航空成像最重要的相机参数
选择用于构建航空成像系统的组件时要考虑的重要相机参数
选择用于航空成像有效载荷的组件不必很复杂。 本白皮书介绍了从航空成像时最重要的规格。 它涵盖了相机的分辨率和传感器尺寸，解释了如何测量灵敏度和噪声，讨论了航空成像所需的快门类型，详细介绍了动态范围和位深度，并重点介绍了相机的可靠性注意事项。
分辨率和传感器尺寸
由于数字单反相机，傻瓜相机，智能手机等消费类电子产品，分辨率是一个普遍理解的术语。但是，在进行航空成像时，更多的百万像素并不一定会转化为更大的地面分辨率。 由于地面采样距离（GSD）是由飞机在地面上方的高度，所用镜头的焦距以及像素大小决定的，因此更高的相机分辨率无法保证更高的地面分辨率。
例如，基于Sony Pregius的Lumenera Ltx45R系列全局快门CMOS相机有300、500、900和1200万像素版本。 可以很容易地假设Lumenera Lt1245R（1200万像素）将产生比Lumenera Lt345R（300像素）更高的地面分辨率。但是，由于所有这四个相机都使用像素大小完全相同（3.45微米）的传感器，因此对于给定的地面高度和镜头焦距，它们各自产生的地面分辨率是相同的。通过以下地面采样距离Ground Sampling Distance公式从数学上很容易看出这一点：
GSD：地面采样距离
H：飞机高于地面的高度
px：像素的线性尺寸
f：镜头的焦距
*所有单位以米为单位
该公式未提及“百万像素”，仅提及每个像素的大小。 将更多的百万像素与更多的地面分辨率联系在一起的是传感器的尺寸。 换句话说，具有相同传感器大小和不同百万像素数量的两个相机机将具有不同的地面分辨率，现在更多的百万像素等于更高的地面分辨率。
我们的例子中发生的变化是相机的视野或相机捕获的总视觉信息量。 与相机传感器尺寸匹配的镜头一起使用时，Lt1245R捕获的图像高度大约是Lt345R的两倍，图像宽度也是Lt345R的两倍。 这是因为Lt1245R配备了1.1英寸传感器，而Lt345R使用了1 / 1.8英寸传感器。
较大的传感器可提供更宽的成像范围，因此需要较少的飞越区域的次数即可进行空中测量。 这意味着更少的飞行时间，更少的燃料消耗以及更低的总体运营成本。
图1. Lumenera Lt345R和Lt1245R相机之间的视场比较
最重要的是：像素大小是决定成像有效负载的地面分辨率的因素，而不是百万像素的数目，传感器大小是决定选择合适的镜头以与相机匹配后决定视野的因素。
灵敏度和噪声
可以理解的是，为航空摄影应用选择的相机应具有尽可能小的读出噪声和很高的灵敏度。 但是，了解这些参数在成像有效负载中起什么作用是有帮助的。
定义灵敏度
可以使用许多不同的单位来定义相机的感光灵敏度。 EMVA 1288将相机的绝对灵敏度阈值定义为将像素值增加1所需的光子数量。 但是，这没有考虑像素的大小。 如果两个像素需要相同数量的光子才能达到其绝对灵敏度阈值，并且一个像素的大小是另一个像素的两倍，则较大的像素实际上需要的光较少，并且比较小的像素要灵敏。 这就是为什么Lumenera用下面的式子表示灵敏度：
DN：数位
nJ：纳焦耳
cm2：平方厘米
如果DN设置为1，这将说明落在像素区域上以将像素的数字增加1所需的光能数量。 由于它对像素大小进行归一化，因此可以更直接地比较灵敏度。 可以在我们的白皮书中找到完整的数学解释：“了解相机的灵敏度–看数字”。
最重要的是，相机数据表中指定的灵敏度值越高，获得高于本底噪声的可用信号所需的光线就越少。
定义噪声
本底噪声由成像系统中所有噪声源的总和决定。相机确定的两个主要噪声源是读出噪声和暗电流噪声。每次相机拍摄图像时都会产生读出噪声，而暗电流噪声取决于温度和时间。曝光时间越长，相机越热，产生的暗电流噪声就越大。这些噪声源分别在数据表中以电子，每秒电子的单位列出。它指定了可以无意中从传感器的半导体晶格结构中释放出来并随后作为信号读出的电子数量。
灵敏度和噪声如何影响飞行
相机的灵敏度直接影响可以使用的曝光时间。更高的灵敏度可以实现更快的快门速度。正如我们在白皮书《航空成像的挑战：获得清晰的图像》中所述，飞机的速度受到运动模糊的限制，运动模糊直接与相机的快门速度相关。因此，具有较高灵敏度的相机可以使飞机以更高的速度飞行，因为它可以使用更短的曝光时间。
噪声与相机的增益（相机传感器的倍增电路）有关。由于增益会不加选择地放大信号和噪声，因此，较低的噪声允许在保持图像数据完整性的同时使用较高的增益。这样可以缩短曝光时间，从而进一步提高飞机的地面速度。
了解更多
阅读我们的白皮书，配置一个相机：曝光时间和增益如何影响图像噪声，查看相机增益和曝光时间的示例及其对图像噪声的影响。
快门类型
相机通常配有两种类型的快门之——全局快门或卷帘快门。 卷帘式快门包括一次连续快速地曝光传感器的每一行，而全局快门则一次曝光所有像素。 如果在曝光过程中高速移动的物体在画面中穿过，则卷帘式快门可能会模糊或拖影物体。 全局快门消除了这些伪影，因为它们通过同时曝光每个像素来将移动的物体冻结在适当的位置。 传统上，CCD传感器是唯一使用全局快门的传感器，而卷帘快门功能留给了CMOS传感器。 但是，随着CMOS技术开始超越CCD，现在可以使用高质量的全局快门CMOS传感器，例如Sony的Pregius传感器。
图2.卷帘快门的传感器引起的图像倾斜
理想的航空成像快门类型
如果最大化地面速度很重要，那么全局快门相机是航空成像的唯一可行选择。 与模糊计算类似，如果使用卷帘快门相机，则飞机的运动会在图像中引入伪影，因为每一行像素都会对相邻行有轻微的延迟。这将导致如图2所示的图像倾斜。
动态范围
动态范围是确定相机对阴影的感知程度的一种可量化方法，换句话说，它表示相机可以从单个图像中提取细节的亮度级别范围。 对于工业相机，动态范围通常以分贝为单位，就是对数刻度。
图3.低动态范围和高动态范围的比较
在消费摄影界，与此等效的是“曝光值”（EV）或”Stops”。 “Stops” 来自光圈 “ f-stop”，用于测量镜头的光圈。 每次将光圈增加一个完整的光圈值，通过镜头的光量就会增加一倍。 在这里，动态范围是根据相机一次曝光可以覆盖多少个光圈来评估的。要将分贝的动态范围转换为stops的动态范围，可使用以下公式，其中DR为动态范围：
请注意，动态范围与信噪比不同。 虽然两者都可以用分贝表示，但动态范围是相机可以覆盖的整个范围，而信噪比取决于可用信号，并且始终小于动态范围。更大的动态范围可以实现更大的范围 图像中可能存在的信噪比。 有关SNR和动态范围之间差异的完整说明，请参见我们的白皮书：比较相机时了解动态范围和信噪比。
位深
相机的位深表示每个像素的测量精度。位深来自以电子方式存储的数据的二进制性质。每个位的值可以为零或一。每个额外的位将解锁数据两倍，因为它是指数关系。每个像素的可用阴影数量可以通过取二的位深次幂来计算。标准图像通常每个颜色通道具有8位位深，这相当于近1700万种不同的颜色。每个颜色通道的位深度增加到12或14位时，颜色数据将跃升几个数量级-分别超过680亿种颜色和超过4万亿种颜色。
我需要多少位？
位深要求由系统设计决定。如果相机生成的视觉数据只能由人眼观看，则每个颜色通道的标准8位深度就足够了。但是，如果要对数据执行分析或测量（例如NDVI或航空摄影测量），则将需要更高的位深。
可靠性的其他注意事项
相机可靠性是为成像有效载荷选择相机时应考虑的因素。但是，从数据表中不容易确定或比较它。可以比较最高和最低工作温度等因素，但它们并不能说明全部情况。工业级相机是一个很好的可靠性起点。与消费级数字单反相机不同，它们专为在不理想的工作条件下连续使用而设计。保修期限也是相机可靠性的明显标志。例如，Lumenera对所有相机提供行业领先的4年保修，而消费级数字单反相机通常仅提供1至2年的保修。
电子快门
工业级相机通常是电子快门而不是机械快门，这以两种不同的方式有利于航拍。 首先，电子快门没有振动，因为没有活动部件。 这有助于进一步减少模糊以获得清晰的图像。 其次，没有活动部件意味着相机不会随着时间的流逝而发生机械故障，这是像DSLR这样的相机所常见的，快门损坏。
保形涂层CONFORMAL COATING
Lumenera有能力通过执行定制来提高相机的耐用性，例如使用保形涂层来为相机的电路板提供额外的保护。通过在PCB板上涂上一层非常薄的聚合物膜，保形涂层有助于降低冷凝对相机内部电路造成的风险。您可以在我们的白皮书中读到关于保形涂层的所有内容：用保形涂层保护航空成像设备。
图4.比较两个相同的电路板-一个带有保形涂层，一个没有
尺寸重量和功耗（SWaP）
体积小，重量轻，功耗低是无人机系统的关键。这允许更长的飞行时间和更紧凑的设计。基于Sony Pregius的工业相机是考虑使用UAS负载的绝佳选择，因为其CMOS传感器比CCD对应的功耗要低得多。他们还需要更少的电子器件来运行，从而使它们具有更小的尺寸。 Lumenera可以生产这些相机的板级变体，以进一步减轻有效负载重量。
结论
地面分辨率取决于像素大小，而不是百万像素。虽然较小的像素提供了更高的地面分辨率，但飞机的速度也取决于像素大小、离地高度和镜头焦距的组合，而较小的像素将限制飞机的速度。
灵敏度和噪声是两个也会影响飞机最高速度的参数。相机越灵敏，所需的曝光时间就越少，飞机飞行的速度就越快。对于噪声，较低的读出噪声意味着可以在保持可用图像的同时使用更多增益-从而缩短曝光时间，进而提高地面速度。从飞行中的飞机成像时，全局快门也很重要，以避免与卷帘快门相机相关的图像歪斜。
动态范围的提高对于在地面上阴影区域成像的同时对保持良好照明区域的可见性非常有帮助。通常工业相机的动态范围用分贝为单位测量，除以六可以轻松地将其动态范围转换为“stops”。所需的位深度由应用确定。如果用人眼观看图像，则每个颜色通道8位数据就足够了。但是，对于进行测量的应用（例如NDVI和摄影测量），需要更高的位深。
相机的可靠性在捕获关键任务图像时至关重要，但是很难根据规格进行量化。保修期长的工业相机是一个很好的起点。一些定制选项，例如保形涂层，也可以帮助防止在高海拔时电子设备上凝露。
如果您对航空成像有效载荷的相机规格有疑问， 请与我们的相机销售代表联系：sales@znjtech.cn。
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