Как выбрать камеру FPV для гоночного квадрокоптера

Все, что видит пилот в FPV очках во время полёта — это обычное аналоговое видео с низкой задержкой, которое снимется камерой FPV, установленной на квадрокоптере.

Качество камеры является одним из наиболее важных моментов при проектировании и строительстве гоночного квадрокоптера. Дело в том, что она должна, совместно с передатчиком, обеспечить трансляцию видеоизображение в реальном времени. Независимо от того, насколько хорошо функционирует видео передатчик, качество изображения на вашем дисплее или FPV очках не может быть лучше, чем поступает от камеры.

Чтобы правильно выбрать подходящую камеру FPV для своего гоночного дрона, пилот должен уметь разбираться в её многочисленных технических характеристиках. Некоторые из параметров, являющиеся наиболее значимыми, мы постараемся обсудим в этой статье.

О чем пойдёт речь:

• Тип матрицы CCD и CMOS.
• Кодирование NTSC и PAL.
• Динамический диапазон.
• Угол зрения FOV.
• Разрешение TVL.
• Задержка.
• Соотношение сторон.
• Вес, размеры и рабочее напряжение.
• ИК-блок и ИК-чувствительность.
• Другие особенности.
• Можно ли использовать камеру HD в качестве камеры FPV?
• Экранное меню OSD для телеметрии.

Отличие FPV от обычных HD-камер

Прежде чем углубляться в изучение технических характеристик, важно понять разницу между камерами FPV и обычными HD-камерами. Захватывающие видеоролики о гонках дронов, которые мы обычно видим на Youtube, на самом деле снимаются с помощью обыкновенных HD-камер, таких как GoPro или Runcam 3.

Пилоты устанавливают их на свои квадрокоптеры в качестве дополнительного оборудования. Хотя некоторые из этих HD-камер имеют опциональную возможность использования видеовыхода для подключения к передатчику, но использовать для FPV их не получится. Дело в том, что латентность этих устройств обычно составляет более 100 мс. Такая задержка совершенно не подходит для управления гоночным квадрокоптером в режиме реального времени. Ведь при скорости, превышающей 100 км/час, за одну десятую секунды дрон пролетает более трёх метров.

Два типа датчиков изображения: матрицы CCD и CMOS

Существует две основных технологии и два типа датчиков изображения, которые используются в камерах FPV — это матрицы CCD и CMOS. Каждое из этих вариантов устройств обладает различными характеристиками и отличается своими уникальными преимуществами и недостатками.

Большинство цифровых камер HD используют датчики CMOS. Несколько лет назад для камер FPV больше подходили матрицы CCD, но в настоящее время это уже не так. Вот краткий обзор плюсов и минусов, грань между которыми всё больше стирается по мере развития технологий:

CCD

• Менее выраженный «эффект желе» в кадре.
• Ниже уровень шумов при низкой освещённости
• Лучшая чувствительность и шире динамический диапазон, но сейчас одинаково с матрицами CMOS.
• Ниже латентность.

CMOS

• Высокое разрешение.
• Лучшая цветопередача.
• Более высокая частота кадров.
• Потребляют меньше энергии.
• Более дешёвые в производстве, чем CCD.

В наши дни камеры, сделанные на основе CMOS, могут работать так же хорошо, как и CCD-камеры и с успехом применяться для FPV. Тем не менее перед покупкой обязательно нужно сделать камерой проверочные кадры, чтобы посмотреть, как она работает при ярком дневном свете, в условиях с низкого освещения, снимает против солнца и с широким динамическим диапазоном.

Задержка камеры не менее важна для FPV полётов, чем качество изображения. Модели, изготовленные по технологии CCD, обычно имеют меньшую латентность, чем CMOS, но в последнее время это различие уменьшается.

Широкий динамический диапазон (WDR)

Вероятно, вы часто слышали термин WDR или «динамический диапазон», который часто используется в цифровой фотографии, но, возможно, не совсем понимаете, что он означает. Если не вдаваться в тонкости, объяснение довольно простое. Широкий динамический диапазон или WDR — это способность видеокамеры снимать одновременно как яркие, так и сильно затемнённые области, которая очень важна в экстремальных условиях освещения.

Во время реального FPV полёта приходится часто снимать против яркого солнца, на фоне облаков или может быть слепящее электрическое освещение. Если камера не имеет достаточно широкого динамического диапазона, то затемнённые участки будут совсем неразличимы.

Если понимать концепцию, несложно распознать возможности WDR в камерах FPV, которые вы планируете приобрести. Это свойство очень важно для полётов FPV, поскольку оно позволяет лучше видеть дистанцию. Но у широкого динамического диапазона есть и негативный эффект, который проявляется более низким контрастом изображения. Иногда картинка даже кажется немного размытой, но вполне достаточного качества для управления дроном.

Форматы кодирования видео: NTSC и PAL

В настоящее время выбор системы кодирования PAL или NTSC не является большой проблемой, поскольку они этих стандарта поддерживаются большей частью оборудования для FPV. При этом NTSC используется в основном в Северной Америке, Японии и Южной Корее. Кодирование PAL применяют в большинстве стран Европы, Австралии, а также во многих странах Африки и Азии. Очень хорошо, если удаётся придерживаться стандарта кодирования, который применяется в вашей стране. Но если вы решите использовать другой формат, в этом тоже не будет большой беды.

Основное различие между двумя стандартами заключается в том, что формат PAL предлагает лучшее разрешение, в то время как NTSC позволяет немного увеличить частоту кадров. Поэтому, если вы хотите иметь более чёткую картинку, то PAL лучше. Но если требуется больше плавности, с этим лучше справляется формат NTSC.

• PAL: 720 x 576 и 25 кадров в секунду.
• NTSC: 720 x 480 и 30 кадров в секунду.

Поле зрения FOV и фокусное расстояние объектива

У большинства камер FPV обычно есть опция выбора различной фокусной ширины объектива, позволяющая иметь другое поле зрения (FOV). Обычные камеры FPV используют оптику с резьбой 1/3 дюйма, которую можно легко менять. Вот справочная таблица соответствия фокусного расстояния и поля зрения объектива:

Обратите внимание, что величина фокусного расстояния объектива не является полным эквивалентом его поля зрения. Например, выбранная оптика 2.8 мм может иметь FOV равный 120 градусам на одной камере, но другой объектив 2.8 мм, установленный на иную камеру, покажет 130. При покупке камеры или сменного объектива, информаций о реальном поле зрения намного важнее, чем знание фокусного расстояния.

Чем шире FOV, тем больше можно увидеть в окружении дрона во время полёта. Но это не всегда хорошо, потому что начинает замечаться эффект «рыбьего глаза». Объекты кажутся меньше и дальше, чем есть на самом деле, а края изображения становятся изогнутыми и искажёнными. Но и наоборот, если угол зрения FOV слишком мал, изображение будет увеличено. Единых рекомендаций не существует, но угол 130–140 градусов можно считать наиболее комфортным для FPV. Обычно это соответствует 2,5 мм объективам.

Некоторые камеры имеют сменную оптику, позволяющую устанавливать линзы с различными FOV и качеством изображения. Можно приобрести эти сменные резьбовые объективы и попробовать их вместо того, чтобы покупать совершенно новую камеру. Например, известны очень успешные результаты таких экспериментов для Runcam Swift.

Все зависит от личных предпочтений и того, что требуется получить от устанавливаемой на квадрокоптер FPV камеры. Например, если требуется постоянный скоростной пилотаж на самой малой высоте или с множеством препятствий, более широкое поле зрения может быть лучше. Наоборот, если вы чаще летаете на большой высоте и открытом пространстве, более узкое поле зрения предпочтительнее.

Среди гонщиков, как правило, более популярны камеры FPV с широким полем зрения, потому что оно позволяет пилоту видеть больше при быстром полете, не требуя физического наклона камеры.

Разрешение камеры и значение TVL

Число TVL или TV Lines — это параметр FPV видеокамер, который производители используют для измерения аналогового разрешения. Оно основано на том, сколько чередующихся чёрно-белых горизонтальных линий можно различить в изображении.

Например, маркировка камеры 600 tvl означает, что устройство может отображать 300 чёрных линий и 300 белых чередующихся линий на одном кадре. Чем больше телевизионных линий, тем лучше разрешение изображение даёт камера. Обычно разрешение является фиксированной величиной из определённой последовательности. Для большинства применяемых в FPV камер, это стандартные числа 380, 480, 600, 700, 800, 1200 и так далее.

За более высокий уровень TVL или разрешения приходится платить двойную цену: он не только стоит больше долларов, но обычно связан с повышенной латентностью камеры, которая появляется из-за необходимости дополнительной обработки изображения. По этой причине сравнительно невысокое разрешение 600 tvl уже многие годы является самым популярным выбором для FPV. Его более чем достаточно для комфортного управления гоночным квадрокоптером.

Нужно понимать, что простое увеличение уровня TVL далеко не всегда даст лучшее изображение. Это связано с ограничениями аналогового передатчика видеосигнала на частоте 5.8 ГГц, а также монитора очков для FPV. Например, картинка от камеры 1200 tvl не будет в два раза более резкой по сравнению с 600 tvl, если применяется обычная аналоговая система FPV. Ощутимый выигрыш может появиться только при цифровой обработке, но такие устройства очень дороги и практически не используются для хобби.

Задержка

Задержка камеры может стать решающим фактором, если вы участвуете в беспилотных гонках или просто летаете на высоких скоростях. При 100 км/час, задержка всего лишь в 50 мс означает «проскальзывание» квадрокоптера на 1,5 метра, прежде чем он успеет среагировать на прикосновение пилота к джойстику. Латентность камеры в этом случае будет означать пропущенное препятствие или другое неверное действие.

Задержки почти всегда связаны напрямую с разрешением TVL и скоростью обработки изображения. Большинство популярных видеокамер CCD на 600 TVL, таких Runcam Swift или Foxeer HS1177, имеют латентность 20 – 30 мс. Устройства с более высокими TVL обычно обладают худшей задержкой, потому что приходится обрабатывать больше изображений, хотя это зависит и от алгоритмов.

Данные о времени задержки не относятся к официальной спецификации и обычно не сообщаются производителями видеокамер. Поэтому желательно проводить тщательное тестирование новых устройств самостоятельно или использовать имеющуюся информацию от коллег.

Соотношение сторон

Существует два основных формата изображения: 4:3 и 16:9. Выбор зависит от того, какому соотношению соответствуют ваши очки для FPV или дисплей. Если соотношение сторон камеры 4:3, а экран отображает 16:9, изображение будет растянуто. Но зато если камера 16:9,  а дисплей 4:3 — картинка получится сжатой по горизонтали.

Форм-фактор и вес камер для FPV

В прошлом камеры FPV обычно изготовлялись на квадратных печатных платах размером 32x32 мм без какой-либо защиты. Чтобы избежать механических повреждений при авариях, современные устройства помещаются в корпус размером 26x26 мм, размер которого является нынешним стандартом. Исходя из него конструируется система крепления камер на рамах квадрокоптеров.

Напряжение питания и проводка

Электрическая проводка видеокамер FPV очень проста — обычно требуется подключить всего три провода. Красный цвет имеет плюсовой провод питания, чёрный — земля, а по жёлтому передаётся видеосигнал. Иногда, если у камеры есть встроенный микрофон, может добавиться один дополнительный провод для аудиосигнала.

Большинство выпускаемых в настоящее время камер имеют широкий диапазон входных напряжений, например, от 5 до 17 вольт или даже выше. Это позволяет подключать их через регулируемый источник питания либо напрямую к литий-полимерной батарее от 2S до 4S. Очень хорошо, если есть возможность установить небольшой LC-фильтр в цепи питания, который защитит от помех не только саму камеру, но и передатчик с системой OSD, обеспечивая лучшее качество изображения.

ИК-блок или ИК-чувствительность

Не все камеры FPV имеют возможность работать в темноте, а если эта опция есть, может быть доступен один из двух вариантов: ИК-блок или ИК-чувствительность. Устройства, оснащённые ИК-блоком, позволяют получить более яркие цвета, в то время как ИК-чувствительность лучше работает при низком освещении. Большинство камер производится только с ИК-блоком, потому что гоночные квадрокоптеры практически не летают ночью или в темноте.

Если вы в основном летаете в дневное время, правильно будет выбирать камеру с ИК-блоком, который даст намного лучшее качество изображения. Для более широкого диапазона условий освещения, но жертвуя некоторым качеством цветов, можно рассматривать устройства, обладающие ИК-чувствительностью.

На объективе можно установить инфракрасный фильтр, отделяющий солнечный цвет и оставляющий тепловое излучение для работы камеры в ночных условиях. Иногда он может размещаться непосредственно на электронном датчике изображения.

Ночные камеры

Камеры, обладающие ИК-чувствительностью, нормально функционируют при слабом освещении. Если вы хотите летать ночью, когда света совсем мало, можно попробовать специальную ночную камеру FPV. Обычно это CMOS-камера со специальным алгоритмом, который рассчитан для качественной работы в чрезвычайно тёмной среде. Например, это такие модели, как Night Eagle или Owl 2.

Настройки камеры

Некоторые камеры высокого класса позволяют изменять пользовательские настройки с помощью модуля управления OSD. В этих продвинутых устройствах настолько много настроек, что может поначалу смутить. Например, чтобы научиться управлять некоторыми полезными функциями таких камер, как, например, Sony Super HAD 600 tvl, придётся потратить время на изучение документацию.

3D-камеры FPV

Наряду с обычными, существуют специальные, предназначенные для FPV, 3D-камеры. Они состоят из двух отдельных устройств, смонтированных на одной плате и одновременно передающих изображение на очки FPV. Каждый из глаз видит изображение только одной из них и это даёт возможность получить трёхмерное изображение.

Использование камеры HD для FPV

Некоторые HD-камеры имеют функции живого видео, которые позволяют использовать их для полётов FPV. Например, это могут быть популярные устройства GoPro и Mobius. Пилоты довольно часто выбирают такую возможность чтобы упростить настройки своего квадрокоптера, сэкономить вес и снизить затраты.

Однако есть некоторые недостатки, связанные с использованием HD-камер для FPV. Вот список основных из них:

• Ощутимая на глаз задержка, особенно при работающем режиме записи на карту SD.
• Зависимость от батареи питания. Если она разряжается, то у камеры GoPro сразу теряется передача видео. Конечно, любое HD-устройство можно подключить к внешнему источнику питания, но потребление тока сильно возрастёт.
• Блокировка в режиме записи может привести к тому, что при случайной остановке этого процесса может также потеряться видеопоток.

Поэтому рекомендуется всегда использовать специальную камеру FPV совместно с камерой записи видео в формате HD. Очень важно, чтобы камера FPV не была установлена на карданном шарнире, так как это мешает правильно ориентироваться в пространстве. Также можно применить видеомикшер, чтобы иметь возможность объединить вместе потоки от GoPro и камеры FPV или переключаться между ними с помощью радиопередатчика. Это позволит видеть, что снимает каждая из камер.

Передача телеметрии с помощью OSD

Говоря простыми словами, система OSD — это специальное электронное устройство, которое накладывает текст и данные телеметрии на кадры, передаваемые FPV камерой. Видеопоток с камеры поступает сначала в блок OSD, а с его выхода — в передатчик.

Экранная телеметрия OSD — очень полезный инструмент, позволяющий отображать на экране FPV многие типы данных: RSSI, потребляемый ток, скорость полёта, высоту, направление компаса, расстояние и массу другой полезной информации. Для людей, которые не летают на дальние расстояния и предпочитают иметь достаточное время на посадку до полного разряда батарей, отображаемые на экране сведения OSD могут оказать неоценимую услугу.

Вес камер и полётная нагрузка

Камеры FPV обычно весят в пределах 10 – 30 граммов и не могут слишком серьёзно влиять на полётную нагрузку. Но для гонок на максимальных скоростях и других подобных случаев или для микроквадрокоптеров, где на счету каждый лишний грамм, существуют сверхминиатюрные камеры FPV, вес которых составляет от 1 до 5 грамм.