载人机航拍技术及应用

杨 可

1 航拍的多元选择

航拍镜头正以越来越高的频次出现在商业大片中，有时候它们以激烈炫酷的形式密集穿插在电影最重要的战争、追逐和打斗场景中，有时又如上帝之眼一般远离喧嚣，将故事中的壮美景观徐徐展现。不管起到何种作用，精彩的航拍镜头都会给观众带来超凡的视觉刺激，从而推进或调节影片的节奏。

在无人机航拍兴起之前，载人机航拍几乎是电影人实现航拍计划的唯一选择，如今，载人机和无人机作为两种可选项，在摄制组的预算梯度和影像要求的考量之间互相补充和竞争。

近五年来，在技术进步的情况下，以及不平衡的商业炒作影响之下，唱衰载人机航拍的声音几乎成为了国内影视界的主调。这种现象有它的历史原因，比如载人机航拍尚未来得及在国内的商业电影制作中大显身手，无人机航拍的技术就迅速发展和成熟，它的高性价比让人耳目一新，而其低门槛也培养了很多的受众。

以前，载人机航拍系统因其高精度技术长期被欧美厂家技术垄断，代价高昂，令人望而却步。曾几何时，只有少数大制作电影和高规格广告用得起国外航拍的高端设备和团队。随着国内航空及军工业的发展，民用航拍技术也迎头赶上，以大疆为代表的优秀无人机品牌横扫市场。在无人机纷纷入驻各地影视剧组的同时，另一边高端载人机航拍系统也开始大举进入国内的影视制作领域，在电影、广告、纪录片、风光片的拍摄和体育赛事直播中施展拳脚，发挥了无人机无法替代的作用，也培养了一批国内团队。

2017年火爆全国的纪录片 《航拍中国》第一季就动用了16架载人直升机、57架无人机；同样，有口皆碑且已进入第三季制作的BBC纪录片 《地球脉动》也大量使用了航拍，并同时使用了两种航拍系统。这样的配置充分体现了载人机航拍和无人机航拍各有所长、互为补充的特点。

在系统选择上，价格自然是摄制组考虑的重要因素，但是根据不同的要求和配置，载人机航拍和无人机航拍的价格差别也是可控的；除此以外，载人机航拍在影像画质、持续飞行时间、运动极限和稳定性方面有着绝对优势。

相比无人机航拍，载人机航拍也有明显的限制：由于不能近地飞行，拍摄上失去了一些灵活机动性；起降过程复杂，无法和地面拍摄一镜连贯；拍摄野生动物等主体时，隐蔽性较差；飞机的运输和加油过程比较复杂。当然，好钢用在刀刃上，当充满想象力的需求遇到专业的设备和团队，载人机航拍常常能带来惊喜。

图1 罗宾逊R44直升机航拍中

2 载人机航拍器的结构和特性

现代化的载人机航拍器随着电影制作技艺的发展也经历了代代更替，前有 Wescam、Spacecam、Nettman等先驱，后有GSS(2017年收购Cineflex)、Pictorvision、Shotover 等 来者。

主流的载人机航拍器一般主要由以下结构组成：陀螺仪减震器、稳定吊舱、多轴万向节、摄影机平台、操控台、视频传输系统，以及通信和电源系统。将这套结构安装在载人飞机上，摄影师在飞机内手持操控台，就可以随时准备拍摄了。

图2 Nettman Super-G航拍器

2.1 陀螺仪减震器 (Gyro Stabilizer)

航拍器内的陀螺仪传感器可以检测到抖动的角度和角速度，并通过PID控制器对这些抖动进行即时的补偿修正，实现镜头的稳定。

我们在电影中看到的航拍镜头大多平稳流畅，这都归功于陀螺仪减震这个核心技术。载人机航拍在好莱坞已经发展了上百年，而将陀螺仪与航拍结合在一起的现代化系统不过才三十多年的历史，这期间，陀螺仪的技术有了飞跃，从原来的机械陀螺仪发展到现在航拍常用的光纤陀螺仪。

航拍的宽大视野决定了它满满的画面信息量，因此观众会对任何与叙事无关的多余抖动特别敏感，而安装在直升机上的航拍器恰恰容易受到来自多方面的干扰。虽然后期的特效环节可以进一步消除抖动，但那也是以画质损失为代价的，良好的前期画质是一切后期的基础。

以载人直升机为例，飞行过程中几乎所有维度都会产生震动，且震动大小不是线性变化的，在减速和悬停的时候会更强烈；顶部螺旋桨会产生强大气流，高速飞行时也会产生巨大风阻；另外，直升机在做加减速、俯仰侧转等动作时，会在减震系统上产生一定的扭矩。所有这些干扰必须由超高精度、超强驱动的陀螺仪稳定器来修正和消除。这也是这类航拍系统价格不菲的原因之一。

2.2 稳定吊舱 (Housing)

图3 Flight Head用于航拍

稳定吊舱的封闭性较高，外形一般是流线型的，主要作用是减小风阻，也是为了在各种气候条件和加速状态下保护摄影机。为了减轻重量，一般用高强度的碳纤维材料制成。

航拍器也有简化的版本。比如地面和水上拍摄常用的减震遥控头，也是使用陀螺仪技术的运动控制设备，只不过，这样 “裸装”的方式，对飞行的限制会比较大，风险会比较高，安装和控制的难度也更大。当然，退回到三十年前还有更简化的配置，那时国内大多数载人机航拍会通过 “人肉”操控来完成，那风险和效果就不能同日而语了。

2.3 摄影机平台 (Camera Platform)

摄影机平台顾名思义就是摄影机的连接部分，位于吊舱内，而连接的稳固性比普通云台三脚架的要求高得多，一般来说，摄影机上有顶板下有承托板，全部组装完成再推进吊舱固定。值得关注的是，尽管吊舱结构紧凑，还是有人成功地在里面安装过多台摄影机。

Pictorvision公司的Eclipse航拍器外观像一个大白球，其舱内的摄影机平台可以容纳最多六台摄影机，这种平台叫做摄影机 “阵列”，视角可达水平140度和垂直60度，摄制组使用这种系统或者为了全景拍摄，或者为了在有限的时间和相同的光线条件下，给后期更多可供选择的画面内容。电影 《木星上行》就使用了这款系统。

图4 《木星上升》航拍器中的摄影阵列

2.4 多轴万向节 (Gimbal)

稳定吊舱的外部有一组悬臂，内部又有一系列环状结构，分别控制摄影机在各个维度上的旋转运动，这就是万向节，类似于升级的云台。大多数情况下，Gimbal也用来指代包含万向节、陀螺仪、吊舱和摄影机平台在内的整个球形系统。最早的万向节是三轴的，现在已经发展到五轴、六轴，一般是三个外部轴 (悬臂)加上三个内部轴 (环状结构)。

电机的性能也是决定Gimbal极限能力的重要组件。以Shotover F1航拍器为例，它采用了大减速比、高极限转速的无刷电机，使得Gimbal有较强的力矩刚度和较快的响应速度，重达几十公斤的负载也可以瞬间起停。基本款F1的飞行速度上限为200节 (约合370公里/小时)，可承受5.25G的极限加速度。

图5 Shotover F1 Gimbal内部

2.5 操控台

航拍器一般都悬挂在飞机外部，拍摄时无法接近，因此摄影机上必须安装一些镜头控制马达。而摄影机的开关机、镜头的FIZ和Gimbal的多轴运动控制一般由坐在飞机内的摄影师在一个操控台上进行调整，常见的旋钮、摇杆和操纵杆等方式是很多摄影师熟悉的，这种方式既直观又精确。

2.6 视频传输

目前的高端航拍器使用光缆来传输视频信号，传输速率比普通的同轴电缆要高很多，也相当昂贵。这条光缆连接着飞机外的Gimbal和飞机内的辅助控制盒。例如Shotover航拍时，摄影机中的四路视频数据通过光学转换变成四路不同波长的光信号，复合进入到光缆中，再进入到辅助控制盒中，转回为四路视频信号用于存储和监看，这个过程是无压缩的。

3 载人航拍飞机的类型比较

载人航拍系统价格不菲的另外一个重要原因就是它的飞行载体。直升机是目前载人机航拍的主要飞行载体，除此以外，国外也有摄制组使用喷气式飞机。喷气式飞机 (Jet)和直升机 (Helicopter)的区别类似于无人机中固定旋翼飞机和多旋翼飞机的差别。

直升机顶部有旋翼，尾部有尾桨，其旋翼是在发动机驱动下，主动与空气接触产生升力，把直升机托举在空中；而固定翼飞机的机翼是在发动机推力或者拉力的作用下，依靠襟翼、副翼、尾翼和方向舵，被动与空气作用产生升力、转向或其他运动。固定翼飞机的部件动作相对较少，因此故障率也低一些。

直升机旋翼的驱动主要靠它的倾斜器和变距机构来完成。在大部分飞行状态下，旋翼的迎角每周都在不停地改变，这使得直升机可以垂直起降无需滑行，也可以更自由地完成悬停、旋转等动作，但也由于其结构复杂、运行高频，故障率相对固定翼飞机要高很多。固定翼飞机的系统更稳定，飞行速度可达到超音速 (大于1224公里/小时)，适合空对空拍摄；直升机的速度一般不超过300公里/小时，但机动性更强，运动更灵活，也更为常用。

国内直升机的主流机型包括欧直的 “小松鼠”、美国的贝尔系列和罗宾逊R系列等，分别在价格、性能、质量上有所差别。比如，“小松鼠”AS350的动力功能相当于贝尔206的1.5至2倍，因而速度更快，操控感更好，而贝尔206的特色在于轻便灵敏。罗宾逊R系列的低空飞行性能出色，也备受青睐。

图6 Cinejet航拍系统

关于喷气式飞机，Helinet公司近几年曾推出Cinejet航拍系统，喷气式飞机 “信天翁”搭载定制款Shotover F1航拍器，被宣传为 “地表最强”航拍系统，能够在350节 (约合648公里/小时)的速度下工作，能承受高倍G的加速度力。

4 从操作到驾驭

航拍拓宽了视觉审美的界限，其专业化操作要求也非常高，没有经验丰富的专业人士互相配合，是拍不出精彩的画面的。

比如前文提到的那些高端航拍器，从打开一个个运输箱进行组装和调试开始，到将航拍器吊装在飞机上，再到连接到各类线缆和监控设备，到最后起飞开拍，确实需要时间，这也是考验团队专业性的地方。

图7 Eclipse航拍器航拍中

航拍器可以通过各种机械接口和机械臂稳妥地安装在各种载人飞机上，并且对直升机的起降毫无影响，安装位置一般在飞机头部下方或前方，也有安装在尾部、两侧或者机腹的。GSS、Shotover等航拍器的安装都是采用这样的硬连接方式。

图8 Klaus Cam航拍系统

不过，也有厂家为了克服直升机无法离被摄体太近等问题，用几十米的长绳索挂在直升机的吊货钩上，将摄影机平台挂在远离气流的下方，这种软连接的方式，必须通过特殊的平台设计确保直升机悬停时系统不会失控旋转。

航拍是高成本的，每次起飞前都必须确保所有的安装都完全到位，一旦起飞，航拍器内的很多设置也就无法实时干预了。比如，在航拍器里的摄影机上安装机头小监视器显然是没有空间也没有意义的，摄影机的菜单也就很难在飞行的过程中进行调整，除非引入摄影机厂家的远程菜单控制器。

飞行员与摄影师的磨合度很重要，在飞行技巧上，据说也分为几个阵营，有的追求对被摄主体的流动展现，有的追求特技飞行的速度与激情。

图9 《碟中谍6：全面瓦解》直升机航拍镜头

图10 《碟中谍6：全面瓦解》直升机追逐戏工作照

电影 《碟中谍6：全面瓦解》有一段紧凑的直升机追逐段落，场面很大。为了贴近表演主体，同时在每次表演时获得更多不同角度的镜头，也降低风险，制作方决定把作为画面主体的直升机也作为航拍飞机进行空对空互拍和自拍，后期再把飞机上的航拍器擦掉。成片的画面效果非常好，五六个画中机位有近景特写也有景深对冲，增强了观众的临场感。

值得一提的是，《碟中谍6：全面瓦解》的剧组并没有使用传统的陀螺仪航拍器，而是用3D打印加环氧树脂密封的方式直接给Panavision DXL摄影机做了一个防水保温的轻型吊舱。他们对镜头控制系统的马达、手柄和天线进行了工程升级，以便让摄影师能在2英里的距离内远程操控焦点和光圈；另外，他们还在遮光斗上安装了电控马达用来调整偏光滤镜和灰片。这简直就是现做了一个航拍器。飞机的震动也通过画面的抖动传达出来，这种命悬一线的震动感恰恰是为叙事服务的。

5 结语

影视制作没有一成不变之规，航拍也是如此，所有的硬件和软件都服务于导演意图。而不管是国内还是国外，载人机亦或无人机，航拍团队的专业化要求都很高，他们必须具备快速解决各类实拍问题的能力，且具备一定的影像素养。航拍本身不能成就好的摄影，人的选择、技术、经验、效率和审美才能决定最终的效果。