針對無人機(jī)成像應(yīng)用的鏡頭設(shè)計

隨著技術(shù)的進(jìn)步，人們正致力于讓機(jī)器視覺技術(shù)服務(wù)于更多的新應(yīng)用。其中有一些應(yīng)用相比于傳統(tǒng)的機(jī)器視覺應(yīng)用，有著截然不同的要求。在面對一些非傳統(tǒng)的機(jī)器視覺應(yīng)用時，由于成像系統(tǒng)必須適應(yīng)壓力、溫度、沖擊和振動等眾多不同的環(huán)境條件，這通常會使成像系統(tǒng)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

無人機(jī)成像應(yīng)用正在興起。隨著無人機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，成像技術(shù)也必須不斷進(jìn)步，以提供與人們在更傳統(tǒng)的機(jī)器視覺應(yīng)用中所期望的一致的成像性能。

隨著無人機(jī)技術(shù)的進(jìn)步催生了越來越多的機(jī)器視覺應(yīng)用，在這些不斷變化且往往惡劣的高海拔環(huán)境中成像，也將面臨著諸多問題需要解決。

成像對無人機(jī)的重要性

無人機(jī)技術(shù)與成像一直緊密相連。即使是早期的商用無人機(jī)也配備了成像系統(tǒng)（見圖1）。

圖1 配備視覺功能的無人機(jī)用于農(nóng)業(yè)應(yīng)用

無人機(jī)對成像的需求顯而易見，因為對定位和導(dǎo)航的需求，要求能夠看到無人機(jī)位于哪里。除非使用雷達(dá)，否則要確定無人機(jī)位置的唯一方法，就是找出它所看到的東西。然而，對無人機(jī)成像的需求，超出了簡單的引導(dǎo)和移動。無人機(jī)上的許多應(yīng)用，都使用視覺系統(tǒng)對大片土地進(jìn)行成像——不是為了下一步該導(dǎo)航到哪里，而是評估環(huán)境以獲得各種有用的數(shù)據(jù)。

例如，航空攝影測量是一種通過無人機(jī)上的相機(jī)系統(tǒng)，利用2D成像來繪制地面3D區(qū)域地圖的應(yīng)用。地面樣本距離（GSD），即進(jìn)行航空攝影測量的高度，與成像系統(tǒng)的奈奎斯特頻率和被成像樣本有關(guān)。[1]因此，高性能成像系統(tǒng)允許無人機(jī)在更高的高度飛行，從而獲得更寬的視野，進(jìn)而只需要拍攝更少的照片。目前的軍用無人機(jī)技術(shù)允許無人機(jī)在50000英尺，即15.2公里的高度飛行，這為成像系統(tǒng)帶來了諸多挑戰(zhàn)。[2]溫度和壓力分別在-30~-50℃和100~20kPa之間變化（見圖2）。

圖2 大氣中的溫度隨海拔高度的變化

由于溫度和壓力會導(dǎo)致鏡頭中的元件發(fā)生變化和偏移，因此在如此寬泛的溫度和壓力范圍內(nèi)成像變得非常困難，也使得成像系統(tǒng)成為了該應(yīng)用的一項限制因素。找到提高機(jī)器視覺系統(tǒng)成像能力的方法對這項應(yīng)用尤為重要，這樣才能繼續(xù)提高航空攝影測量的能力。（見圖3）

圖3 大氣中的壓力隨海拔高度的變化

無人機(jī)成像的另一個重要應(yīng)用是：植被的多光譜和高光譜成像。多光譜成像是在多個單獨的波長區(qū)域收集數(shù)據(jù)，而高光譜成像則是在一個大的、連續(xù)的波長范圍內(nèi)收集數(shù)據(jù)。無人機(jī)植被成像所涉及的概念與攝影測量相似，在這類應(yīng)用中，海拔高度同樣會顯著影響成像系統(tǒng)，但這種成像增加了對波長的重要依賴性，這使問題更加復(fù)雜。人們不僅需要設(shè)計一個在寬泛的溫度和壓力范圍內(nèi)工作的系統(tǒng)（這已經(jīng)是一項很困難的任務(wù)），而且還需要額外設(shè)計在寬波長范圍內(nèi)工作、同時仍具有高光譜分辨率的系統(tǒng)。系統(tǒng)的光譜分辨率與系統(tǒng)可以區(qū)分的最小波段大小有關(guān)。多光譜成像具有比高光譜成像更低的光譜分辨率，但更容易設(shè)計，且往往更便宜（見圖4）。

圖4 多光譜成像和高光譜成像的區(qū)別在于，波長信息是離散的還是連續(xù)的

所需的光譜成像類型因應(yīng)用而異。許多植被類型在特定波長下會表現(xiàn)出截然不同的特性，其中大多數(shù)不在可見光譜中。這使得在多光譜成像中具有小的離散譜帶，對于從2D無人機(jī)圖像中收集盡可能多的信息非常有用。因此，同時具有高光譜分辨率和高成像分辨率的系統(tǒng)，對于這些應(yīng)用是理想之選。

雖然上述提到的都是很常見的成像應(yīng)用，但是無人機(jī)技術(shù)和成像技術(shù)的快速進(jìn)步，正促使一系列不同的應(yīng)用在軍事和商業(yè)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展。在軍事領(lǐng)域，無人機(jī)在目標(biāo)誘餌、一般作戰(zhàn)任務(wù)和監(jiān)視中的應(yīng)用，可以減少損失，并能進(jìn)行更重要的、時間敏感的行動。在商業(yè)領(lǐng)域，無人機(jī)正在利用攝影測量和環(huán)境成像等類似概念，為救災(zāi)、考古和采礦等應(yīng)用帶來更多益處，以減少時間和勞動力。

提高無人機(jī)應(yīng)用中的鏡頭性能

如上所述，無人機(jī)飛行的高度會伴隨著大量惡劣環(huán)境，所有這些都會影響鏡頭的性能。為了優(yōu)化上述應(yīng)用，需要設(shè)計高性能的成像系統(tǒng)，但在這種變化的條件下又很難實現(xiàn)。由于材料的熱膨脹系數(shù)（CTE），溫度的變化會導(dǎo)致物體物理尺寸的變化（見圖5）。

圖5 由于材料的線性熱膨脹系數(shù)（CTE），溫度的變化（ΔT）會導(dǎo)致材料長度發(fā)生變化（ΔL）

物體和材料的偏移量取決于熱膨脹系數(shù)，每種材料的熱膨脹系數(shù)并不相同。玻璃和金屬具有不同的熱膨脹系數(shù)，這為成像鏡頭中的元件移動帶來了巨大可能性，并且會在受熱或冷卻時導(dǎo)致鏡片傾斜或錯位。這進(jìn)而會引入像差并降低成像性能，這對無人機(jī)成像應(yīng)用是一個不利因素。鏡頭的折射率也會隨著溫度的變化而變化，但這種現(xiàn)象對系統(tǒng)性能的影響，小于熱膨脹引起的物理尺寸變化帶來的影響。因此，最主要的目標(biāo)是減少鏡頭組件中元件的偏移，降低鏡頭對錯位的敏感度。

第一個問題，鏡頭錯位，主要通過嚴(yán)格的鏡頭設(shè)計來來解決。為了在整個溫度范圍內(nèi)保持一致的性能，鏡頭元件在設(shè)計上要實現(xiàn)“當(dāng)它們偏移時，鏡頭中的其他元件要能夠補(bǔ)償這種偏移”（見圖6）。

圖6 鏡頭中，嚴(yán)格無熱設(shè)計的收縮和膨脹補(bǔ)償

這種設(shè)計更加嚴(yán)格和耗時，但這是在整個溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定性能的唯一方法。這通常也會是具有較少元件的設(shè)計。雖然較少的元件設(shè)計和高性能設(shè)計之間的平衡很復(fù)雜，但也并非不能實現(xiàn)。應(yīng)該注意的是，通常還存在插入到設(shè)計中的可彎曲元件，用于釋放來自金屬和玻璃元件接觸點上的熱膨脹帶來的壓力。

設(shè)計一款對元件之間的移動不敏感的鏡頭，同樣非常重要。這是鏡頭設(shè)計中一個相當(dāng)常見的過程，因為鏡頭在設(shè)計中都會有公差考慮，但在公差的基礎(chǔ)上又增加了溫度變化導(dǎo)致的偏移問題，會使鏡頭設(shè)計進(jìn)一步復(fù)雜化。為了降低鏡頭的敏感度，鏡頭設(shè)計師傾向于尋找“減少給系統(tǒng)帶來顯著像差”的方法。這通常是通過仔細(xì)控制成像組件中的透鏡曲率半徑、玻璃類型、間距和厚度來實現(xiàn)的。與溫度相關(guān)的空間偏移和公差偏移的綜合效應(yīng)，使設(shè)計低敏感的鏡頭變得更加困難，但細(xì)心的鏡頭設(shè)計者使用上述技術(shù)平衡了這一點。

鏡頭也可以被設(shè)計為補(bǔ)償與高度變化相關(guān)的壓力變化。人們應(yīng)該在鏡頭設(shè)計軟件中，在不同的壓力值下，準(zhǔn)確地模擬鏡頭內(nèi)外的空氣，以準(zhǔn)確預(yù)測這對鏡頭的影響，然后設(shè)計一個能夠承受這些變化的鏡頭。

設(shè)計能承受極端沖擊和振動的鏡頭

盡管溫度、壓力以及如何減輕它們對鏡頭的影響，是使鏡頭在無人機(jī)應(yīng)用中成功發(fā)揮作用的重要因素，此外也可以在鏡頭中增加其他類型的加固方式，使鏡頭更加適合無人機(jī)成像中的高度變化。例如，無人機(jī)飛行中的快速加速度變化，需要對鏡頭進(jìn)行抗沖擊和抗振動加固，加固后允許成像鏡頭中的元件，在經(jīng)受高沖擊時，依然能保持相當(dāng)?shù)男阅芊€(wěn)定性。這種加固可以通過簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)和用膠水固定每個光學(xué)元件來實現(xiàn)，以避免鏡筒中的偏移和錯位。

無人機(jī)應(yīng)用中需要考慮的另一個因素是入侵保護(hù)。入侵是指有不想要的顆粒，如水或灰塵等進(jìn)入鏡頭?；覊m和水會降低鏡頭的成像性能，因為光線遇到這些顆粒后，會向不可預(yù)測的方向反射或折射。可以通過將鏡筒內(nèi)部的元件與外界密封隔離，來減輕外部顆粒物的入侵。在鏡頭組裝過程中，還可以用惰性氣體替換鏡頭內(nèi)部的空氣，這樣能去除存在的顆粒，并防止其他顆粒從外部進(jìn)入鏡頭內(nèi)部。

圖7 入侵保護(hù)的鏡頭通過密封，以防止外界的濕氣、灰塵和其他污染物進(jìn)入鏡頭

鏡頭入侵物保護(hù)對無人機(jī)應(yīng)用尤其有幫助，因為熱波動帶來的一個大問題是鏡頭上的冷凝。當(dāng)鏡頭中存在濕氣時，水顆粒很容易粘附在鏡頭上，這會導(dǎo)致照射到鏡頭上的光線改變方向。這將嚴(yán)重降低鏡頭的成像性能，這也是低溫成像應(yīng)用的主要問題之一。如圖7中所示，可以通過在鏡頭元件最前面裝一個疏水窗口片，來進(jìn)一步緩解這種冷凝問題。

除了前面提到的這些復(fù)雜情況外，無人機(jī)成像應(yīng)用中還有一個重要的考慮因素——重量。為高海拔成像應(yīng)用設(shè)計的鏡頭，重量必須盡可能的輕，這樣它們就不會阻礙無人機(jī)有效飛行能力。盡管有人會認(rèn)為這會使無人機(jī)成像鏡頭的設(shè)計復(fù)雜化，但它實際上有助于簡化設(shè)計。較輕的鏡頭往往具有較少的元件和復(fù)雜的光學(xué)機(jī)械部件。

簡化光學(xué)機(jī)械已經(jīng)是設(shè)計這類鏡頭的常見做法，因為過多的元件和復(fù)雜的光學(xué)機(jī)械設(shè)計所需要的熱補(bǔ)償，對鏡頭設(shè)計者來說都是棘手的問題（見圖8）。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)成像鏡頭和具有相同焦距的較小、較輕的絕隔熱鏡頭

盡管將機(jī)器視覺系統(tǒng)應(yīng)用于無人機(jī)成像等更廣泛、環(huán)境更惡劣的場景中似乎令人望而生畏，但為了滿足這些新的應(yīng)用需求，成像界已經(jīng)采用了幾種有用的設(shè)計范式和技巧。無人機(jī)成像應(yīng)用將是成像應(yīng)用的一個巨大市場，在這類應(yīng)用中，無人機(jī)飛行高度的變化會帶來各種不同的環(huán)境條件，這些環(huán)境條件可能會對成像系統(tǒng)的性能產(chǎn)生不利影響。溫度變化、壓力變化、沖擊和振動以及濕度等因素，都會對處于不斷變化的高海拔環(huán)境下的成像系統(tǒng)帶來很多問題。弄清楚如何減少這些因素對無人機(jī)成像系統(tǒng)的影響，可以使無人機(jī)應(yīng)用更加高效和多樣化。隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，成像系統(tǒng)也必須跟進(jìn)發(fā)展，以匹配無人機(jī)系統(tǒng)中要求的機(jī)械部件能力。