华南师范大学无人机航拍云台手训练虚拟仿真实验项目简介

无人机航拍作为影视工业中的一个重要配置，早已进入大学影视专业培养计划。自2018年9月，华南师大面向2017级学生开办无人机拼装和飞行课程和无人机航拍两门课程以来，广受学生欢迎。但是在课程教学的实施过程中，却遭遇到教学硬件条件不匹配、教学场地不足以及安全保障难以保证等三大难题。

在此背景下建设的华南师范大学无人机航拍云台手训练虚拟仿真实验，是华南师大新闻传播系电视制作课程的重要实验项目之一，也是摄像基础课程和无人机航拍教学的重要技能实训内容。该实验的培养目标是为了培养学生在操控无人机云台时对无人机的机械认识、摇杆动作技能、无人机云台操控技能、以及处理航拍过程中突发情况的反应能力。

围绕教学难题和对云台手训练的知识技能点的分析，本虚拟仿真实验综合运用了AR技术、三维建模、VR全景视频场景构造等先进的实验环境构建技术，开发了可以远程共享的网络版之外，还开发了基于IOS、Android移动设备系统的移动端APP，这样既可以节省巨额的教学硬件设备投入，最重要的是学生们可以在电脑或者手机上随时随地进行实验操作练习并提交实验作品。

航拍云台手的真实训练往往受到空间场景的限定性因素而无法开展。本实验已经开发了校园、公共户外两个VR全景视频作为实验应用场景，让学生在真实的环境下练习画面水平校正、绕点练习、云台上下左右横滚摇杆控制、空中摄影等云台操作技能，有效地解决了学生们在传统无人机虚拟操作学习以后，难以在真实环境中操控的教学难题。

知识点

一、云台手需要深入了解的无人机机械知识

各部件介绍：

　　　1）桨叶，是无人机产生升力的关键部件。从飞行力学上来看，多旋翼无人机是靠螺旋桨转速的变化，来调整力和力矩的。按照其结构来分，有自紧桨、快拆直桨、快拆折叠桨等；按螺旋桨旋转方向，有正反桨之分。桨叶上面标注的数字和字母分别代表桨叶展开之后的直径和桨的螺距。桨叶直径是指桨叶桨尖之间的距离。螺距：指桨叶旋转一周前进的距离。桨叶直径的单位为英寸（inch）。以8330F为例，83代表了桨展开之后直径为8.3英寸，桨的螺距为3.0英寸，F是Folding，折叠桨叶的意思。

　　　2）电池，目前航模动力电池主要有：镍氢/镍铬电池、锂离子、锂聚合物电池等。但大多数以锂聚合物电池为主。锂聚合物电池采用凝胶聚合物为电解质，其内部不含流质，不会流失和蒸发，一般采用铝塑复合膜包装。锂电池的主要特点是能量比高，重量轻，放电率大，比如一块大疆精灵4 5800mah的电池，容纳能量达到89Wh之多。为了保护电池的长时间工作安全，有的无人机电池上还内置电源管理系统，长时间搁置情况下能够自动放电，延长电池的使用时间。由于锂电池本身的特性，正常的工作电压为3.7-4.20V之间，每节锂电池的充电电压禁止超过4.25V。没有安装电源管理系统的电池的话，就需要对电池的电量进行手动充放电。对于锂聚合物电池的安全保存电压是3.75-3.85V，此时锂电池性能稳定，安全性高。禁止对电池过充（4.20V以上）、过放（2.2V以下）。

电池标识规格： 11.1V：电池标称电压。11.1V=3.7V *3；

3S：表示电池串联节数（3节串联）；

2200mAh：表示单节电池的容量；

25C：表示电池放电倍数；最大放电电流=2.2A*25=55A

5C：表示电池充电倍数；最大充电电流=2.2A*5=11A

3）ＳＳＤ固态硬盘，ＳＳＤ是Solid State Drive的英文简称，大疆无人机称其为CINESSD高速存储卡。固态硬盘的存储介质分为两种，一种是采用闪存（FLASH芯片）作为存储介质，另外一种是采用DRAM作为存储介质。

4）云台系统，云台是安装、固定摄像机的支撑设备，它分为固定和电动云台两种。固定云台适用于监视范围不大的情况，在固定云台上安装好摄像机后可调整摄像机的水平和俯仰的角度，达到最好的工作姿态后只要锁定调整机构就可以了。电动云台适用于对大范围进行扫描监视，它可以扩大摄像机的监视范围。电动云台高速姿态是由两台执行电动机来实现，电动机接受来自控制器的信号精确地运行定位。在控制信号的作用下，云台上的摄像机既可自动扫描监视区域，也可在监控中心值班人员的操纵下跟踪监视对象。

用于航拍的云台相机，是航拍无人机的重要部件之一，由三轴机械增稳云台和高清摄像高度集成。它是用无刷马达将相机稳定在轴径上的基座上，其工作方式是，相机基座上有一个惯性测量单元（IMU），可以向云台控制器报告其方向。云台控制器控制云台马达，使相机平台不断处于水平，每秒钟这个动作都会发生几百次，这样即使无人机被大风吹得摇摆不定，相机平台也会非常稳定。

二轴云台稳定横摇（左右倾斜）和纵摇（上下移动），三轴云台加入了偏航（转左和转右）稳定，所以使用好的三轴云台一定不会拍出不稳定的视频。

通常一款云台是针对一款相机（含镜头）的重心，结构平衡生产设计的。其仅能使用指定的相机和镜头，不能使用非指定的云台和镜头。云台可以通过遥控器控制，控制相机的横滚，俯仰，旋转。其次根据云台的功能，还可以远程控制快门，进行拍照或录像。

云台的功能对于拍摄画面尤为重要。其具有减震，增稳，远程控制，画面传输等。

云台在未装相机时，禁止给云台通电，否则会导致烧坏。

5）图像无线传输系统，无线图像传输系统从应用层面来说分为两大类，一是固定点的图像监控传输系统，二是移动视频图像传输系统。固定点的图像监控传输系统是以固定的高频频点，一端发射信号，一端接收信号。通常的应用的频段有1.2G、2.4G、5.8G。而移动视频图像传输系统则是通过移动信号网络，传输图像，如手机3G，4G网络视频。

图像无线传输系统按照无线传输图像的质量可以分为标清和高清两类；

二、云台手拍摄的知识和技能点

随着航拍设备安全性和可控性大大提高，消费机无人机不断普及，航拍成为重要的影像摄取手段。但是航拍既是一门技术活，也是一门艺术活，想要拍出优质理想的镜头画面并不容易。

首先，飞手在操控无人机流畅和安全飞行的前提下，需要了解飞行器的性能、电池的续航及速度的控制等信息，还要控制好飞行的轨迹。其次，云台手需要了解相机的设定、摄影的构图以及镜头的运动、用光等知识，配合非首都飞行，最终完成航拍过程。所以高质量的航拍是由飞手和云台手默契的配合，也是技术与艺术的结合的产物。

1、飞行前，云台手和飞手需要一起对无人机做器材和机械准备：

来源：罗亮生等总编《无人机航拍技术》中国民航出版社2018.8

2、云台手需检查拍摄环境

航拍前，云台手和飞手要对拍摄的环境进行查看和监测，云台手还需要在空中对云台的左右、俯仰等动作进行预热操作，并为合适的选择起飞点和航线做准备。

3、选择起飞点和航线规划

在航拍前，飞手和云台手需要对空中观察到的情况，进行画面构造，要保证拍摄的主体突出，且要合理选点。选择的起飞点要求水平、视野开阔、没有障碍物、避开行人和聚集围观的人群。避开高压线、金属物等干扰信号工作的障碍物。观察航拍画面起幅和落幅是否有合适的前景、光线的方向以及规划构图。

航线规划是航拍的重要组成部分，也是充分的准备工作必不可少的一环。航线规划主要包括：

1）保证航线安全、足够的飞行空间，确保无视觉死角；

2）观察是否有干扰、有遮挡GPS或者无线图传信号的地方。

3）考虑航线的长度和电池续航能力。

4）观察航线上要拍摄的主体是否突出，画面是否好看。

4、航拍相机设置

云台手要负责对无人机的相机进行参数设置，主要内容包括：

对焦。对于航拍相机来说，有MF和AF模式选择，即手动和自动对焦两种方式。

光圈。指镜头的通光孔径，是镜头上控制进光量的装置。光圈是镜头中央的孔，这个孔的大小决定了镜头单位时间进入光线的多少。它用f值来表示，值越小，镜头的光圈越大，即光圈孔径越大，通光量越多。完整的光圈值系列是1/1.0 1/1.4 1/2.0 1/2.8 1/4.0 1/5.6 1/8.0 1/11 1/16 1/22 1/32 1/44 1/64

快门。即快门速度，是指拍摄照片时控制曝光时间长短的参数，用于控制相机曝光的时间。一般用相应的表示时间的数字来进行设定，如1/125秒，1/60秒、2秒等。

感光度。又称ISO，最早是指胶片对光线的化学反应速度。调整感光度，实际是控制感光元件对光线的敏感程度，继而控制曝光。感光度用ISO加数值来表示，如ISO100、ISO400、ISO1600等。

曝光补偿和包围曝光。航拍无人机在自动模式拍摄时，可以使用曝光补偿来进行曝光控制。常见设置实在±0-3EV。包围曝光是指一次拍摄后，相机以中间曝光值，减少曝光值和增加曝光值的方式，形成三张或者五张不同曝光量的照片。在DJI GO APP航拍菜单设置中，选择AEB包围曝光，拍摄三张等差曝光照片，再辅以后期处理，可以得到一张正常曝光的画面。

白平衡。白平衡是通过图像调整，使得在各种光线条件下拍摄的画面，其色彩与人眼看到的色彩相同。云台手要使用AWB，来对白平衡进行调节。在拍摄中，我们通常用色温（单位K，开尔文温度）来表示光源的颜色。比如，日落时色温为2000K，正午太阳光直射日光色温为5400K。

文件格式。视频文件格式是指视频保存的一种格式，视频是现在电脑中多媒体系统中的重要一环。一般云台手会根据拍摄的需求来调节分辨率和帧率。

5、摇杆控制及构图

云台手和飞手一样，要区分左手油门和右手油门。其摇杆控制不同。

6、航拍特殊动作

绕点拍摄。定点围绕拍摄，是指设定一个主题为中心点，无人机围着它转圈来拍摄的一种特殊拍摄动作。对于一些独立的主体非常适合用这个方法。由于技术的进步，如今用多旋翼无人机刷锅拍摄也不是什么特别难的技巧了，尤其是在GPS模式下转一个正圆更加简单。但是，有风的情况下会有些困难，飞行器在顺风和逆风两个面会有高度的变化，顺风面会升高，逆风面会下降，比较难控制。

跟拍。无人机航拍的优势就是不受空间的限制，可以在高度和角度允许的情况下自由飞行拍摄，跟拍可以在后面、前面和侧面，常常用于拍摄极限运动如赛车、滑雪、冲浪等等，还有一些动作电影也用的较多。另外我们经常看到美国大片中警察抓人的现场航拍，也都是跟拍。

7、特殊情况的处理和反应

云台手要时刻关注云台和相机的配合。如果要更换镜头，要注意云台的载重能力，并且要检查云台扣、云台和相机是否安装成功等细节。

云台手如果发现画面抖动或者图传失效，应立即通知飞手即可返航，避免飞行安全事故的发生。

有关知识点的问答：

1、多轴飞行器控制原理是什么？

通过电机的转速差来控制飞行。致使飞行器倾斜，即升力方向也发生倾斜，升力方向的水平分力则是飞机的运动方向。水平方向的旋转则是正反电机转速差。

2、什么是四轴飞行器：

又称四旋翼飞行器、四旋翼直升机，简称四轴、四旋翼。这四轴飞行器（Quadrotor）是一种多旋翼飞行器。四轴飞行器的四个螺旋桨都是电机直连的简单机构，十字形和X字形布局允许飞行器通过改变电机转速获得旋转机身的力，从而调整自身姿态。

知识要点