大家好，我是玩机的JD。

这是我关于数码相机成像和无人机影像的一点理解，一点笔记。

成像原理

我们经常会看见以下几个参数：感光元件的画幅、像素、焦距、快门、光圈、ISO。

其中：画幅是指感光元件的大小，主要影响成像的画质；感光元件上像素点的数量就是像素，主要影响了成像的分辨率；透镜的中心到感光元件之间的距离就是焦距，主要影响了成像的大小；进光孔（光圈）大小决定了光圈值，主要影响景深大小；控制感光元件曝光时间就是快门，而感光元器件对光的敏感度就是ISO，此两者都决定了成像的明暗。

我们常见的无人机、手机相机的结构，大致由三部分构成：光圈、透镜和感光元件。（无人机、手机等采用的都是电子快门，并没有物理结构，所以在这里不做讨论。）

基本的成像原理，就是我们熟知的凸透镜成像：在成像时，由发光源（比如铅笔头）发散出的光是向四周扩散的，而照射在凸透镜上面的光，在穿透凸透镜时会因为光的折射效应，由「发散」变为「汇聚」，在光汇聚为一点的地方，在感光元件上投射成一个倒立的像。

在这里注意一点，当物体与透镜的距离固定时，透镜与焦点的距离（焦距）也是固定的，只有感光元件恰好在焦点上时，所成的像才是清晰的。往前或往后，成像都会模糊。

当物体与透镜之间的距离变化时，光的入射角度也会随着而变化，焦距的变化如下图：铅笔离透镜越近，铅笔尖反射的光束射入透镜的角度就越小，射出的角度越大，透镜到感光元件的距离就越大（焦距越大），成像就越大；铅笔离透镜越远，入射角就越大，射出的角度越小，透镜到感光元件的距离就越小（焦距越小），成像就越小。

这就是为什么长焦镜头可以把远处的物体拍的很大（视角小），而短焦（广角）镜头可以把物体拍的很小（视角广）。常见的焦距与拍摄角度之间的关系如下图：

常见的焦距与拍摄效果之间的关系如下图。可以看见，短焦（广角）的画面线条呈弧形，有明显畸变；而长焦部分线条更直，畸变更小：

光圈，主要承担了控制景深的作用。由于真实的镜头并不能完美的将所有光线汇聚起来，人眼的分辨能力也有一定范围。因此，光线会聚在感光元件上时有一定的弥散范围，在此范围内所成的像都比较清晰，称之为弥散圆。当物体与透镜固定时，感光元件在一定范围内移动，所成像都比较清晰，这个清楚的范围就是焦深；当透镜与感光元件固定时，物体在一定范围内移动，其成像都比较清晰，这个清楚的范围就是景深。

弥散圆大小固定，当光圈变化时，景深也会随之变化；当光圈大时，光线的折射角度小，成像清晰的范围小，所以焦深小，景深小；而当光圈小时，光线的折射角度大，成像清晰的范围大，所以焦深大，景深大。

这就是为什么越是大光圈的镜头越可以只将部分物体拍的清除，而虚化背景；而越是小光圈的镜头越能将画面内所有东西都拍的很清晰。常见的光圈与成像效果之间的关系如下图：

快门，决定了感光元件接受光信号的时间，时间越长，画面越亮，反之画面越暗。另外，在拍摄移动物体时，快门时间越短越能捕捉更清晰的画面，减少物体移动产生的拖影；而快门时间越长，移动的物体拖影越多，通常会被用来拍摄光绘、水流和星轨等。

ISO，决定了感光元件对于光的敏感度。ISO越高，感光元件越敏感，画面越亮，反之则画面越暗。虽然在拍摄夜景时，需要通过提升ISO来保证画面明亮，但是由于感光元件的限制，随着ISO的升高，画面会出现很多噪点，会影响成像质量。

除此之外，相机所采集到的图像信息，还要通过ISP（图像信号处理单元）处理之后，才能最后呈现在屏幕上。所以ISP的处理能力，会直接决定成像的分辨率、录像的分辨率和帧率。即使有再好的镜头，如果ISP性能跟不上的话，成像的质量也会受限。而市面上常见的镜头，基本上都是采用的安霸（Ambarella）的ISP芯片。

无人机相机

而具体到无人机上，航拍场景与常规的摄影相比有许多特殊性：

第一：航拍相机的传感器画幅不能过大。因为无人机要飞在空中，对于重量和风阻的要求是非常严格的，所以航拍相机要在重量体积和成像画质之间取一个平衡点。

虽然DJI的专业航拍相机X5和X5R的画幅达到了4/3英寸，但是那毕竟是专业用途。对于常见消费级航拍无人机来说，最大的画幅是Phantom 4 Pro所使用的1英寸画幅，达到了索尼黑卡的同样大小，而一般的无人机使用的都是1/2.3英寸的传感器，虽然比1英寸的画幅小4倍左右，但是比常见的手机传感器，如iPhone7的1/3英寸传感器要大上一倍左右。

第二：除了Phantom 4 Pro以外，航拍相机一般都是电子快门。同样因为体积和重量的限制，如果采用物理快门，会增加许多不必要的机械结构，也会增加耗电。所以所有的消费级航拍相机基本都是使用电子快门的方式，让感光元件只在「指定时间内」工作，这样既和物理快门一样控制了曝光时间，还能减少不少机械结构。

机械快门结构

第三：航拍相机镜头的焦距要适中。因为无人机航拍的拍摄点通常在高空或者远处，所拍摄的物体通常是辽阔的景色，所以对于镜头来说，短焦（广角）是很好的选择，但是由此带来的画面畸变会大大影响航拍的观感。所以经过反复尝试，现在一般选择能同时兼顾「视野较广」且「畸变较小」的20mm-35mm焦段镜头，角度一般在94°-63°之间。

左侧有畸变，右侧无畸变

第四：镜头的光圈大小要适中。因为无人机航拍，通常的拍摄对象为辽阔的景色，前后景深较深，如果光圈太大，会导致画面远处或者近处模糊，而如果光圈太小，会限制进光量，导致画面亮度不够，不利于夜景或者暗处的拍摄。所以现在一般选择F/2.2-F/2.8之间的恒定大光圈，虽然不能对焦，但采用了超焦距的方式，让画面中从近到远一样清晰，可以拍摄从很近到很远的大纵深场景。

不同光圈的小孔大小

外挂相机

2013年，第一台为航拍而生的无人机DJI Phantom诞生。由于当时GoPro已经将相机做到了巴掌大小，非常便携，而且拿GoPro拍摄已经成为了欧美人的一众潮流，所以Phantom就选择了「外挂GoPro」的方式进行航拍。

GoPro3的最高版本采用了一块1/2.5英寸、1200万像素的CMOS传感器，170°广角镜头（可选127°和90°拍摄），F/2.8固定光圈，最高能够拍摄4K/15帧的视频。这块镜头的成像质量还算不错，但是拍摄角度太广导致画面畸变明显，不太适合航拍。

一体式航拍无人机

于是在2013年底，DJI推出了自带相机的航拍一体机Phantom 2 Vision。在这款机器上，DJI采用了一块1/2.3英寸的CMOS传感器，相比1/2.5英寸更大，像素也由1200万增加到了1400万，成像画质略好于GoPro，140°（可选120°和90°拍摄）的镜头让画面畸变更小，虽然不能录制4K视频，但是已经支持了1080P 30P/60i的拍摄。单轴云台的加入，更让其成为了首款「云台相机」。

但是，单轴云台的减震效果并不好，与外挂GoPro一样会产生「果冻效应」（见下图），虽然有EIS（电子防抖）等技术出现，但是通过「剪裁画面」实现的防抖不仅无法完全消除果冻效应，还会大大影响分辨率。要满足航拍，相机还需要一个更加可靠的稳定方式。

三轴云台

于是，2014年4月，DJI发布了升级款的Phantom 2 Vision+，相机参数方面没有明显升级，但是得益于采用无刷电机的三轴云台的引入，基本消除了果冻效应的困扰，大大增加了图像稳定性，奠定了「好的航拍无人机必有三轴云台」的设计基调。

2015年4月，大疆发布了精灵Phantom 3，这款飞机有4个版本，相比精灵2系列的相机，精灵3系列相机在图像质量上有了质的飞跃。虽然1/2.3英寸CMOS传感器和1200万像素传感器依旧不变，但是搭载的20mm F/2.8镜头视角为94°，这个角度基本消灭了画面的畸变。此外，由于采用了最新的ISP芯片，Phantom 3 Professional首次支持了4K/30帧的视频拍摄，一体式航拍无人机从此进入4K时代。

2015年7月，零度也发布了一款航拍无人机Xplorer V，采用了1/2.3英寸CMOS，1400万像素，140°（可选110°和85°拍摄）的广角镜头，不仅画面还存在畸变，录像也仅支持1080P/30帧，并不支持4K。

同一时间，昊翔也发布了自己的航拍无人机Typhoon 4K，采用了1/2.3英寸CMOS，1200万像素，115°的广角镜头，画面畸变尚可，同时支持4K/30帧拍摄，参数上非常接近Phantom 3。

2016年3月，DJI发布了Phantom 4，这款无人机采用了几乎和Phantom 3一样的镜头，1/2.3英寸，1200万像素的CMOS，94°无畸变镜头。但是Phantom 4除了支持4K/30帧的录像之外，还支持了1080P/120帧的慢动作。此外，Phantom 4的镜头组透光率更高，画面解析度更好，畸变也更小，最新的3D降噪技术也让Phantom 4的夜景拍摄能力大大强于Phantom 3。

2016年5月，小米发布小米无人机1080P版，采用了1/2.3英寸1635万像素的CMOS，F/2.6光圈，104°的广角镜头略有畸变。另外，虽然有1600万像素的镜头，但是小米无人机1080P版本只支持1080P/60帧的录制，并不支持4K。总体上来说还属于一年前的

2016年11月，仅仅过了8个月的时间，大疆就发布了Phantom 4的升级款，Phantom 4 Pro在相机上的升级可谓非常激进，原本1/2.3英寸1300万像素的传感器被升级到了1英寸2000万像素，直逼索尼黑卡。原本的电子快门也升级到了机械快门，不仅在拍摄高速移动的物体时不再会有变形，也让Phantom 4 Pro成为了第一款搭载机械快门的一体式航拍无人机。

小型化

2016年9月，DJI发布了折叠设计的无人机Mavic Pro。搭载了世界上最小的航拍三轴云台相机，其仅有大拇指粗细的摄像头单元里有一颗1/2.3英寸1235万像素的CMOS，78.8°的镜头组依旧没有画面畸变，光圈达到了F/2.2，弱光环境下变现更好，并且支持4K/30P录制。在成像效果损失最小的情况下，将云台相机做到了极致的尺寸。