张 洁

(兰州城市学院教育学院，甘肃兰州 730070)

1 引言

电影是具有深厚社会文化意涵的一种艺术形式，其作为人类文化中一种更带有机构性质的艺术 “话语”，意识形态性是不言而喻的；经过逾世纪的发展，电影产业逐渐产生了独特的社会和经济影响力，也受到了世界各国的高度重视。近年来，随着观影需求多元化的发展，电影也不断在题材、场景、角度等各个层面进行创新，呈现给观众耳目一新的电影作品，但由于电影拍摄器材的硬件限制，所展现的画面广度、层次存在有天然的限制，这给有异于传统摄影器材的设备提供了广阔的发展空间。其中，无人机航拍便是一种经济、安全的创新型电影拍摄手段，其展现的独特大场面、超现实视觉效果，给刷新观众的观影体验注入了新鲜的血液。

2 无人机航拍的发展历史

人类对上帝视角的渴望由来已久，最早可追溯至十九世纪五十年代，从热气球、风筝上的老式湿版照相机，到装备在鸟类身上的微型相机，再到火箭、直升机上的影像设备，人们不断刷新着上帝视角的广度和清晰度，一步一步实现了人类通过银幕飞向天空的梦想。二十世纪以来，飞机的发明以及第一、二次世界大战极大地推动了无人机、航拍侦察相关技术的发展，1916年，世界首架无人机在美国成功试飞，这标志着影像设备载体出现了革命性的转变。但由于其技术不够成熟及高昂的造价，在电影领域鲜有应用，早期电影航拍镜头主要还是依赖于基于直升飞机的Space-cam 专业航拍系统，虽然价格昂贵，但可以获得稳定、满意的取景效果。Space-cam 的原理是利用三轴陀螺仪实现全方位的角度、加速度修正，从而稳定相机的拍摄画面。此后，随着图像传感器技术、微云台技术的发展，在无人机这样小体积飞行器上实现稳定、高清晰度画面取景成为可能，从而使各种各样类型无人机航拍设备进入了电影片场。

图1 Space-cam 专业航拍系统

大疆便是这其中的集大成者，自2006年创立至今，大疆通过精灵、悟、御等系列产品稳稳抓住了消费级和专业级无人机航拍器市场，大疆推出的STORM 机型，凭借E5000动力系统、R2880 螺旋桨、A3 Pro飞控系统、D-RTK 厘米级GPS定位系统等旗舰配置，与Freefly Systems Alta X 共同成为行业代表性电影无人机。

图2 旗舰级电影无人机

3 无人机航拍技术现状及发展趋势

在消费定位方面，无人机分为消费级和专业级。消费级航拍无人机专注于设备硬件、软件的高度融合，同时兼具一定的便携性，比如大疆的 “御”系列折臂无人机，除具备优秀的便携性、机动能力、成像素质以及长距离图传稳定性，还具有一系列智能飞行辅助功能，可使非专业人员快速上手并拍出自己理想的视觉效果。而与消费级不同，专业级无人机由于需要搭配专业电影摄影机，在成像质量、整机载荷、续航时长等方面要求更加苛刻，价格也更加昂贵。

在技术层面，无人机涉及自动化、信息工程、机械电子等多个学科，具有高度融合特性，核心技术包括：长距离图传技术、多旋翼动力技术、全向感知/避障技术、电池技术以及基于图像的机器视觉技术等。

3.1 长距离图传技术

无线图像传递技术，简称图传，是航拍无人机最具标志性的特性。图传技术的好坏直接决定地面终端设备所呈现画面的质量及实时性，对电影拍摄取景的重要性不言而喻。长距离、低延迟、高带宽、强抗扰性是其主要的发展方向。由于模拟信号抗扰能力较弱，目前无人机的图传系统以数字类型为主，比如大疆的OcuSync图传技术，作为LightBridge高清图传系列的重要一员，OcuSync在多种速率下都具备远超 Wi-Fi 和一般图传的链路性能。OcuSync利用高效的数字压缩技术和信道传输技术，在各种不利的无线传输场景下获得稳定的高清视频流传输，相比传统模拟图传，OcuSync支持720p和1080p图传，图像清晰度大约提升4到10倍，而且不会出现模拟图传经常出现的偏色、雪花点、花屏、闪烁现象，提供更加清晰的飞行视野。在FCC 和SRRC标准下，相同发射功率OcuSync支持7km 以上的图传遥控距离，远超模拟图传，巨大的链路余量也明显地增强了对抗干扰和遮挡的能力。这在信号干扰严重的城市取景环境中具有非常重要的现实意义。

3.2 多旋翼动力技术

图3 大疆E7000动力系统

多旋翼动力技术是无人机的心脏，直接决定其气动效率、推重比、可靠性、平稳性和敏捷度。图3为大疆经典的E7000 动力系统，由M12 电机、12100 FOC 电调以及R3390 低惯量螺旋桨构成。M12电机采用轴承系统密封、定子涂覆工艺，具备优异的防锈抗腐蚀能力；12100电调采用磁场定向控制 (FOC)算法，实现精准敏捷的电机驱动；R3390螺旋桨在降低60%噪声功率的基础上，仍能够提供单轴6～8kg 的额定拉力，气动性能优异。相对消费级无人机航拍器，专业电影级无人机航拍器拥有更强的载重能力以及更严苛的稳定性要求，使其整体可工作于极端气候条件下，为特殊天气取景提供了硬件保障。

以STORM 以 及Freefly Systems Alta X 两 台专业电影无人机承载力为例，STORM 最大有效负载达18.5公斤，Alta X 为15.8公斤，该承载能力可以适配ALEXA Mini、RED DSMC2电影摄影机，STORM 甚至还可以搭载ALEXA SXT/LF 以及SONY VENICE等全尺寸摄影机，在电影摄影机轻量化技术取得突破性进展之前，优异气动性能无人机与专业电影摄像机相结合的方案无疑是电影片场的首选。

3.3 全向感知/避障能力

由于航拍无人机经常需要拍摄大场景位移或快速追踪镜头，这就要求其需具备优秀的机动性能，随之带来的是较高的飞行安全问题，这在复杂地貌环境中尤为明显。特别对于电影无人机，其本身不仅价格昂贵，往往还搭载着价值不菲的影像设备，一旦发生事故，轻则造成设备财产损失，严重时会威胁片场人身安全。因此，航拍无人机对环境的感知能力就非常关键，在非运动模式下，航拍无人机通常具备全向感知、避障能力，这是通过采用视觉、红外、雷达等多传感器融合技术实现的。外部环境数据，比如障碍物距离、障碍物形状、离地高度、风速风向、无人机航速等，通过高精度传感器采集，经由高性能数字信号处理器分析、整合，综合研判当前设备所处环境特征，实现360°无死角环境实时感知，最大程度保证航拍无人机、影像设备以及片场工作人员安全。随着芯片技术以及电池技术的进一步发展，未来航拍无人机将通过全景视觉识别技术进一步提升环境感知能力，从而进一步提升机动性能和安全性。

3.4 电池及机器视觉技术

电池组件是航拍无人机质量最大的部件，同时又是其所有电子设备能量的来源，在所有部件轻量化发展的大前提下，电池组件显得格格不入。在无人机“一克一金”的机身上，这个看似普通的部件极大地制约了航拍无人机气动、续航等各项指标。目前航拍无人机采用的均是成熟的聚合物锂离子电池，其中的核心技术由三位诺贝尔奖得主研究多年共同攻克，兼具轻便、高能量密度的特点，但在无人机这种轻量化要求和动力密度要求极高的应用场景下仍然显得力不从心，导致目前航拍无人机的续航均以分钟计算，在高密度的拍摄场景不得不频繁更换电池。未来随着电池技术的进一步革新，超高效率的薄膜太阳能电池甚至核能电池的应用将彻底补足航拍无人机续航的短板，极大地提升拍摄效率。

图4 基于机器视觉的移动目标跟踪

与此同时，充沛的能量供给将为航拍无人机的核心处理器提供强大的支撑，实现大量数据的实时处理，从而实现基于机器视觉的移动目标识别、智能跟踪等功能。

4 结语

无论是消费级还是专业级，航拍无人机从诞生至今，各项关键技术已经取得了长足的发展，为大众带来《战狼2》《影》等优秀电影作品的同时，也通过《航拍中国》等航拍特色纪录片的独特视角真实再现了中国的波澜壮阔。纪录片导演吉加·维尔托夫把摄影机视为比人眼更完美的“电影眼睛”，而由人类自己创造的 “上帝之眼”将以全新的视角为未来的电影创作创造更多的可能。❖