍上安置一面小鏡子，用激光筆將激光打在鏡子上,，觀察反射光線的形態(tài),。如果激光筆投影出的是一條線，或者是其他雜亂的圖形,，就需要變換膠條位置（膠條貼在電機上）,，直至投影出一個點為止。調(diào)整后的螺旋槳和電機由于具有良好的平衡性,，會大幅減少振動的產(chǎn)生,。
圖3-3 調(diào)整前后振動監(jiān)測對比 圖3-3展示的實驗結(jié)果，是同一電機,、相同轉(zhuǎn)速,，在調(diào)整平衡前后的振動測量結(jié)果?？梢钥闯?，調(diào)整后的振動相對減少。 （二）感度調(diào)整 多軸的飛控是一個閉環(huán)自動控制系統(tǒng),，簡單來說就是“出現(xiàn)干擾,、經(jīng)過傳感器傳遞給中控，再由中控發(fā)出調(diào)整指令,，調(diào)節(jié)干擾”這樣一個過程,，如圖3-4：
圖3-4 閉環(huán)自動控制系統(tǒng) 舉例來說，在航拍時,，一陣微風吹來,，首先是飛控系統(tǒng)中的IMU（慣性測量單元）傳感器感受到飛行器偏離水平位置，然后它將信息傳遞到中控處理單元,，中控得知飛行器出現(xiàn)偏離后便發(fā)出調(diào)整指令到各個電機,，各個電機根據(jù)指令調(diào)整各自的轉(zhuǎn)速，從而來消除傾斜,。
圖3-5 自動控制系統(tǒng)被動量變化的動態(tài)特性 那么,，中控所發(fā)出的調(diào)整指令的大小就非常重要，這個值我們可以稱之為感度,。對于感度,，不同品牌的飛控可能會有不同的名稱，但意義相同,。圖3-5中,，橫軸為時間，縱軸為振動,，虛線為理想的穩(wěn)定狀態(tài),。 可以看到,，圖3-5,a的感度太低，雖然能夠緩慢地調(diào)整到理想狀態(tài),，但是太過遲鈍,。b的感度適中，飛行器會迅速地調(diào)整到穩(wěn)定值,。c和d都是感度過大,，其中c表現(xiàn)為一直在振蕩，也就是飛行器一直在修正傾斜,，每一次的修正都會導致飛行器向另一邊傾斜,，于是飛行器就會一直振蕩，航拍的畫面也會出現(xiàn)抖動,。d中感度太大,，直接將飛行器傾斜角度修正到超出安全角度的程度，從而導致墜機,。 由上述可以看到,，調(diào)整飛控單元中的感度值對于航拍的質(zhì)量和安全都是十分重要的。 飛行器在購買時,，會帶有一個感度的建議值,，我們調(diào)整時需要根據(jù)這個建議值來調(diào)整。具體的做法是： （1）找到一個無風的飛行場所,，調(diào)整感度到建議值,； （2）起飛后懸停，動桿調(diào)整飛行器向前后,、左右飛行,； （3）如果感到飛行器響應遲鈍，就逐漸增大感度值,； （4）增大感度值直至飛行器出現(xiàn)輕微振蕩,，這時再略微調(diào)小感度值，至飛行器可以平穩(wěn)飛行,。 合理的感度值應既能保證飛行器的平穩(wěn)飛行,，又能實現(xiàn)飛行器的機動性,。 （三）云臺安裝及設置 1,、選擇合適的減振球
圖3-6 減振球 航拍云臺并不是直接加掛在飛行器的機架上，而是需要通過減振設備連接的,，最常見的便是減振球（圖3-6）,。當然還有其他減振設備，但原理都相仿,。 減振球能避免飛行器機身將過多的振動傳遞到攝影機,，從而起到緩沖的作用,。但減振設備也需要針對飛行器來科學合理地挑選和安裝。 減振球在選擇時應該避免共振現(xiàn)象,。一般來說,，150kHz是航拍直升機的主要振動頻率段，100kHz是小型四旋翼飛行器的主要振動頻率段,，60kHz是大型多旋翼飛行器主要的振動頻率段,。我們需要根據(jù)飛行器來進行合適的選擇。也可以在云臺上加掛一個監(jiān)測振動的傳感器來監(jiān)測振動,，通過調(diào)換不同軟硬程度的減振球來達到最好的效果,。 2、正確安裝云臺及調(diào)整云臺參數(shù) 首先將云臺正確地安裝到飛行器,，然后再將攝影機安裝到云臺,。目前市場上有許多公司生產(chǎn)的專用云臺，其調(diào)試非常簡便,，用戶可以直接根據(jù)手冊進行簡單調(diào)試即可,。圖3-7為常見的三軸云臺各器件示意圖。
圖3-7 云臺各部件 在安裝攝影機時主要注意調(diào)整好重心,，在不通電的情況下,，攝影機也應該處于水平位置。之后就是連接好線路,，保證遙控器能夠正確控制云臺運動,。 安裝好攝影機和云臺后，需要調(diào)整云臺參數(shù),。目前云臺都是專用云臺,，如BMPCC云臺、GH4云臺等,，出廠參數(shù)不建議改動,。 如果云臺在出廠參數(shù)下出現(xiàn)振顫等現(xiàn)象，就需要調(diào)整PID等參數(shù),。需要連接云臺到PC,，進入調(diào)參軟件進行調(diào)試。 圖3-8為SBGC調(diào)試軟件界面,，其他各調(diào)參軟件大都類似,，這里簡要介紹各主要參數(shù)意義與調(diào)試要點。
圖3-8 云臺調(diào)參軟件 P,、I,、D ——PID控制器設置：每個軸都有單獨的PID參數(shù)，這是最主要的調(diào)試參數(shù),，下面分別予以解釋,。 P ：定義對干擾的響應,。P值越大，反應速度越快,。也可以解釋為“增益”傳感器信號之前,，它會被傳遞給電機。這個值從零慢慢增加,，直至穩(wěn)定的質(zhì)量變好,。太高的值可能導致系統(tǒng)自激（可見增加振蕩）。如果從主框架的振動被傳遞到攝影機平臺,，它們可能導致簡單的自我激勵和不平衡,。 D ：定義抑制反應。它有助于防止低頻振蕩,，但過高值可能會引入系統(tǒng)中的高頻率的噪音,，這種情況下可能會增加振動。應保持它盡可能接近零,。 I ：定義反應的速度,。這個值表示云臺對操作員控制的反應。高值讓攝影機迅速返回到地平線,，低值讓攝影機緩慢回到地平線,。 Power：定義對每個電機的輸出功率。設置從0到255,，其中255是最大的可用功率,。過高會導致電機過熱，過低則扭矩不夠,。 Invert ：定義了電機的旋轉(zhuǎn)方向,。 其余參數(shù)，文章不做介紹,，用戶可以查閱對應的用戶手冊進行調(diào)整,。一些高級的云臺經(jīng)過調(diào)試會帶有很多功能，比如定點跟蹤,、自適應搖動等,，這些功能對于提升畫面的美感是非常有用的。 四,、結(jié)論 影視航拍對畫面的質(zhì)量要求較高,，在拍攝前需要做大量工作，以確保拍攝的安全和質(zhì)量,。畫面抖動是航拍中最易出現(xiàn)的問題之一,。本文通過講解航拍原理,，結(jié)合實驗,，分析并找出了導致畫面出現(xiàn)振動甚至“果凍”的主要因素：機身平衡性,、電機和螺旋槳的平衡性、飛控中感度的調(diào)整,、云臺的合理安裝,。
圖4-1 未經(jīng)調(diào)整拍攝的畫面效果
圖4-2 調(diào)試后拍攝的畫面效果 通過合理地調(diào)整上述的各項參數(shù)和部件，可以實現(xiàn)航拍的穩(wěn)定無抖動,。圖4-1是組裝好后直接飛行拍攝的畫面,，在觀看視頻時，有輕微“果凍”,，視頻清晰度會下降,。調(diào)整后畫面質(zhì)量有較大提升（圖4-2）。 本文主要從前期準備的角度出發(fā),，分析了航拍中產(chǎn)生抖動的各種原因,，并提出了相應的解決方案。但是并沒有研究如何在后期進一步消除視頻的抖動,，這是值得研究的一個方向,。 文中為了更清晰的反映每一個環(huán)節(jié)，使用了作者自己搭建的一套小型航拍平臺,，所有的器件都是單獨購置并組裝的,，沒有針對常用的套機（例如S1000、HighOne等）去展開討論,，所述經(jīng)驗僅供參考,。
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