【精品】航拍无人机直播技术方案的设计与实现
本文由《广播与电视技术》杂志独家授权。本文刊发于2017年第8期。
作者：张燕（河南电视台）
【摘 要】航拍无人机越来越多地应用在电视节目制作中。本文结合河南电视台都市频道航拍无人机的前期选型和后期需求，简单说明了航拍无人机的图传技术原理，深入分析了航拍信号在电视节目中的使用模式。最后详细介绍了航拍无人机直播方案的设计以及在实现直播过程中出现的问题、解决办法和实践经验。
【关键词】航拍，无人机，飞手，WiFi 图传，输出模组
0 引言
近年来，随着无人机自身技术的发展和无人机产品的推广，在很大程度上降低了非专业飞手人员使用无人机作为航拍工具的入门门槛。无人机航拍凭借其独特的视角、广阔的画幅、轻灵的走位以及大气恢弘的镜头语言，已经成为电视台内很多节目的重要素材来源。
无人机的航拍镜头非常适合拍摄风景，所以在早期无人机航拍更多出现在以自然人文风光为主的专题纪录片中。这种电视节目的制作方式一般采取前期拍摄、后期编辑的非直播形式，制作周期较长。但是近期越来越多的航拍镜头被应用在了新闻、综合性活动的直播现场，来还原新闻周边环境、提供观众主观体验，而且取得了良好的效果和反馈，这在客观上提出了实现无人机航拍直播的技术需求。
1 航拍无人机的选型
目前市面上航拍无人机品牌和种类很多，这就要求使用者在选型时去繁求简，有的放矢，精确把握技术需求，统筹考虑运维成本。结合我频道无人机选型的实际情况，笔者认为电视台内相关人员在进行无人机选型时，可以考虑以下几个方面。
1. 明确人员职责
笔者在实际工作中深刻体会到人员职责的明确定义会影响到航拍前期选型、后期操作，特别是涉及到航拍直播这一应用。航拍无人机本质上属于摄像器材，技术理论上涉及电子、物理、IT、摄影摄像甚至空气动力学、气象学等领域。一般来说，航拍无人机的正常运维至少需要电视台内技术人员（具备电子、物理、IT、摄影摄像的相关理论基础和实践经验）负责维护保养无人机、软件固件升级、简单故障排除等工作，和摄像人员（具备摄影摄像、无人机飞手的相关理论基础和实际经验）负责正确使用无人机、合理调整相机参数、掌握操作技能，确保飞行安全。两种角色的意见在无人机选型中十分重要。这样在后期使用无人机的过程中，二者也能够相互配合，技术人员提供技术建议和方案供飞手摄像参考，飞手摄像及时反馈操作体验和错误信息，让技术人员第一时间能够定位异常继而解决。
2. 电视节目对航拍无人机的技术需求
如果节目要求航拍效果较高，画面质量好，同时需要实时直播，从技术上分析无人机方面就需要6轴结构甚至更多来保证飞行稳定和提供一定的负重能力，同时云台可更换镜头或者相机，还要考虑增加天空端的图传发送端、部署地面的图传接收端来保障信号传输的可靠性；如果节目对航拍效果要求适中，需要直播，选型时就需要选择具备实时传输信号的图传系统，对比无人机镜头、拍摄格式等详细参数，从而保证航拍画面至少满足广播级要求。
3. 航拍无人机的运维成本、自身所属产品线支持、市场占有率、专业认可度等因素
以实际工作中遇到的情况为例，早期航拍无人机在电视台节目制作的应用案例多数都属于合作模式，这是因为早期台内并没有专业飞手的人员储备，起步较晚。在购买航拍无人机后，可能面临操作不当引发“炸机”，这就需要专业及时的维修服务。另外，制造商不同，无人机的飞行操作、拍摄习惯也不同，完善的产品线、较高的市场占有率和认可度能够避免电视台这些没有无人机操作经验的技术人员、摄像人员重新学习不同的飞行操作、拍摄习惯，从而提高工作效率。
综合以上选型考虑，结合无人机在节目制作中实际应用场景的技术需求，我频道先后购买了大疆Phantom 3 Standard（精灵3 标准版）、大疆M600飞行平台+禅思X5云台相机两套航拍无人机系统（如图1所示）。
大疆无人机的性价比较高，飞行操作符合既定习惯（预制“美国手”、“日本手”，也支持自定义），遥控信号功率遵循国际认证规范（CE和FCC），图传产品可以根据用户需求选择且技术相对成熟。而且在国内的市场占有率和认可度较高，产品线完备且具备一定的兼容扩展性，返厂维修、后期技术支持等线下服务也较为可靠。
2 航拍无人机视频在电视节目制作中的应用分析
航拍无人机拍摄的视频素材在电视节目制作中的使用方式通常分为两种。
1. 非实时的文件形式
无人机利用机身或者相机中的存储卡将航拍镜头拍摄的素材以常用媒体格式记录下来，这种方式的优点在于记录的视频文件可以最大程度地还原相机镜头的性能。我频道两套航拍无人机的视频参数如表1所示。
可以看出，虽然所谓的高清、4K是编码压缩过的信号格式，但是在实际使用中，这种方式能够为后期编辑提供最佳质量的航拍镜头。
2. 实时的信号形式
这种形式的实现就需要用到无线图传。无线图传在电视台常规演播室和外场EFP系统中较为常见，但是使用在无人机信号传输中，就不得不面临一些限制：图传的发送端需要安装在无人机机身上，不仅要考虑无人机能否支持这一额外负重，还要考虑飞行中发送端的稳定；图传的接收端在地面，需要考虑接收端接口与切换台等传统广电设备接口的兼容问题。在这点上，大疆无人机产品体现出了较大的优势，由于无人机机身内置无线图传发送端，接收端与飞控集成在遥控器内部，所以大大简化了图传的安装部署。而且遥控器的图传输出模块接口较为丰富（如图2所示），基本能够实现与传统设备的兼容。
图2中呈现的几种型号的无人机，单从图传来分析，其技术从WiFi图传发展到Lightbridge1/2，是在平滑改进的；输出模组（如表2所示）的接口逐渐丰富，也从另一方面体现出了这种进步。
从数据传输角度上看，WiFi图传的速度并不是技术瓶颈，但是从通讯机制角度分析，WiFi图传需要发送端与接收端首先建立连接，再传输数据包。确认完整接收一个数据包之后，才开始传输下一个数据包。每个数据包的传输必须完整无误，丢失其中的一个字节都会导致整个数据包重新发送。正是这种基于TCP/IP协议的双向握手机制可能会导致图传的延时卡顿。当然，大疆的WiFi图传必然经过优化。Lightbridge是大疆自主研发的专用通信链路技术，可实现几乎“零延时”的720p高清传输和显示。 Lightbridge技术不同于WiFi图传的双向机制，它使用单向图像数据传输，类似于广播的形式，可以最大化传输距离。在大多数情况下，即使信号中断，重新连接的速度也非常快，因为重连不需要像WiFi那样重新建立握手机制。更加稳定、可靠的图传机制，更大的数据链路带宽，更加优化的画面信源编码，使得HDMI甚至广播级的SDI接口已经可以作为无线图传的输出，也推动了航拍无人机直播成为现实。
3 航拍无人机直播方案设计与实现
航拍无人机直播的应用场景还是相当广泛的，既可以作为大型活动中一路信号源作为多机位的补充进入直播切换单元，也可以在某些特定的新闻场景中作为主持人出镜机位单独进行直播。
1. 精灵3标准版无人机直播方案
虽然精灵3标准版无人机没有直接用于输出信号的无线图传系统，但是可以在大型直播活动中采用播放无人机存储卡内稍早前拍摄的画面作为一路视频信号来实现无人机航拍的直播效果（如图3所示）。
精灵3无人机在直播活动中航拍录制的视频文件记录在其相机中的TF存储卡上，在现场利用安装了常用编辑软件（推荐使用EDIUS）的PC可以对这些航拍镜头进行简单编辑并进行播放。航拍镜头通过PC的视频输出作为一路信号进入切换台，跟随现场其他常规信号一起经过导播切换成为外场PGM送至台内演播室呈现为最终的直播播出。
该方案虽然并不是真正意义上的航拍直播，但是对于大型直播节目仍有值得考虑和借鉴的地方。首先，航拍镜头的质量得到了保障，画面的参数基本达到了无人机镜头的最佳性能，避免了无线实时图传可能出现的模糊、卡顿、马赛克甚至信号丢失。其次，航拍镜头也可以进行更新替换，一定程度上达到了直播效果，甚至在某些情况下，通过编辑后，一段镜头画面感好、持续时间长的航拍素材可以作为外场直播信号的垫片使用。
我频道利用该方案实现了《高招面对面》、《天门山钢索挑战》等大型外场直播活动。笔者结合直播经验在此介绍一些技术细节：
由于现场基本属于全高清信号制作，切换台（DATAVIDEO MS-2800）兼容高标清视频信号，所以无人机的拍摄格式可以按照高清设置，播放无人机视频素材的编辑软件也要支持高清。如果需要下变换，可以考虑在台内演播室进行。
针对PC的输出接口， 现场通过视频转换器（DATA VIDEO DAC-70）进行转换。不管PC的输出是VGA还是HDMI，都可以转换成切换台支持的SDI、HDMI等信号类型。
无人机航拍素材是纯视频，没有音频。所以当PC自身具有HDMI输出时，虽然不需要经过DAC-70进行信号转换，但是要调整PC的HDMI声音输出，避免杂音混入切换台输出信号。
PC使用的编辑软件很重要。除了支持高标清，还要在全屏播放时提供纯净、没有时码信息等字符的视频信号。
2. 精灵3专业版、4K版、悟以及M600的无线图传直播方案
该方案利用无人机的无线图传实现了真正意义上的航拍直播（如图4所示）。使用内置无线图传的无人机进行航拍直播，单从方案上看似乎没有任何问题，无人机就好像现场摄像机一样是一路直播信号源。但是实际中会遇到一个棘手的问题，就是无人机操作人员的实际位置与切换台实际位置的距离。
由于无线图传的接收端和信号输出模组集成在遥控器上，所以为了保障HDMI或者SDI信号传输的安全可靠，遥控器与切换台的实际距离不能过大，否则传输HDMI或者SDI信号的线缆会过长造成信号衰减；而无人机操作人员的实际位置与切换台实际位置的距离也不能过近，这是因为在外场直播中，切换台等重要设备通常会被放置在能够遮阳、避雨、挡风的室内或者棚内，在这些地方无人机操作人员看不到无人机的飞行状况，无法规划无人机的飞行路线和拍摄角度、范围，甚至在有障碍物的情况下不能保证飞行安全。
解决该问题的方法有两种，一种是利用DATA VIDEO DAC-70视频转换器在进行格式转换的同时能够将信号放大这一特点，在一定程度上延长HDMI或SDI传输的距离。而大疆悟系列无人机以及M600飞行平台的双遥控机制则为我们提供了另一种解决办法。双遥控机制的设计初衷是为了提高无人机航拍的水平和质量。在双遥控机制中，两台遥控器在硬件层面完全一样，在软件设置中分为主控和副控。主控控制机身运动，副控控制云台相机动作，两名无人机操作人员通过配合协作，从而实现更加精细的航拍效果。可以在设计直播方案时对双遥控器的配置进行微调，一名无人机操作人员使用主控，主控的图传信号输出无需进入切换台，所以这也消除了实际位置的局限。另一名无人机操作人员使用副控，副控可以放置在切换台附近，由于副控主要负责云台相机动作，无需在意无人机的飞行情况，所以副控遥控器的输出模组可以不考虑信号衰减而进入切换台。
实际应用中，我们又遇到了新的问题。副控的图传信号输出给切换台，信号经常出现大面积的马赛克、卡顿等现象，但是在远处使用主控的无人机操作人员却反馈无人机图传画面并没有任何异常。最初我们判断可能是由于切换台所在室内、棚下的环境条件有遮挡造成画面异常，但是在对比主控副控同时同样的图传信号时，发现副控相比主控确实经常出现画面异常。在咨询了大疆售后技术人员之后，我们得到的解释如下：
1) 在M600采用的双控机制中，内置于M600机身的图传发送端同时向主控副控两个图传接收端发送实时画面信号，主控副控两个接收端随后会分别反馈给发送端一个确认信息。
2) 当发送端收到主控和副控的确认信息后，发送端会继续发送接下来的画面信号。
3) 如果发送端没有收到主控的确认信息，发送端会同步刷新，发送当前实时的画面信号。
4) 而如果发送端没有收到副控的确认信息，发送端并不会同步刷新，还是会发送之前的画面信号。直到发送端收到副控的确认信息，同步刷新，发送当前的实时信号。
以上步骤明确地解释了主控输出图传的实时性可靠性高于副控输出图传的原因。鉴于此，我们只有对M600的直播设计方案进行相应微调，以主控的输出图传信号为主，作为进入切换台的航拍无人机信号。
3. M600飞行平台无线图传嵌入音频的直播设计方案
上文中介绍过，无人机的图传信号是只有视频没有音频的。在某些需要使用无人机图传进行直播的新闻突发现场，由于没有视频切换设备，无人机要承担主持人出镜的拍摄任务。更重要的是，在这种直播场景下，需要将通过麦克风等拾音设备采集到的主持人的语言声音嵌入无人机的图传画面，通过移动直播设备回传至台内演播室。
图5呈现的就是一种将音频嵌入无人机图传视频的直播设计方案。该方案的技术细节包括：
1) 只能对一路音频进行加嵌。
2) 如果使用的是SONY无线麦克风，输出端为3.5mm接口， 适合使用DATA VIDEO DAC-70实现音频加嵌。3.5mm接口通过常用的音箱线（一端是3.5mm 接口，一端是莲花头），将莲花头接入DATA VIDEO DAC-70的模拟音频输入端。M600飞行平台的实时图传选择主控输出模组的SDI信号作为DATA VIDEO DAC-70的SDI输入。局限性在于DATA VIDEO DAC-70的加嵌效果不能实时监看监听，以及DATA VIDEO DAC-70的供电。
3) 如果使用有线话筒，其输出端为卡农接口，适合使用BlackMagic VideoAssist 4K硬盘录像机进行加嵌。卡农口通过音频线作为BlackMagic VideoAssist 4K的模拟音频输入（而且提供48V 幻象电源）。M600飞行平台的实时图传选择主控输出模组的SDI信号作为BlackMagic VideoAssist 4K 的SDI 输入最终实现加嵌。BlackMagic VideoAssist 4K硬盘播放器可以通过电池供电，而且能够实时监看监听加嵌效果以及航拍画面质量。
4 结束语
无人机的技术发展日新月异。就在这一两年期间，仅大疆就发布了Mavic御，采用DJI OcuSync 高清数字图传，7公里图传距离，以及禅思Z30相机，配备30倍光学变焦镜头和6倍数码变焦功能等提高航拍性能的新产品。未来一定会有更多无人机新产品、新技术融入到电视直播中，客观上要求我们广电行业技术人员需要设计出更可靠、更便捷的直播技术方案。
作者简介张燕，女，1974 年生，学士，河南电视台都市频道技术部，主要从事演播室方面的节目制作和直播工作。内容不错?点击页面右上角"分享到朋友圈"： ）
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