小型無人機關鍵技術解析 無人機小型化成趨勢

　　隨著上個月底大疆發(fā)布小型無人機Mavic，標志著整個無人機行業(yè)正式進入了小型化趨勢中。然而想要在這一新興趨勢下領漲行業(yè)，著力剖析小型化無人機中的重要技術一定是從業(yè)者需要特別關注的信息之一。

　　本期的智能內參，我們推薦來自廣發(fā)證券的小型無人機報告，先拋個重要結論過過癮：小型化是趨勢，但云臺不可簡配。

　　其中的道理將會在文中得到解答。以下為智能內參整理呈現(xiàn)的干貨：

　　市面上的小型無人機產品均需要在懸停定位技術、避障技術、視覺跟隨、圖傳技術等幾方面進行重點打磨。下圖為大疆Mavic和同級別產品的一個綜合對比。

　　要對無人機航拍技術進行梳理，首先需要知道無人機航拍技術有哪幾點。通常來看，無人機航拍技術其實可以簡單地按照字面的“無人機”+“航拍”拆分為2點：

　　（1）影像拍攝技術，也即成像以及圖像處理技術；

　　（2）無人機平臺技術，主要指為航拍提供穩(wěn)定的航拍環(huán)境的機身控制技術。

　　影像拍攝技術：目前市場上的影像拍攝方案，都是對幾個大品牌主流的攝像頭模組的集成應用，無人機生產廠商在這一方面沒有太多的技術空間，而且因為技術發(fā)展已經(jīng)比較成熟，不同產品方案之間差距并不大。因此，本篇報告僅作簡要介紹。

　　無人機機載平臺穩(wěn)定技術：是指除了飛行導航、控制等無人機自身飛行技術以外，為無人機實現(xiàn)穩(wěn)定航拍平臺保障的相關技術。這種技術是影響到成像質量最關鍵的因素。

　　隨著近幾年智能手機的迅猛發(fā)展，智能手機相關技術得到了空前的發(fā)展，以觸摸顯示屏、處理器、攝像頭模組等為突出代表的智能手機核心的硬件技術在大規(guī)模工業(yè)化需求的基礎上不斷地朝著低功耗、高性能、高集成的方向發(fā)展，在這一產業(yè)發(fā)展過程中，淘汰了大量落后技術產能，產品向索尼、三星等巨頭企業(yè)不斷集中。

　　可以看到，不論在銷量還是銷售額，索尼憑借在移動端市場的出色表現(xiàn)，牢牢占據(jù)榜首。從總的品牌分布來看，前4名的企業(yè)占有了市場近75%的份額，市場分布較為集中。

　　在體現(xiàn)單個攝像頭模組成像水平的技術參數(shù)方面，通常大家比較關心的是一些具體、表觀參數(shù)，比如像素數(shù)、光圈大小等，但是攝像頭模組上影響成像質量的參數(shù)還有許多：單個像素尺寸、傳感器技術、鏡片組技術、ISP技術等。下面做一個簡單的介紹。

　　像素數(shù)/分辨率：像素數(shù)比如800萬像素（3200&TImes;2400分辨率）、1300萬像素（4208&TImes;3120分辨率）是目前攝像頭模組技術中最經(jīng)常被提到的概念，但是像素數(shù)其實并非決定圖像清晰度的決定性因素。像素數(shù)僅決定一幅圖像中有多少單位像素，也即放大后，圖片能夠展現(xiàn)的細節(jié)程度，但是每個細節(jié)以及整張照片的圖像質量還取決于其他很多因素。

　　至于現(xiàn)在比較火的“4K視頻錄制”概念，指的就是分辨率達到4096&TImes;2160的影像拍攝能力，其實4K更新趨勢主要來自于播放設備以及膠片拍攝設備，因為之前的播放設備高清標準為1920&TImes;1080分辨率，現(xiàn)在的4K像素水平是之前的4倍，面臨著許多方面的挑戰(zhàn)，同樣，膠片拍攝將從原先耳朵35mm膠片升級到70mm，面臨的是全行業(yè)標準設備的升級。但是4K分辨率的數(shù)字視頻拍攝能力僅要求傳感器達到1200w像素，以及能夠與之匹配的圖像處理能力，這一點行業(yè)內已經(jīng)有成熟的配套解決方案（比如高通的Snapdragon Flight平臺不僅支持4K錄制，還支持4K的立體VGA錄制），因此，也并不構成技術壁壘。

　　光圈大小：光圈大小直接影響到通光量的多少，對于成像質量有較大影響，目前，移動類消費電子的攝像頭模組已經(jīng)從f/2.4、f/2.2、f/2.0逐漸增大（數(shù)字越小，光圈越大），目前手機市場上也已經(jīng)開始大面積出現(xiàn)f/1.8的攝像頭模組了。

　　光圈增大對于拍攝成像來說主要有兩方面優(yōu)勢：1、提高弱光下畫質；2、提高快門速度；3、減小景深。

　　對于航拍應用來說，提高弱光下畫質（夜景拍攝）以及提高快門速度（運動拍攝）都是很有必要的，而減小景深則在人像拍攝時能夠較好的虛化背景，突出主體，這種需求對于目前以大景物對象拍攝為主要使用目的的無人機來說屬于錦上添花的功能，但是對于自拍無人機來說，是十分必要的。比如主打自拍的Dobby無人機就采用的f/1.8光圈，而大疆的精靈4則采用的f/2.8光圈。

　　但是從現(xiàn)有行業(yè)技術水平以及產品策略上來看，光圈的提升也并不是沒有代價的：

　　1）、大光圈的進光量增大后，首先需要配套提高的是快門速度。在黑暗環(huán)境中，本來光線較弱，快門速度不需要提高很多即可保證拍攝質量。但是，在白天或者光線較強的環(huán)境下，考慮到無人機或者移動電子設備通常采用的是固定光圈，并不能調整到合適的小光圈，因此必須要將快門速度提高從而避免過度曝光，但從目前的技術水平來看，快門速度的提高還存在一些技術瓶頸，這也是小型化設備上制約光圈增大的一個重要因素。

　　2）、光圈增大同樣還會引起圖像畸變以及邊緣畫質下降。為了校正邊緣畫質的下降以及圖像畸變，通常都會采用更多的鏡頭組以及鏡頭部分的機械結構，這對于小型設備來說，是難以實現(xiàn)的（比如iphone6以后的設備為了實現(xiàn)f/1.8的光圈以及相關的一些其他技術考慮，攝像頭高度增加，且遠高于機身，凸出于外部）。當然，小型化的考慮在無人機上還不是一個特別大的問題，但是技術實現(xiàn)可能會有一定的門檻。

　　傳感器技術：傳感器技術目前主要是索尼、OmniVision、三星幾家公司，尤其是索尼公司，其所推出的IMX220/230/240等系列傳感器幾乎占到了市售手機的大半壁江山蘋果、三星、索尼、華為、小米、魅族等熱門旗艦機幾乎都是采用的IMX系列傳感器。因此，在無人機上的應用也只需要根據(jù)無人機的定價策略來選擇相應產品即可。傳感器技術主要涉及到傳感器尺寸和傳感器結構方式兩部分技術。

　　ISP技術：ISP（Image Signal Processing）也即圖像處理技術，鏡片、傳感器構成了圖像的接收裝置，而ISP則構成了圖像的采集和預處理，面對目前越來越高的全尺寸高幀頻的數(shù)據(jù)吞吐能力要求，ISP技術也在不斷提高。除了高速拍攝、雜噪抑制以外，相機還可以借助ISP處理器對圖像做出比較重大的調整，HDR技術就是一個很明顯的例子。

　　HDR技術是ISP技術的一個主要應用，其可以通過采用不同的曝光策略連續(xù)拍攝數(shù)張照片，并通過ISP處理器對幾張照片進行合成，保留了暗部和高光的細節(jié)，大大增強了畫面的層次感，如果這一合成算法是由手機自身的處理器完成的話，勢必加重處理器負擔，而且考慮到圖像處理的特殊性，可能效果并不完美，從而很多廠商設立了獨立的ISP處理器，專門對照片進行預處理。還可以ISP技術還可以對畫面的整體渲染效果做出調整，不同的廠商有這不同的調教傾向。

　　自動對焦技術也是ISP的一個主要功能。目前主要有三種主流的自動對焦方式，分別為：反差對焦、相位對焦、激光對焦。這三種對焦方式，尤其是反差對焦，需要對圖像進行全景掃描處理，ISP資源消耗巨大；相位對焦也需要對圖像進行實時處理，雖然計算量小，但是速度要求較高，同樣對ISP有能力要求。

　　因此，不論從成像觀感、自動對焦拍攝使用等角度來看，ISP技術都對拍攝成像有較大影響。

　　從上面的分析可以看出，影響最終成像質量的因素很多，而且很難通過單一調整參數(shù)提高整體水平，因此，攝像頭模組的設計是一個相當考驗工業(yè)設計水平的核心技術領域，從目前的現(xiàn)狀來看，國內無人機廠商對于這一領域的探索還較為初步。但是，必須要注意到的一點是，目前攝像頭模組技術的發(fā)展從某種意義上來說確實已經(jīng)相當成熟。成像技術對于性能的提升，大部分都在專業(yè)領域內才能顯現(xiàn)出差異，對于一般消費者來說，對于使用體驗的提升并不明顯，成像技術對于最終畫質提升邊際效應應該還是較弱。

　　我們認為，成像技術固然重要，但是按照目前的成熟度和提升潛力來說，專注于無人機拍攝平臺的穩(wěn)定技術相比于成像技術來說，對使用感受的提升更為明顯。