針對無(wú)人機成像應用的鏡頭設計

隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，人們正致力于讓機器視覺(jué)技術(shù)服務(wù)于更多的新應用。其中有一些應用相比于傳統的機器視覺(jué)應用，有著(zhù)截然不同的要求。在面對一些非傳統的機器視覺(jué)應用時(shí)，由于成像系統必須適應壓力、溫度、沖擊和振動(dòng)等眾多不同的環(huán)境條件，這通常會(huì )使成像系統面臨嚴峻挑戰。

無(wú)人機成像應用正在興起。隨著(zhù)無(wú)人機技術(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的機器視覺(jué)應用中所期望的一致的成像性能。

隨著(zhù)無(wú)人機技術(shù)的進(jìn)步催生了越來(lái)越多的機器視覺(jué)應用，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(zhù)諸多問(wèn)題需要解決。

成像對無(wú)人機的重要性

無(wú)人機技術(shù)與成像一直緊密相連。即使是早期的商用無(wú)人機也配備了成像系統（見(jiàn)圖1）。

圖1 配備視覺(jué)功能的無(wú)人機用于農業(yè)應用

無(wú)人機對成像的需求顯而易見(jiàn)，因為對定位和導航的需求，要求能夠看到無(wú)人機位于哪里。除非使用雷達，否則要確定無(wú)人機位置的唯一方法，就是找出它所看到的東西。然而，對無(wú)人機成像的需求，超出了簡(jiǎn)單的引導和移動(dòng)。無(wú)人機上的許多應用，都使用視覺(jué)系統對大片土地進(jìn)行成像——不是為了下一步該導航到哪里，而是評估環(huán)境以獲得各種有用的數據。

例如，航空攝影測量是一種通過(guò)無(wú)人機上的相機系統，利用2D成像來(lái)繪制地面3D區域地圖的應用。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，高性能成像系統允許無(wú)人機在更高的高度飛行，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(wú)人機技術(shù)允許無(wú)人機在50000英尺，即15.2公里的高度飛行，這為成像系統帶來(lái)了諸多挑戰。[2]溫度和壓力分別在-30~-50℃和100~20kPa之間變化（見(jiàn)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(huì )導致鏡頭中的元件發(fā)生變化和偏移，因此在如此寬泛的溫度和壓力范圍內成像變得非常困難，也使得成像系統成為了該應用的一項限制因素。找到提高機器視覺(jué)系統成像能力的方法對這項應用尤為重要，這樣才能繼續提高航空攝影測量的能力。（見(jiàn)圖3）

圖3 大氣中的壓力隨海拔高度的變化

無(wú)人機成像的另一個(gè)重要應用是：植被的多光譜和高光譜成像。多光譜成像是在多個(gè)單獨的波長(cháng)區域收集數據，而高光譜成像則是在一個(gè)大的、連續的波長(cháng)范圍內收集數據。無(wú)人機植被成像所涉及的概念與攝影測量相似，在這類(lèi)應用中，海拔高度同樣會(huì )顯著(zhù)影響成像系統，但這種成像增加了對波長(cháng)的重要依賴(lài)性，這使問(wèn)題更加復雜。人們不僅需要設計一個(gè)在寬泛的溫度和壓力范圍內工作的系統（這已經(jīng)是一項很困難的任務(wù)），而且還需要額外設計在寬波長(cháng)范圍內工作、同時(shí)仍具有高光譜分辨率的系統。系統的光譜分辨率與系統可以區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，但更容易設計，且往往更便宜（見(jiàn)圖4）。

圖4 多光譜成像和高光譜成像的區別在于，波長(cháng)信息是離散的還是連續的

所需的光譜成像類(lèi)型因應用而異。許多植被類(lèi)型在特定波長(cháng)下會(huì )表現出截然不同的特性，其中大多數不在可見(jiàn)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(wú)人機圖像中收集盡可能多的信息非常有用。因此，同時(shí)具有高光譜分辨率和高成像分辨率的系統，對于這些應用是理想之選。

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

提高無(wú)人機應用中的鏡頭性能

如上所述，無(wú)人機飛行的高度會(huì )伴隨著(zhù)大量惡劣環(huán)境，所有這些都會(huì )影響鏡頭的性能。為了優(yōu)化上述應用，需要設計高性能的成像系統，但在這種變化的條件下又很難實(shí)現。由于材料的熱膨脹系數（CTE），溫度的變化會(huì )導致物體物理尺寸的變化（見(jiàn)圖5）。

圖5 由于材料的線(xiàn)性熱膨脹系數（CTE），溫度的變化（ΔT）會(huì )導致材料長(cháng)度發(fā)生變化（ΔL）

物體和材料的偏移量取決于熱膨脹系數，每種材料的熱膨脹系數并不相同。玻璃和金屬具有不同的熱膨脹系數，這為成像鏡頭中的元件移動(dòng)帶來(lái)了巨大可能性，并且會(huì )在受熱或冷卻時(shí)導致鏡片傾斜或錯位。這進(jìn)而會(huì )引入像差并降低成像性能，這對無(wú)人機成像應用是一個(gè)不利因素。鏡頭的折射率也會(huì )隨著(zhù)溫度的變化而變化，但這種現象對系統性能的影響，小于熱膨脹引起的物理尺寸變化帶來(lái)的影響。因此，最主要的目標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(gè)問(wèn)題，鏡頭錯位，主要通過(guò)嚴格的鏡頭設計來(lái)來(lái)解決。為了在整個(gè)溫度范圍內保持一致的性能，鏡頭元件在設計上要實(shí)現“當它們偏移時(shí)，鏡頭中的其他元件要能夠補償這種偏移”（見(jiàn)圖6）。

圖6 鏡頭中，嚴格無(wú)熱設計的收縮和膨脹補償

這種設計更加嚴格和耗時(shí)，但這是在整個(gè)溫度范圍內保持穩定性能的唯一方法。這通常也會(huì )是具有較少元件的設計。雖然較少的元件設計和高性能設計之間的平衡很復雜，但也并非不能實(shí)現。應該注意的是，通常還存在插入到設計中的可彎曲元件，用于釋放來(lái)自金屬和玻璃元件接觸點(diǎn)上的熱膨脹帶來(lái)的壓力。

設計一款對元件之間的移動(dòng)不敏感的鏡頭，同樣非常重要。這是鏡頭設計中一個(gè)相當常見(jiàn)的過(guò)程，因為鏡頭在設計中都會(huì )有公差考慮，但在公差的基礎上又增加了溫度變化導致的偏移問(wèn)題，會(huì )使鏡頭設計進(jìn)一步復雜化。為了降低鏡頭的敏感度，鏡頭設計師傾向于尋找“減少給系統帶來(lái)顯著(zhù)像差”的方法。這通常是通過(guò)仔細控制成像組件中的透鏡曲率半徑、玻璃類(lèi)型、間距和厚度來(lái)實(shí)現的。與溫度相關(guān)的空間偏移和公差偏移的綜合效應，使設計低敏感的鏡頭變得更加困難，但細心的鏡頭設計者使用上述技術(shù)平衡了這一點(diǎn)。

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

設計能承受極端沖擊和振動(dòng)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(wú)人機應用中成功發(fā)揮作用的重要因素，此外也可以在鏡頭中增加其他類(lèi)型的加固方式，使鏡頭更加適合無(wú)人機成像中的高度變化。例如，無(wú)人機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(dòng)加固，加固后允許成像鏡頭中的元件，在經(jīng)受高沖擊時(shí)，依然能保持相當的性能穩定性。這種加固可以通過(guò)簡(jiǎn)化機械結構和用膠水固定每個(gè)光學(xué)元件來(lái)實(shí)現，以避免鏡筒中的偏移和錯位。

無(wú)人機應用中需要考慮的另一個(gè)因素是入侵保護。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(huì )降低鏡頭的成像性能，因為光線(xiàn)遇到這些顆粒后，會(huì )向不可預測的方向反射或折射?？梢酝ㄟ^(guò)將鏡筒內部的元件與外界密封隔離，來(lái)減輕外部顆粒物的入侵。在鏡頭組裝過(guò)程中，還可以用惰性氣體替換鏡頭內部的空氣，這樣能去除存在的顆粒，并防止其他顆粒從外部進(jìn)入鏡頭內部。

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

鏡頭入侵物保護對無(wú)人機應用尤其有幫助，因為熱波動(dòng)帶來(lái)的一個(gè)大問(wèn)題是鏡頭上的冷凝。當鏡頭中存在濕氣時(shí)，水顆粒很容易粘附在鏡頭上，這會(huì )導致照射到鏡頭上的光線(xiàn)改變方向。這將嚴重降低鏡頭的成像性能，這也是低溫成像應用的主要問(wèn)題之一。如圖7中所示，可以通過(guò)在鏡頭元件最前面裝一個(gè)疏水窗口片，來(lái)進(jìn)一步緩解這種冷凝問(wèn)題。

除了前面提到的這些復雜情況外，無(wú)人機成像應用中還有一個(gè)重要的考慮因素——重量。為高海拔成像應用設計的鏡頭，重量必須盡可能的輕，這樣它們就不會(huì )阻礙無(wú)人機有效飛行能力。盡管有人會(huì )認為這會(huì )使無(wú)人機成像鏡頭的設計復雜化，但它實(shí)際上有助于簡(jiǎn)化設計。較輕的鏡頭往往具有較少的元件和復雜的光學(xué)機械部件。

簡(jiǎn)化光學(xué)機械已經(jīng)是設計這類(lèi)鏡頭的常見(jiàn)做法，因為過(guò)多的元件和復雜的光學(xué)機械設計所需要的熱補償，對鏡頭設計者來(lái)說(shuō)都是棘手的問(wèn)題（見(jiàn)圖8）。

圖8 標準成像鏡頭和具有相同焦距的較小、較輕的絕隔熱鏡頭

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