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(dǎo)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(yīng)”進(jìn)行了研究。分析了產(chǎn)生抖動的原因，并提出了相應(yīng)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(shè)定、云臺安裝調(diào)試等方法，達(dá)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(shè)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(yīng)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(dāng)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(dāng)然還有任務(wù)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(dāng)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(shè)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(dāng)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(shè)計思路，當(dāng)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(dāng)?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(dāng)前高度向前后左右移動。當(dāng)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。
然而航拍由于其特殊性，螺旋槳和電機始終處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，加之在空中受重力、氣象等影響，畫面抖動甚至出現(xiàn)“果凍”就成為航拍最大的難題。本章主要介紹“果凍效應(yīng)”并分析產(chǎn)生抖動的原因。
（一）“果凍效應(yīng)”原理簡介
圖2-1 “果凍效應(yīng)”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?？梢钥吹剑砗熆扉T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(yīng)
同理，當(dāng)進(jìn)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(yīng)。
圖2-3是嚴(yán)重的航拍“果凍”畫面，由于抖動嚴(yán)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(dá)到電影畫面的要求。
（二）機身振動
用于航拍的設(shè)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(jìn)行處理，就會在畫面中產(chǎn)生果凍效應(yīng)。
（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(yīng)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(shè)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(shè)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(dāng)，或者云臺的參數(shù)設(shè)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(yīng)當(dāng)把問題盡量在前期解決。如果視頻含有嚴(yán)重的“果凍效應(yīng)”，那么后期是無法完全修復(fù)利用的。所以本章就重點研究如何在前端，也就是航拍設(shè)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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(fēng)或者飛行器需要機動時，就會顯得“力不從心”，導(dǎo)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(yīng)。
首先，我們需要對螺旋槳進(jìn)行靜平衡的調(diào)平?？梢岳煤唵蔚墓ぞ哌M(jìn)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(dá)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(jìn)行動平衡的調(diào)整。動平衡的調(diào)整比較復(fù)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?？梢钥闯觯{(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(fēng)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(dǎo)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(dǎo)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(fēng)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)備連接的，最常見的便是減振球（圖3-6）。當(dāng)然還有其他減振設(shè)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(shè)備也需要針對飛行器來科學(xué)合理地挑選和安裝。
減振球在選擇時應(yīng)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(yīng)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(jìn)入調(diào)參軟件進(jìn)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(shè)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(yīng)。P值越大，反應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)致簡單的自我激勵和不平衡。
D ：定義抑制反應(yīng)。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(yīng)保持它盡可能接近零。
I ：定義反應(yīng)的速度。這個值表示云臺對操作員控制的反應(yīng)。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(shè)置從0到255，其中255是最大的可用功率。過高會導(dǎo)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(yīng)的用戶手冊進(jìn)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(yīng)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(dǎo)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(zhǔn)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(yīng)的解決方案。但是并沒有研究如何在后期進(jìn)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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