Drohnenkameras: ein einzigartiger Ansatz für die optische Bildgebung

AIDAprima auf See: Außenaufnahmen von unserem Kreuzfahrtschiff mitten auf dem Meer (Juli 2019).

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Wie sich Kameras, Bildsensoren und Optiken von anderen mobilen Geräten unterscheiden - jenseits von geringer Leistung und geringer Größe

VON DEBBIE SNIDERMAN, CEO
VI Ventures LLC
www.vivllc.com

Neben der Verwendung in drahtlosen Selfie-Sticks, Sportkameras und Eventfotografie findet Drohnen-Bildgebung ihren Weg in viele kommerzielle, staatliche und öffentliche Sicherheitsanwendungen. Mehr Drohnen / UAVs werden verwendet, um Hochspannungsleitungen zu untersuchen, die Helikopter ersetzen, ein teures und manchmal gefährliches Unterfangen. Sie werden in der Luftbildkameras, Energie, Forstwirtschaft, Kartierung und Vermessung, Öl- und Gas- und Tierbeobachtung sowie in verdeckten Operationen, Notfallmaßnahmen, Lieferung von Nutzlasten, Sicherheit und Überwachung, taktischen Operationen, Suche und Rettung, Strafverfolgung und sogar medizinische Operationen.

Die Luftbildgebung hat ihre eigenen Bedürfnisse. Drone-Embedded-Systeme benötigen viel mehr Rechenleistung als andere mobile Geräte für die Steuerung von Flugsteuerung, erweiterten Analysen, Video-Stitching und drahtlosen Netzwerkanwendungen. System-on-a-Chip (SoCs) können Videos aufnehmen, während sie live über Wi-Fi streamen, wenn eine Vorschau und gemeinsame Nutzung vor Ort erforderlich ist. Softwarefunktionen wie elektronische Bildstabilisierung (EIS) und De-Warp ermöglichen die Aufnahme von Panoramavideos, wodurch die Notwendigkeit für mechanische Kardanringe verringert wird. Viele Drohnenanwendungen erfordern auch einzigartige Kameras, Sensoren und Optiken.

Was macht Drohnen-Kameras so besonders?

Ruggedized industrielle Drohnen-Kameras gehen in Nicht-Verbraucher-UAVs. Brendan Lelieveld-Amiro, ein Verkaufsingenieur beim Industriekamerahersteller Lumenera Corp., sagt, dass die spezialisierten Kameras sich weit von kostengünstigen Consumer-Kameras in Geräten wie GoPro-Kameras, Mobiltelefonen und DSLRs unterscheiden.

Viele High-End-Drohnen-Anwendungen benötigen die Kameras, um Bilder im Rohformat ohne verlustbehaftete Kompression bereitzustellen. Benutzer, die Präzisionsinspektionen durchführen, müssen darauf vertrauen, dass die von der Kamera gelieferten Daten genau sind, sei es für die Landwirtschaft oder die Inspektion von Haarrissen in einem Stausee. Jede Verarbeitung, um ein Bild zu verschönern, zu verbessern oder zu komprimieren, könnte die Daten für kommerzielle High-End-Anwendungen nutzlos machen.

Industriekameras verwenden auch hochpräzise und deterministische Triggerung. Sie lösen innerhalb von Mikrosekunden ab dem Zeitpunkt aus, zu dem sie aufgefordert werden, das Bild aufzunehmen und wenn der Belichtungsprozess beginnt. Lelieveld-Amiro sagt, dass die Latenz bei Consumer-Kameras im vollständig manuellen Modus von 50 Millisekunden bis fast 1 Sekunde reichen kann, was für industrielle Anwendungen nicht ausreicht. Die Synchronisierung ist wichtig, um die Bilder mit Metadaten aus dem Flugsystem zu markieren, z. B. genaue Koordinaten aus dem Onboard-GPS, Geschwindigkeits-, Höhen- und Zeitstempelinformationen.

Synchronisation und Timing sind auch wichtig, wenn Drohnen mehrere Kameras für Anwendungen wie die Präzisionsbildgebung tragen. Alle Kameras, die in einer sich bewegenden Drohne nach unten zeigen, müssen das Bild gleichzeitig aufnehmen, um ihre Bilder korrekt zu überlagern.

Viele Anwendungen für die Präzisionsbildgebung verwenden multispektrale Bildverarbeitungssysteme. Separate Kameras sammeln Farbbilder im sichtbaren Lichtspektrum und im nahen Infrarotbereich (NIR), während sie an derselben Stelle zeigen. Bildverarbeitung wird verwendet, um Bilder zu vermaschen und auszurichten, um verschiedene Antwortbänder zu sehen.

NIR ist wichtig für Präzisionslandwirtschaftsinspektionen, in denen abhängig von der Gesundheit der Pflanzen NIR unterschiedlich absorbiert oder reflektiert wird. Bilder ermöglichen es Benutzern, den normalisierten Differenzvegetationsindex (NDVI), einen grafischen Indikator für die Pflanzengesundheit, zu erstellen. NIR-Bildgebung wird auch in Drohnen verwendet, die Gebäudeuntersuchungen durchführen, um zusätzliche Informationen von Interesse außerhalb des sichtbaren Spektrums aufzudecken.

Drohnenkameras, die für den kommerziellen Einsatz ausgelegt sind, sind außerdem robust und in der Lage, hohen Vibrationen, unterschiedlichen Temperaturbereichen und Feuchtigkeit standzuhalten, mit höherer Betriebszeit und Zuverlässigkeit als solche, die nicht für kommerzielle Zwecke wie digitale Spiegelreflexkameras oder Point-and-Shoot gerüstet sind Kameras.

Kommerzielle Industriekameras haben keinen integrierten Speicher. Sie enthalten zwar Speicherpuffer, übertragen jedoch Bilddaten auf einen SoC oder Single-Board-Computer, um sie während des Fluges zu speichern und optional zu verarbeiten. Basierend auf den Bildresultaten kann eine Drohne ihr Flugmuster ändern, wenn die Software einen verpassten Standort oder ein schlechtes Bild aufgrund der Wolkenabdeckung gefunden hat. Sie können sogar verwendet werden, um Kollisionsvermeidung gegen Stromleitungen oder andere Drohnen zu gewährleisten.

Je nach Anwendung stehen auch Filter für Industriekameras zur Verfügung. Monokameras mit Klarglas sind ebenso üblich wie Farbkameras, und Kunden können Filter spezifizieren, die das Spektrum von 380 bis 1000 nm abdecken. Einige verwenden sichtbare Sperrfilter, um nur NIR-Informationen anzuzeigen, andere verwenden separate Kameras für Rot, Grün und Blau und blockieren das NIR. Es gibt auch diskrete Kameras für verschiedene Wellenlängen außerhalb dieses Spektrums, die parallel verwendet werden können.

Monochrome Kamerasensoren sind immer noch sehr wichtig und werden in Inspektionsanwendungen verwendet. Die Verwendung von Farbkameras reduziert die Auflösung des Bildes aufgrund integrierter Bayer-Filter und Konvertierungs- oder Debayer / Demosaicing-Algorithmen, die das Vollfarbbild digital verarbeiten und rekonstruieren. Monokameras bieten perfekte Pixel-zu-Pixel-Informationen, ohne das Bayer-Muster zu verwenden oder die Auflösung zu verlieren.

Viele UAVs werden autonom pilotiert, daher ist es wichtig, Ausfallzeiten zu vermeiden oder zu minimieren. Kameras sind zertifiziert, um größere Erschütterungen und Vibrationen zu bewältigen als Consumer-Kameras und erreichen eine viel längere mittlere Zeit zwischen Ausfällen.

Während Kameras in Mobiltelefonen ein Objektiv im selben Paket enthalten, werden sie bei kommerziellen Drohnenkameras separat spezifiziert, angeschlossen und ferngesteuert. Anstatt mechanische Linsenverschlüsse zu bewegen, die sich im Laufe der Zeit abnutzen können, verwenden sie elektronische digitale Rollläden. Die Software passt den Fokus und die Blende an, um während des Fluges eine präzise Steuerung und Einheitlichkeit aller Bilder zu gewährleisten, während sich die äußeren Bedingungen ändern.

Der Trend zur Auflösung von Consumer-Kameras ändert sich. Es war historisch in Richtung höherer Auflösung, aber, Lelieveld-Amiro erklärt, viele Handy-Hersteller haben aufgehört, das zu schieben. "Nach einer gewissen Menge macht es keinen Sinn mehr. Es ist die meiste Zeit zu hoch und die mitgelieferten Objektive sind nicht gut genug, um die Auflösung zu nutzen ", sagt er.

In UAVs hängt die erforderliche Auflösung von der Bodenauflösung ab. Je höher sie ist, desto höher ist die Auflösung, um etwa 1 cm / Pixel am Boden zu erhalten. In bestimmten kommerziellen Anwendungen bestimmen Vorschriften, wie hoch eine Drohne in einigen Staaten fliegen kann. Daher sind Auflösung und Bildrate wichtig.

Die Auflösungen der UAV-Kameras reichen von 1 bis etwa 29 Megapixel, wobei die höchsten für Anwendungen verwendet werden, die hoch in der Luft fliegen oder sehr hohe Bodenprobenentfernungen (GSD) erfordern. Inspektionskameras für Präzisionslandwirtschaft, Stromleitung und Ölpipeline verwenden in der Regel Kameras im Bereich von 2 bis 12 Megapixeln.

Für diejenigen, die tiefer fliegen, gibt es einen Kompromiss zwischen Bildrate und Auflösung, und die Auswahl hängt von vielen Dingen ab, wie dem Winkel, auf den die Kamera zeigt, dem Überabtastungsbetrag und was die Benutzer mit den Bilddaten machen. Lelieveld-Amiro sagt, dass in Lumenera die Kameras mit der höchsten Auflösung 6 fps und die niedrigsten mit 270 fps bieten.

Die ALEXA Mini Kamera auf einer Freefly Alta Drohne wurde für einen Kurzfilm "The Journey" von Casey Warren und Danielle Krieger verwendet.

Airborne Radiometrie mit Wärmebildsensoren

Wärmebildkamera-Bildsensoren sehen winzige Temperaturunterschiede. Bei Drohnen decken kommerzielle thermische Inspektionen eine breite Palette von Anwendern ab. Im oberen Bereich erfordert die Betrachtung von Staudämmen, Pipelines und Kraftwerken oder die Durchführung von Such- und Rettungseinsätzen oder Brandbekämpfungsuntersuchungen Leistung und Sicherheit. Niedrigere Nutzer prüfen Dach, Solarmodule oder Immobilien und können ihre Drohne im Auto lagern.

Integration der FLIR Duo Kamera auf eine Drohne.
Jeff Frank, Senior Vice President bei FLIR Systems, sagt: "Obwohl die Sensortechnologie, die wir in unsere Drohnen-Kameras integrieren, die gleiche ist, die wir in unseren Handheld-Systemen verwenden, sind die Methoden für präzise radiometrische Messungen in der Luft einzigartig "Sensoren an Drohnen arbeiten oft 50 bis 100 Meter vom Ziel entfernt, weiter als die typischen 5 bis 10 Meter in Handheld-Anwendungen.

FLIRs Duo Kamera integriert auf dem Phantom.
Sie können auch erheblichen Temperaturschwankungen ausgesetzt sein, wenn sie mit hohen Geschwindigkeiten fliegen. Da Schwankungen in der Atmosphäre die Übertragung thermischer Energie beeinflussen, erfordern diese längeren Entfernungen zusätzliche Verarbeitung, um höhere radiometrische Genauigkeit zu erreichen. Ein weiteres Anliegen zur Optimierung der radiometrischen Leistung in Drohnenkameras ist die Steuerung der Luftströmung über die Kamera während des Fluges.

Die FLIR Duo Kamera.
Auf dem Boden schwenken und schwenken Kameras. UAVs bieten eine andere Dynamik und Perspektive beim Sammeln von Bildern. Je nach Geschwindigkeit im 3D-Raum werden bidirektionale Schnittstellen mit höherer Genauigkeit benötigt und Metadaten sind in den Bildinformationen enthalten. Die Daten werden in einem Format gespeichert, das einfach per Downlink zu einer Bodenstation oder in Echtzeit angezeigt werden kann.

Der FLIR Lepton Thermosensor wird bei der Duo-Kamera verwendet. Die Duo-Lepton-Kamera von FLIR kombiniert thermische und sichtbare Bildverarbeitungstechnologie gleichzeitig in einer Kamera und integriert sie mit Datenrekordern auf Drohnen.
"Im Vergleich zu anderen Anwendungen, ob militärisch oder im Auto, sind Drohnenanwendungen am wenigsten rau", sagt er. "Da die Kameras auf stabilisierten Kardanringen montiert sind, ist die physische Umgebung, sofern sie nicht abstürzt, unter normalen Umständen sehr gutartig. Es gibt Bedenken hinsichtlich der Luftströmung, da sich schnell bewegende Luft die Bildqualität beeinflussen oder zur Variation oder Qualität der Radiometrie beitragen kann. Es ist der Schlüssel, um die Atmosphäre zu kompensieren. Algorithmen, Flugmethoden, In-Camera und Post-Processing berücksichtigen das und unterscheiden sich in der Drohnenwelt. "
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