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「科技相对论」云台发展史:稳住,我们能赢

时间:12-10 00:00 转载来源:ZEALER订阅号

从自拍达人的制胜法宝,到网红 vlogger 们的必备工具,再到好莱坞大片的标配装备,几乎每一次我们按下录制键,都离不开它的魔力。第八期,我们就看它如何从古人暖被窝的香炉,发展到现在拍摄再也离不开的神奇组件。

 本期文字版 

Hello 大家好,欢迎收看全国首档非大型极客励志脱口秀节目《科技相对论》我是王自如。不知道大家有没有看过一个苹果的宣传片《三分钟》,是一个很感动、很亲情、很温馨的一个片子,是陈可辛导演完全用 iPhone 进行拍摄的作品。

虽然说这个片子的拍摄除了 iPhone X 以外,本身还有一些辅助器材起到了大量的稳定和辅助画面的作用,比如三脚架 稳定器 外接镜头等等,但是依然不可否认的是,现在手机的视频拍摄能力已经很强,至少不输于入门的卡片机了。

另外,相信大家平时也会经常看一些 vlog,这些 vlogger 们所用的拍摄设备并不一定都是很贵的专业相机,毕竟预算有限,大多数人都在用微单或者卡片机,甚至还有人直接用手机就可以完成日常 vlog 的拍摄。

这些现象都在说明,因为现在摄像领域的技术和设备已经越来越趋向成熟,甚至手机已经成为了单个的相机品类,有一大的产业链在支持整个摄像方面的功能的延展和升级,所以拍摄视频的门槛已经被降的非常低,回想起我们第一次看到电影的时候,谁能想到现在用一部手机就可以拍出如此震撼的大片呢。

实用摄影术的发明

实用摄影技术实际上是世界上最早出现的用机械记录画面的一种技术,由法国的艺术家路易·达盖尔在 1839 年发明。

目的非常单纯,就是为了将他所看到的景色再现,而且不用画笔和颜料,要求瞬间记录。虽然说这技术和其他技术不太一样,它的需求被发明出来并不是因为基础需求,但是后期当它发展到一定程度之后,在军事上的应用和科研领域确实非常非常的广泛,比如说情报的侦察地形勘测等等。

如何实现防抖

经过这么多年的发展,不管是相机,还是摄像机,都经历了漫长的迭代和更新的过程,这个过程当中,最重要的除了画质的改善,还有一个很重要的就是平滑度的改善,也就是我们经常所说的防抖

为什么说防抖这东西很重要呢?现在的单反、微单或者是镜头里都会加入防抖功能,都觉得司空见惯了,手机当然也有光学防抖的模组,甚至还有通过光学防抖加数码防抖两种进行合成的照片,这其实都是在消除画面虚化的问题,或者是说画面拍摄不清晰、成片率过低的问题。

我们都知道,摄影爱好者为了拍摄出想要的风光大片,经常背着沉重的三脚架,就是为了能在按下快门时,保持画面的稳定性,即使无法使用三脚架,也会尽量屏住呼吸,依靠双手来保持稳定,因为一丝松懈导致的抖动都可能会导致这张照片成为废片,如何稳定平衡成为摄影爱好者最头疼的问题。

从医学角度来讲,抖动最容易造成的不良影响,是「数码动晕症」,也就是俗称的晕屏幕。这是一种由视觉引发的动晕症,造成这种症状的原因是感官输入信号之间的不匹配,比如你的眼睛看到了比较晃动的画面,但是其他感官完全没有运动的感受,这种冲突就造成了和普通动晕症一样的结果,就是头晕,恶心。

所以有些时候在看电影会发现,如果看一些用纪实手段去做的战争片,可能相机上为了突出画面真实感的而并没有采用大量的防抖,看着看着就很容易晕,还比如说在大屏幕很近距离的时候,整个环境太过于扑面而来的大范围的晃动,也会容易陷入到一种眩晕。其实逻辑和道理都是一样,就是你的眼睛看到了一面墙全部在晃动,但是你的小脑和你的各种各样的其他的感官包括触觉都在告诉你,我是在平稳的陆地上,所以你就可能会造成这样的差异。

既然发现了问题,那如何解决就是一个比较大的难题了。除开拍摄器材本身,大多数人会选择用一些简单的支撑设备来消除抖动,比如三脚架和滑轨等器材,只要视频制作团队稍微专业一点,这两样东西当然必不可少,不管是拍照还是录像,三脚架都能起到稳定支撑的作用,滑轨也一样,在摄像的过程中,会让画面进行完全平滑的过度,效果呢,当然就是引起舒适。

但是更复杂一点的防抖技术就要涉及到复杂的软件算法,以及更加复杂的外部机械结构,我们就可以把它简单粗暴地叫做数字防抖或者是机械防抖,那么在机械防抖当中肯定还有一个大家更加熟悉的名词,就是光学防抖。

目前电子防抖的代表产品当属 GoPro,尤其是最近才发布的 GoPro 7,超级防抖 Hyper Smooth 功能,可以让用户在在剧烈的运动过程中,也能录制超级稳定的画面。主要的实现原理是通过一套软件算法,来实现「看起来不抖」的画面。

数字防抖很简单,就是原来画幅这么大,但是为了防抖的话有冗余,我就会把真正拍出来的视频或者照片缩小,这样子的话,当我可以提前判定相机在现实生活当中往下抖了一下的话,那我就可以把这个画幅实际上先提前地往上移一点,但是你既然要在画框之内有一定的余量的话,就证明你肯定不可能百分之百去将Sensor  录下来的视频或者是照片完全呈现,这也就是所说的「裁幅」,可能要裁掉 10% 、20% 不等。要想防抖的幅度越大裁得就要越高,所以你会发现每一次带着数字防抖的 iPhone,当切换到录像模式的时候会发现焦距变近了,原因就是画幅被裁掉,所以说一缩幅的话焦段可能也有所变化等等。其次,电子防抖对于光照条件的要求较为严格,在夜间或者其他光照条件不充足的情况下,效果依然会比较差。

而光学防抖,也就是机械防抖,主要是依靠特殊的镜头或者感光元件结构,最大程度降低影像的不稳定性,具体点呢,就是镜头或者机身里边会内置一个陀螺仪,当陀螺仪检测到微小的移动时,会将这种移动的信号传递给处理器,处理器就会立刻计算需要补偿的位移量,然后通过补偿镜头组,或者一个完整的模组结构,根据镜头或者机身的抖动方向还有位移量进行补偿,就能有效的抵挡抖动。

这里边的难点在于什么呢?我们经常在看很多防抖测试的时候会发现效果很厉害,这边是不带防抖的,这边是防抖的,放在一个机械臂上面在震动的摇,然后带防抖的效果就很明显,画面清晰很多。

为什么这种东西只能是哄哄那些业余的和不太了解的人呢?是因为人手的抖动机制和机械是完全不一样的。机械是在固定的范围之内左右上下抖动,人手的肌肉是无规律地随机抖动,也就是说我每次拍的一张照片可能是往前、往左下移动一点,但是下次我还是这个位置再拍,可能就是往后、往右移动了一点了。这种随机性的防抖对于整个陀螺仪或者是说内部的位置感知的传感器来说,要求是非常高的,因为如果首先无法感知的话,就没有办法让这个处理器产生出相抵消的算法来去补偿,或者是机械结构的运动来去补偿震动上的缺失,就自然没有办法达到稳定照片的效果。所以说这就是为什么很多防抖通过这样的固定模式显示出来的效果其实都是骗人,因为没有人在拍照的时候会这样抖动,除非我们是得了帕金森,实际上都是随机抖动,所以这才是真正的难点所在。但这种防抖方式比较常见,比如 SONY 的手持 DV,松下,奥林巴斯等微单的机身结构,甚至是在一些旗舰手机上也能看到。

基于机械防抖,还有一种更佳稳定的防抖技术是云台机械防抖,这种方式可以应对更加剧烈的运动环境,也是通过陀螺仪的检测,除了被动的补偿之外,还会利用程序控制相应的电机,在检测到运动时加入一个反方向的动力,实现力的主动补偿,来最大限度的避免抖动,就种技术的防抖程度和传统的光学防抖相比,当然是更稳定了。

机械防抖的发展史

其实在中间你会发现所有的手持防抖的云台都会有各种各样的支架和关节在相互勾连,我们把这一个系统叫做「常平支架」来去最大限度地避免抖动,这种防抖技术和传统的光学防抖,相比起来的话,稳定程度会更高,因为它能够抵消的运动幅度会更大。因为光学防抖再厉害,它毕竟也在所谓的模组当中去移动,但是手机一个模组就这么大点,大点的相机一个模组也不过这么大,怎么可能把这个东西抵消的幅度很大呢。比如说我真的大幅度地去运动的时候,从墙上一米高跳下来 ,我需要一个非常稳定的落地,那这种是无论如何光学防抖也解决不了的,这个时候最复杂或者说最有效的外挂防抖就会起到一个解决作用。

真正最早把这事想明白并且付诸实践应用的是我们中国人,在距离现在 2000 多年之前的西汉末年,一个叫丁谖的工匠就发明了目前世界上已知最早的常平支架,叫「被中香炉」,这是一个盛放香料来熏被褥的小球,无论球体如何滚动,中心位置的半球形炉体,都能始终保持水平的状态。

镂空的球体里边有两个环,互相垂直,可以灵活转动,炉体本身也可以绕着三个互相垂直的轴线转动,相互配合抵消外力带来的抖动,保持炉体的稳定。现代陀螺仪中万向支架的灵感就是来源于被中香炉,真是不得不赞叹老祖先们的智慧啊。

当然,在西方,也有一位被画画耽误了的发明家提出了这个设想,就是达芬奇,之后,在比西汉末年晚了 1000 多年的 16 世纪,意大利学者希·卡丹诺给出了最早的万向支架设计,所以西方人也把常平支架称之为卡丹悬吊,或者卡丹环。

在提到万向支架的应用方面,最早的记录是意大利工程师焦瓦尼的著作《机械》,书里提到了可以利用万向支架来减轻车辆在颠簸不平的道路上的震动。

虽说这和现在车辆的避震原理不太一样,现在就简单用弹簧,也不可否认是一个很好的设想。

真正让万向支架走进科学研究领域的是法国人傅科,他在 1851 年将他制作出陀螺仪放在万向支架上证明地球的自传,从此万向支架又了有新的名字,陀螺支架。

陀螺平衡仪的出现和应用,对世界产生了巨大的作用。陀螺仪定向的作用代替了罗盘,被广泛应用在航海领域。第一次世界大战,德国和美国又把陀螺仪用在飞机和导弹上。

虽说「被中香炉」是有中国的老祖宗发明出来的,遗憾的是,这项技术真正在社会当中派上用场或者说产生更加广泛的应用,实际上还是发生在西方,我们却依然在用它来熏被窝。

之前的这些都是由「被中香炉」所衍生出来的故事,这些机械结构也就被统称为云台。不过最早将云台应用到影视行业的产品是「舵机云台」。

不过当时存在的问题是,不管如何提升舵机云台本身的性能,都无法很好的解决抖动问题,所以国际上还有一种图像稳定技术,是由激光陀螺和冗余轴进行稳定,因为体积很大,重量通常也在几十公斤,常见的用途就是放在直升机的下方,当作一些电视台航拍的道具,不仅成本相当高,画面稳定性也没有达到预期的效果。这就是为什么大疆的出现能够干掉这种直升机的云台很重要的一个原因。

到了 2009 年,大疆尝试用无刷电机直驱的方式来做云台,因为这种技术对粒度的要求提升了两个数量级,行业内普遍认为这种方式不可行。但是谁叫大疆是一个创新型的公司呢,经过 3 年的研发,在 2012 年德国 Toy Fair 展会上,大疆发布了世界首款无刷直驱式的增稳云台 Z15。

可以挂载当时流行的微单 NEX5 和 NEX7,配合 S800 系列多旋翼进行拍摄工作,而且价格并不算贵,这个成果让大疆第一次把遥控航拍的方案,降到了普通大众可以承受得起的价格。

还一下子就把自己的名气给打出去了,所以说大疆自此也成为了一个真正做云台的公司。

Z15 上市之后,民间也有一些高手开始研究云台的控制系统,一个俄罗斯老哥 Aleksey Moskalenko 开源了一套 2 轴云台的控制系统代码,这次开源也直接影响到了整个行业的发展。

应该说,除了大疆之外,全世界做无人机云台的工程师,应该都用过他的代码或者开发版,甚至直到现在,还有一些国产厂商的底层代码,依然来自于这个老哥。

你看,这里又回到了咱们之前讲到的,开源会有什么贡献,这一次的开源,几乎是直接推动了无人机云台这个方向的飞速发展,不过虽说这位俄罗斯兄弟的技术实力很强,但依然存在缺点,大疆 Z15 的云台系统,是正经的 3 轴稳定,就是 xyz 三个轴上都能有相对应的稳定系统,而这套开源代码,只能在两条轴上进行稳定,所以面对全方向的抖动问题,还需要加入一个额外的算法,去应对另一条轴。

既然已经有了这么好的技术,当然是要应用在一些产品上,为大家解决更多实际生活中的需求。同样在 2012 年,大疆发布了世界首款航拍一体机 Phantom,也就是精灵。

将大疆用以发家的飞控技术、图传技术,和最新的云台控制系统进行结合,打造出了一台能飞超级远,特别好遥控,然后还能录像的航拍一体机,这对于当时的影视行业从业者来说,简直是巨大的帮助,需要用到航拍镜头的时候,再也不用动用那么大型的直升机了,省了成本不说,还降低了使用的难度,原来可能需要拍一天的内容,现在一个小时就搞定了,这效率的提升可不是一星半点。

之后,大疆在专业领域上再接再厉,2014 年,面对更加强烈的手持相机稳定需求,大疆把之前搭载在无人机上的云台技术进行改良,安装在了三轴手持云台系统上,就有了 Ronin 系列的诞生。

这一套系统可以搭载专业相机,并且可以用手持的方式进行拍摄和控制。这又给专业的影视制作领域带来了更多的可能性,让之前一些因为无法架设大型轨道,或者无法使用大型器械进行拍摄的场景,有了更好的解决方案。

到了 2015 年底,大疆宣布将要推出一款可以在运动中捕捉影响的消费级手持云台相机,也就是 Osmo。

它和 Ronin 系列一样,都用到了体积更小而且更高效的三轴稳定系统,同时和 Ronin 相比,它力量并没有 Ronin 那么大,它不是挂外挂相机,而是自己就带一摄像头,体积再次缩减不少,成为一个真正意义上的「手持」云台相机,让大众消费者们也能更加轻松的拍摄出流畅稳定的专业级画面。所以说为什么我反复强调大疆是做一个做稳定器的公司。

至此,从最初的军用产品,到专业领域的应用,再到大众消费者可以进行简单操作的消费领域,可以说进行了一系列的向下的普及和消费化的过程,其中大疆的作用是非常之关键的,也把整个产品和技术推向了更加广泛的民用市场,所以它占 70% 、 80% 以上的市场占有率是自然有原因的。

当然,除了大疆之外,还有很多同样优秀的产品,最出名的应该就是大疆的一大竞争对手,斯坦尼康。要说斯坦尼康,熟悉影视制作的朋友应该比较了解,这可是所有影视剧作品剧组里的标配,不管是拍电影还是电视剧,哪个剧组里的摄像团队不配几套斯坦尼康,那肯定是不专业。

斯坦尼康相机非常有意思,好像老是穿着盔甲,上面带个钩,然后旁边有人把相机帮老师扛着,真正的摄影师要是准备去用斯坦尼康的时候,来,把相机架上,勾子 一挂,然后老师就开始用各种各样的弹簧,身上挂了东西,把所有的压力集中在核心部位,我们叫做 core area ,你的胯和你的腰腹,这样能够减轻它的力量。

但是真的很厉害,挂设专业级的相机、巨大的附件,还有旁边还得有人跟焦等等,都可以拍得非常稳定,所以可以说是一个非常颠覆性的产品,那它是怎么来的呢?

斯坦尼康是 1973 年由美国人 Garrett Brown 发明的摄影机稳定器。

这哥们儿是一个制片商,他发明这个产品的目的很简单,就是需要打破当时电影拍摄时在稳定方面的局限性,打造一个更加便携的装置。一开始这个东西被直接用他的名字命名,叫「布朗稳定器」,后来改名叫做 Steadicam,意思是稳定的相机,如果用音译的话,就是我们常说的斯坦尼康。

这个东西的工作原理现在看起来非常简单,核心区域就是两个部分,承重背心和减震力臂。通过减振力臂,将来自四面八方,会造成摄像机抖动的力,传递到承重背心上,因为人的体重加上背心的重量,远大于摄像机重量,所以可以借助重力来保持摄像机的稳定,最终实现画面的稳定。

但是如果没有斯坦尼康,那可能我们用手持云台所拍摄出来的照片和能挂的这些器材是无法达到所谓影视级别,或者说叫做电视级别的制作要求的。

斯坦尼康一经上市,就引发了影视行业的轩然大波,1976 年,第一部使用斯坦尼康拍摄的电影《洛奇》,就获得了当年的奥斯卡最佳影片。

之后在 1980 年又一部大家更为熟悉的电影《闪灵》,也用到了斯坦尼康来拍摄,这里有很多镜头都通过运用斯坦尼康来拍摄一段连续的长镜头,将整个屋子的走廊完全展现出来,才吊足了观众的胃口,在最出其不意的时候来一点吓人的元素,当然会给每个观众都留下一点心里阴影,不过这种渲染的效果确实是通过斯坦尼康才能实现的。

用今天的眼光来看,这个看似小小的发明,实际上是给电影行业带来了翻天覆地的变化,斯坦尼康也就顺理成章的成为了专业的代名词。在这个领域里面其实大疆和它并不是完全的冲突,因为有的时候剧组里边是两个都用,只不过用在不一样的地方。

不过斯坦尼康也是有缺点的,最大的缺点就是,这东西忒重,用于电影制作级别的斯坦尼康,一个承重背心的自重就能有十几斤,穿在身上跟扛了一袋米的感觉差不多,如果平时不怎么运动健身,估计穿上这个背心之后,别说拍摄了,走两圈都要累趴下,再加上减振力臂之类的设备,一整套下来少说几十斤了,一般人还真拿不动。另一个很大的缺点是,想要熟练使用斯坦尼康,就必须经过一系列严格的训练,市面上还有一些斯坦尼康培训班,也就是说,这个设备的上手门槛相当高,如果不是从事影视拍摄的专业摄像师,没必要也应该没机会接触到这类产品。相对消费者,大疆可能会有更好的适用性。

所以,Ronin 和 Osmo 系列,就是大疆针对斯坦尼康这两个最大的缺点,所给出的更加优秀的解决方案。也可以说,大疆从自己擅长的和飞控和云台领域,逐渐向专业的影视创作行业迈进,并且一点一点吃掉本来应该被斯坦尼康占领的市场。当然现在无人机的画质也越来越高了,所以说有些剧组也干脆就摒弃了所谓的直升机拍摄,除非是那种对于速度或者说对于航程有巨大要求的,可能还依然会有无人机,大多数情况之下大疆是完全可以满足需求的。

大疆的骄傲

虽然说与斯坦尼康的竞争还在继续,但是大疆很明显是更加具有先机或者说处在一个上风的位置的,为什么这么说呢?因为斯坦尼康毕竟是一个太过于聚焦专业领域的用户,作为一家还未上市的公司,凭借着大疆的创新和研发能力,已经占据了全球消费级市场 70% 以上的份额,在整个经济效益的规模上来说会让大疆进入到一个更加正向的循环,所以说让整个大疆在营收上会比斯坦尼康大很多很多,这也是它持续保持技术创新和迭代一个研发投入的一个必要的前提。有竞争其实是一件好事,因为竞争会彼此互相刺激,但是只可惜在手持稳定器或者是说在无人机领域上,大疆的竞争对手其实主要还是自己,而且有的时候当你一旦到了高处不胜寒的地步的时候,很多时候是需要很大的决心来去保持第一的位置,因为第二名追赶第一名你是有假想敌的,但第一名把自己作为假想敌,要自己革自己的命这件事情是需要勇气的。

大疆也从来不怕因为创新,导致自己的产品被「拍死在沙滩上」,坊间也流传着这样一句话,可以打败大疆的产品,也一定是大疆的产品。大疆也真的就像这句话所说的那样,把「创新」作为最高优先级,一次次的重新定义已经由自己开拓的市场,和已经确立的产品形式,比如刚发布的 Osmo Pocket。

就是再一次教育了手持云台相机市场,将顶级的云台、不错的摄像头以及优质的控制系统算法,都集成在这样狭小的一个空间内,对于大疆这样的产品表现,也只能用惊艳来形容了。为了实现这个全新的尝试,不惜连同自己的前一代产品一起,进行整体的降维打击,而其他生产同类型产品的厂商,可能还停留在如何学习制造上一代产品的阶段吧。

从一开始的多旋翼,到第一个增稳云台 Z15,再到后来的 Ronin 系列和 Osmo 系列,大疆一次次的将这个非常专业,非常难以接触的领域,用另一种更加亲民的方式,呈现在消费者面前,不论是价格,便携程度,还是学习使用的成本,都变得越来越低,或许将来有一天,又大又重的摄像器材真的会被更加方便的设备取代,每个人都可以当自己的导演,作出属于自己的大片。在软件层面的话当然也有很多的迭代和进步,比如说可以做多重影像叠画或者是围绕一个物体来进行盘旋刷锅的镜头,都已经把它做得非常的软硬结合了。

总结

到现在,经过了十几个世纪的发展,影像技术终于达到了今天的这个水平,我们可以用如此便携的设备,拍出精美的照片,或是稳定的视频,一切都可以用来在日后填充我们的回忆。其实很难想象,我们的祖先,为了能够像我们一样记录某个瞬间,需要花费多少心血,付出多少努力,也正是因为有了一个又一个认为「未来无所不能」的先驱,不断探索和研究,才有了技术上一点又一点的突破。也许再过五年十年,我们只需要佩戴一副眼镜,眨眨眼睛就可以拍照或者录像,虽然说现在有些产品也可以做到,但是可能在续航上或者是在图像质量上还达不到,但是以后只要有更多相信未来无所不能的企业出现,并且付诸实践和努力地坚持的话,我相信肯定会达到我们超乎想象的水平。

好了,今天的科技相对论先到这里,更多科技生活方式的内容,大家可以登录我们的官方网站 ZEALER.com,或者关注我们的官方微博 @ZEALER中国,以及我们的官方微信订阅号「ZEALER」,我们下次科技相对论见,Peace~

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