無人機攝像頭的清晰度:您所應當了解的三個指標

Flyability

 

在本文中,我們提出了三個重要指標來描述無人機攝像機的分辨率。為了說明這些概念,我們將引用我們的產品,即 Elios 1 Elios 2 無人機的攝像頭。

像素分辨率

圖像的像素分辨率是組成圖像的像素數。它由列和行的數量表示,例如 1920 x 1080 ,或者直接由像素總數表示,例如 2.1 MP 1920 x 1080 =2’073’600 )。

圖像分辨率說明了圖像的尺寸,單單查看分辨率並不能推算出物體在圖像中有多大,以及圖像中的細節水平。為了回答這些問題,我們有更好的指標,例如地面採樣距離和空間分辨率。

 

公制應用
像素分辨率數據共享和存儲,圖像顯示和數字變焦
地面採樣距離( GSD mm / px 測量,攝影測量
空間分辨率( lp / mm 最小可檢測物體,物體特徵

地面採樣距離

地面採樣距離( GSD ),以 mm / px 為單位,是圖像中被觀察對像中的兩個相鄰像素的中心點間距。1mm / px GSD 表示圖像上的一個像素代表現實世界中的 1mm GSD 較小意味著對象將顯得較大,並且可以清楚觀察到途中的細節。

與像素分辨率不同,GSD取決於相機與拍攝對象之間的距離:當相機靠近物體時,GSD會提高(較小的值)。對於魚眼鏡頭,GSD還取決於對像在圖像中的位置。圖像中心的對象的GSD較小(它們看起來較大),角落的對象的GSD較高(它們看起來較小)。

Elios2 的攝像頭的 GDS 分佈示意圖( 50cm & 30cm

地面採樣距離是攝影測量和圖像測量中的重要指標。然而它沒有完全描述檢測和表徵圖像中的物體或缺陷的能力。

設想有同一台攝像機在距場景相同距離處拍攝的兩幅圖像。這兩幅圖像具有相同的像素分辨率和GSD。但是,其中一張光線不足,相機必須增加ISO值或曝光時間以保持正確的曝光。高ISO會產生圖像噪點,而而長時間曝光會在相機移動時產生運動模糊。這都會降低圖像的質量,並最終降低圖像中的細節.

右側的圖像受運動模糊的影響,與無人機穩定時拍攝的的左側圖像相比,圖像的細節水平發生了變化。

空間分辨率

空間分辨率或角分辨率描述了圖像中可見的最小細節。與理論 GSD 相比,空間分辨率可以用不同的單位表示,該單位通常會考慮模糊,圖像噪聲,對比度和圖像處理:壓縮,降噪,邊緣銳化等。因此,空間分辨率這個指標可以用來量化圖像中的細節還原能力。

空間分辨率通常以每毫米線對表示。該單位用於描述黑白線圖案交替的空間頻率。

2 lp /mm 的空間分辨率表示可以在圖像上分辨出每毫米有兩個週期的圖案(兩條黑線和兩條白線)。這個數值如果太低斑馬條圖案則顯示為灰色,因為畫面的分辨度太低,黑線和白線混在了一起。

Elios 2 拍攝的圖像快照( 4K 視頻),距 USAF 1951 分辨率圖表為 300 毫米。

這個圖表中最小的解析元素為圖組 1 ,組 1 (由綠色箭頭指示)。可以看到從圖組 1 2 號方塊開始,對比度開始顯著降低,並且無法區分各個線條。

通常來說,圖像中心的空間分辨率要比邊緣和角落的要高。空間分辨率是各向同性(方向性)特徵。垂直和水平線條圖案的分辨率可能會大相徑庭。

空間分辨率還取決於相機的焦距和景深。 Elios 2 的情況下,當物體距相機 15 30 厘米時,可獲得最高的空間分辨率。如果物體距離較近,它將在圖像中顯得更大(較低的 GSD ),但會失焦並顯得模糊從而降低了空間分辨率。

Elios2 的空間分辨率測試結果 ( 單位 mm)

為了獲得最佳的空間分辨率,綜上所述,首先你需要了解無人機攝像頭的焦距允許的最短距離,然後在拍攝期間保持此距離。為了幫助飛行員在距檢查對象的最佳距離上飛行, Elios 2 具有距離鎖定功能, CockpitApp Elios 2 的控製程序)可以顯示無人機到物體的距離以及最終的 GSD (以 mm / px 為單位) 。如下表所示,空間分辨率由顏色代碼的平均值表示。

距離

顏色

意義

40cm

白色

縮短距離就能提升畫面的空間分辨率

30-40cm

綠色

較高空間分辨率,畫面清晰

20-30cm

橘黃色

最高空間分辨率,但是畫面略有模糊

20cm

紅色

畫面非常模糊,空間清晰度已經開始衰減

請注意,使用小屏幕播放畫面時會降低圖像的模糊感,因為圖像會縮小到屏幕分辨率。對於 Elios2 來說,當您在 15 20 厘米的距離拍攝時可能會發現不了畫面其實已經開始模糊了。但是請記住,如果您停留在 30 厘米處拍攝的話,則錄製的 4K 素材將更加清晰。

除了適當的距離外,以下條件通常還可以改善空間分辨率和圖像質量:

  • 大量的光線使相機的 ISO 保持低的值並且縮短曝光時間

  • 穩定無人機可以減少運動模糊

  • 清潔相機鏡頭——鏡頭上的指紋也會使圖像模糊,並可能導致眩光!

不僅僅是分辨率!

空間分辨率是評估圖像質量的重要指標。然而其他因素也起著重要作用:

  • 照明技術

  • 顏色(對比度,白平衡等)

  • 拍攝時的角度和朝向

  • 顯示屏質量

 

上面提到的這些要點和相機並沒有直接的關係,而是需要由整個 UAS (無人機系統)解決。Elios 2 的小尺寸及其耐碰撞性使其可以接近物體並從各種角度對其進行觀察。而且其先進的照明系統可以增強對 3D 細節的感知,檢測裂縫,孔洞或凹凸的時候也會更加方便。這些功能使得 Elios 2 檢測物體的特徵時的效果更上一層樓。

通過一些練習,您可以提高飛行技能,並將注意力集中在拍攝上而不再糾結飛行。牢記本文中介紹的概念,您將大大提高素材的圖像質量。

每個行業對圖像質量都有自己的要求。如果您通過實驗比較了不同工具的拍攝效果,或者對 Elios2 圖像質量有任何反饋,請隨時與我們聯繫!

關於 Flyability

 

Flyability 是一家瑞士公司,致力於為室內,人跡罕至和狹窄的空間進行檢查和探索的解決方案。通過在建築物內安全使用無人機,它使工業公司和檢驗員可以減少停機時間,檢驗成本和對工人的風險。 Flyability 50 多個國家 / 地區的發電,石油和天然氣,化工,海事,基礎設施和公共事業以及公共安全領域擁有數百名客戶, Flyability 處於業界前沿並繼續引領商業室內無人機領域的創新。

 

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