中画幅航测相机选购指南

GIS前沿 2022-03-16

The following article is from 星光通视 Author 星光通视

大规模航测作业时，成本主要在人员、空域和机会。要想不亏，相机不仅要精度高、一致性好，稳定性好，更要效率高。以尺为例，假设两把尺精度相同，尺越长、量起来越方便、读数越快、整体精度也越高。与此类似，相机幅面越大，照片数越少、需相控点越少、空三越快，成果精度也越高。用小幅面多拍几张达到更大幅面的效率和精度就像用100匹马拉车去达到100马力汽车的速度和平稳度。中画幅航测相机幅面大，动态范围大，可靠性和一致性好，是保证航测作业精度和效率、控制成本的利器。

简单介绍下相机的幅面。数字相机的幅面是来源于上世纪胶片相机的年代。35mm胶卷是全画幅，5英寸胶片是大画幅，而两者之间的2.5寸胶片就是中画幅。对数字相机传感器来说，中画幅通常指的是53x40mm传感器。幅面小些的44x33mm传感器，如分辨率和中画幅传感器接近, 有时也被称为中画幅，为避免混淆一般就叫“4433”。

就像80/20法则所说，20%的投入就能实现80%的功能，而剩下20%功能需要80%的投入才能完善。中画幅航测相机的研发生产涉及多个领域、需要多厂商配合、长时间积累。目前产量少、价格还比较高。而微单相机等面向民用市场的消费级产品，批量大，价格低。这几年国内市场有大量基于A7R改装的正射和倾斜相机方案，一定程度上降低了设备成本、促进了无人机航测的发展。

1亿像素的微单4433相机，1.5亿像素的民用后背已批量出货有一段时间了，为改装相机市场带来了新的机会和动力。那么，以此为基础改装的中画幅航测相机到底和专业航测相机有什么区别呢？作为用户，如何判断相机是否为微单等消费级相机改装而来，避免用专业相机的价格去买改装机呢？

面对消费市场的相机功能非常丰富：人机界面、自动对焦、人脸识别、场景识别、视频、防抖、夜景、wifi蓝牙控制，手机共享等，但这些功能都和测量无关，需要去除。改装相机是在做减法：去掉上述各种功能，提高整体稳定性和一致性，直到差不多能用。改装大多采用“换壳、加固、换镜头”：去掉手柄、取景器和显示屏、固定移动部件、将镜头更换为聚焦到无穷远的定焦镜头。问题是微单相机围绕这些核心功能高度集成、深度优化，改装牵一发而动全身，改装效果严重受限于原装机设计。

下面讨论几个消费级相机改装的常见问题，这些是对高端微单深度改装面临的问题。低端傻瓜机和简单换壳改装，很容易判别，就不细说了。

机身防抖功能（IBIS）

高端微单相机，如A7R系列、GFX系列，都有五轴焦平面稳像防抖功能，以降低手持拍摄时抖动产生的像移，使照片更清晰。如图所示，传感器浮动在类似云台的支撑框架上，各方向都有很大的运动空间。相机通过惯性元件感知外部抖动，并控制伺服机构带动传感器反向运动，补偿抖动带来的影响。为了达到最佳的防抖效果，微单相机通常用专门的运动控制芯片，根据拍摄场景（人像、运动、视频等）选择合适的稳定算法。相关组件和逻辑高度集成，用户无法直接控制防抖机构。浮动的传感器意味着相机内方位元素不稳定，这样的相机不适用于航测。尺子一直在抖，测量出来的值自然不可靠。严谨的微单相机改装，必须固定或移除机身防抖机构。这样做会影响相机的自检和控制，为使相机保持基本拍照功能，只能通过仿真模拟“欺骗”相机（功能类似激光打印机第三方墨盒的芯片），使其认为切掉的部件还存在。微单相机系统高度集成又封闭，这种电子改装不易正确实现，且有潜在可靠性问题。

结构方面，微单传感器的伺服部件注重运动和动态性能，动作幅度大、自由度多。受限于成本，静态安装精度不高，靠高速多点动态对焦来补偿。最可靠的结构改装办法就是将整个框架推动到运动范围的极限并固定，这样整体强度较高，一致性较好，但对焦质量就看运气了。航测相机都会提供相机检校数据。如果主点X轴/Y轴偏心量过大、安装精度不高，该机就很可能是微单改装机。像GFX100s改装的相机X轴偏差可达几百个像素！

光学质量

中画幅相机的镜头需要兼顾幅面、解析度、畸变、色散和传感器特性，需要长时间的积累，相关厂家屈指可数。量测型镜头基本要求是幅面内影像解析度、锐度基本一致。镜头尺寸对航测相机也很重要。镜头直径越大，进光量越大，相机快门速度可以更快，运动像移也越小；同等工艺下，镜头越大，因加工产生的镜头表面相对误差越小，光学精度越高。量测型镜头生产有更严格的原材料选择和加工，并需逐个反复研磨、装调、标定才能达到测绘要求的精度和一致性。消费级镜头，如微单相机镜头、监控摄像机镜头等，针对相应应用场景，设计上一般是影像中心锐利而边缘差，生产上因成本限制通常采用批量铸造和流水线组装，进一步降低了镜头的精度和一致性。

航测相机镜头和传感器安装必须精确、稳定。结构或安装精度不够，会造成镜头和焦平面轴向偏离，造成幅面锐度不对称，一边清楚一边模糊。镜头设计的是中心畸变最小，安装偏心不利于发挥镜头的最佳性能，较大的偏心误差也会影响空三成果的精度，使三维模型拉花更严重。

微单改航测相机需要定焦镜头，消费级定焦镜头选择较少，其内部的对焦机构需要和机身配合才能正常工作。即使点胶固定镜头中的对焦机构，整个过程也很难做到准确、一致和可靠。大多数改装采用工业或监控相机用定焦镜头，这些镜头是为相对小幅面传感器设计，镜头口径小，相场小，生产有时比消费级镜头还粗糙。增加镜头到传感器的安装距离可勉强覆盖传感器幅面，但畸变和色散就更大了。

镜头控制

相机需控制镜头对焦、光圈、快门等。不管民用还是工业相机，镜头和机身之间通讯协议通常保密、不公开。没有协议，第三方镜头就无法与机身通讯、机身就无法获取镜头信息、控制对焦、光圈等功能。因此，使用第三方镜头的改装相机常缺乏如可控光圈等基本功能。即使所选镜头本身有光圈，如果无法在拍摄中控制，也等于摆设。

有些改装相机支持更换镜头，但如无法在拍摄时读入镜头信息、再将其写入照片，后续影像处理和质检也容易出问题。

改装相机一般在外观和结构方面相对较完善。在电子方面，多采用相机开放接口，如外接触发接口(Remote Release)、外闪光灯接口(Flash Sync)等实现相机触发和快门控制，可控性差，对外接口少，时间精度也较低。

快门

快门是航测相机的关键部件。快门决定曝光时间，高速快门和精确控制曝光时间是减少像移和保持曝光一致性的前提。曝光时间准确、稳定，连续拍照照片就亮度一致，成果色彩就均匀、自然。曝光时间和实际曝光量一致才能进行准确的辐射测量，使成果能用于遥感应用。

消费级相机常用的机身帘幕快门有果冻效应，无法用于航测。改装需要移除帘幕快门或将其调成B门模式。如果帘幕快门没有移除，会增加相机出故障的风险，尤其是在机载振动环境下。如果移除了，仿真快门“欺骗”机身的部件就成为整体稳定性的瓶颈。

目前只有镜间叶片快门能保证整个幅面高速同步曝光，消除果冻效应。镜间快门是机械部件，结构复杂。其叶片比纸薄，比飞机快，瞬间加速度更可达几百个G！不仅要在恶劣外业环境下可靠工作，还必须保持一致的开关时间。

考虑飞行速度和飞行环境，航测相机的快门速度一般应小于1/800秒。中画幅镜头的镜间快门尺寸较大，机械速度一般只能达到1/500秒, 需要和相机CMOS电子全局快门精准同步以实现更高的快门速度。相机最高快门速度体现了快门稳定性和同步精度。专业中画幅航测相机快门速度可达1/2500秒，而且整个快门速度区间是按1/3档均匀分布的：1/800、1/1000、1/1600、1/2000、1/2500秒。如果改装相机使用了镜间快门，但不支持高快门速度，或只支持1~2个快门速度，原因可能就是缺乏可靠的快门控制和同步技术。

快门寿命也是航测相机可靠性的重要指标。专业中画幅航测相机快门寿命在机载振动环境中、在保持稳定曝光时间的前提下，标称50万次。在实际应用中，用户已实现在多相机倾斜系统中每台相机同步曝光都达70万次，而且还在正常作业。

同步精度

同步精度不但是精确控制快门开关时间的关键，也决定了相机曝光时和其他设备，如惯导、其他相机、激光雷达等的同步精度，以及相机曝光点的位姿测量精度，对后续空三的速度和精度也有影响。高同步精度也是多相机系统实现同步曝光，和曝光时稳定的相对位置关系的基础。

快门是机械部件，开关要靠电磁线圈、弹簧和齿轮。即使严格控制生产和装配流程，不同镜间快门的时间特性也存在微小差异。专业航测相机每个快门都会进行标定，并将相关特性记录在镜头中。相机拍照时可读取这些信息以达到设计机电同步精度。快门在长期使用后，快门机电特性会产生变化，专业航测相机会监控这些变化，并调整相应控制参数，以保持准确一致的曝光时间。如果机身无法和镜头通讯，就可能导致实际快门速度随着使用而不断变化。

专业中画幅航测相机可长时间保持同步精度优于0.1毫秒，而使用外闪光灯接口控制快门的改装微单相机，其曝光精度受限于最高闪光快门速度。A7R系列相机使用闪光灯最高快门速度为1/250秒（4毫秒），而GFX100s只有1/125秒（8毫秒）。

连拍速度

长时间高速连拍可显著提高单架次的采集效率：飞机可以飞的更快，相机可从更多角度拍照。最小拍摄间隔时间不等于长时间连拍速度。相机连拍时，如存储速度跟不上，照片会在相机内存中缓存，如果持续连拍，内存耗尽，相机就会卡顿，无法继续触发拍照，有时甚至会死机。受散热和消费级存储的带宽限制，微单相机一般无法长时间、全分辨率高速连拍，尤其是在使用无损RAW格式时。测试中画幅相机连拍性能时，应使用RAW格式高速拍摄至少１００张以上，才能得到可靠结果。专业1亿或1.5亿像素中画幅相机可稳定地以2~3帧/秒速度拍摄。即使在多相机同步拍照时（如六相机系统），也能保持这样的性能。

存储、后处理及其他

选择中画幅航测相机时，还应考虑以下问题：