为什么大多数 FPV 5.8 GHz 视频发射器使用 PAL 或 NTSC?

电器工程 无线的 视频 无人机 ntsc
2022-01-22 21:47:29

一般来说,我不太了解视频传输的细节。但是,我想知道,既然大多数显示器和电子设备都是数字的,为什么 FPV 设备供应商选择模拟传输系统,而且仅限于 30/24 fps 和低分辨率?

是否可以通过简单地选择不同的(数字)协议而不更改通道号来提高分辨率?

4个回答

正如其他人所说,PAL 和 NTSC 是模拟的,几乎没有延迟。这在高速飞行 FPV 无人机时非常重要。有延迟会告诉你你去过哪里,而不是你实际在哪里。

我有一个大型视频/摄影无人机(Yuneec Q500 4K)。它使用 802.11A 协议在 5.8 GHz 上以数字方式传输视频。(就像您的家庭 Wi-Fi 网络一样。)我测量了视频馈送的延迟为 282 毫秒。这是因为视频必须从模拟转换为数字,然后在接收器处再转换回来。这听起来可能不多,但这是当您高速行驶并试图避开障碍物时。

这是一个快速图表,它将显示 282 毫秒的延迟如何影响您认为自己所处的位置,与您实际所处的位置相比。

Speed    Error       Speed     Error
[MPH]    [Feet]      [km/h]    [Meters]
----------------------------------------------
 10      4.15         16       1.26

 20      8.24         32       2.51

 30     12.39         48       3.78

 40     16.54         64       5.04

 50     20.63’        80       6.29

考虑到一些 FPV 无人机可以以 60+ MPH 的速度飞行,您可以看到视频延迟会产生多大的影响。

就 FPS 而言,NTSC 的 30 和 PAL 的 24 是标准帧速率,对于流畅的画面来说绰绰有余。更高的分辨率还需要更大/更重的硬件。当 FPV 赛车手试图从他们的无人机上刮掉几分之一克时,他们会牺牲分辨率来减轻重量。

希望我的解释有帮助!

我赞成 Nettle Creek 的回答,但这里有一个关于为什么延迟很重要的快速解释:

驾驶无人机是一个反馈系统,您可以参与其中。与任何其他反馈系统一样,适用通常的奈奎斯特稳定性标准。视频延迟在反馈回路中增加了延迟,其效果与任何其他反馈系统(您是运算放大器)相同:它使系统不太稳定。这可以通过各种技术进行补偿,其中最简单的方法是降低带宽,这会使系统变慢。

试想一下,一辆汽车在转动方向盘和车轮实际转动之间有 1 秒的延迟。这或多或少等同于将盲人放在方向盘后,而您则坐在乘客座位上尖叫指示。我敢打赌你会花更长的时间才能到达目的地......

例如,几年前 LCD 显示滞后是一个问题。一些 LCD 屏幕会缓冲一两帧以对图像进行数字处理。这导致了 1-2 帧的延迟。这基本上使所有第一人称射击游戏无法玩。一帧延迟听起来可能不多,但足以严重扰乱人类控制系统(即大脑),而人类控制系统根本不习惯在移动手指和看到结果之间出现显示延迟。

数字视频经过压缩,因此压缩器必须在 RAM 中累积若干帧并对其进行处理。您可以获得非常高的质量,但延迟很高。

模拟视频基本上具有零延迟。显示屏 LCD 只需几毫秒即可做出反应。CRT 要少得多。它没有“一帧”(1/60 秒)延迟,原因很微妙:假设您的眼睛正在注视屏幕的正中心。CCD 相机逐条扫描线读取图像。这意味着它将读取一条扫描线,该扫描线会立即传输并显示。因此,在您正在查看的位置(例如,在中心)显示在屏幕上的图像仅在相机获取它几毫秒后出现。因此,延迟非常低。

当然,它只会在下一帧更新。但是每次更新都是非常实时的。如果您的无人机正向树干飞驰,屏幕顶部的树看起来会更小,而底部的树会更大,因为在帧扫描期间无人机会更近。

根据我玩 FPS 游戏的经验,这可以实现非常好的控制。再添加一帧(16 毫秒),一切都会崩溃。再也不用爆头了!瞄准变得不可能。感觉就像在玩主机 FPS。

对于驾驶无人机(或瞄准 FPS 游戏)来说,图像质量也无关紧要。糟糕的模拟 PAL 就可以了。回到过去,在一台动力不足的旧 PC 上,如果出色的图像质量设置产生 30fps,每个人都会将纹理设置为“atari 2600”质量以每秒获得更多帧。除非面对可预测的计算机对手,否则 30fps 是无法播放的。

他们选择此协议,因为它是通用的,因此您可以使用来自不同制造商的不同配件。此外,他们之所以选择它,是因为它速度更快,并且需要更少的计算能力来解码图像。第三个原因是数字信号在需要低延迟的快速移动物体中不太可靠。

我给其他人提供了一个额外的理由(既定且极其交叉兼容的标准,成熟的负担得起的低功耗芯片组,延迟等)......信号稳健性之一。模拟视频信号在无法再以某种形式接收或被人类观察者理解到足以进行飞行控制(或审查)的程度之前,可能会严重退化。颜色可能会丢失,音频变得完全没有意义,视觉噪音水平可能会增加到有意义信号与“雪”的对比度几乎没有 2:1 的程度,并且同步可能会被严重破坏,从而导致图像在每一帧上下摆动 - 并与每一行并排 - 只要载体没有完全下降,您通常仍然可以从提要中获得一些意义。它'

而数字视频……嗯,任何见证了数字 OTA 广播早期的人(或者即使你住在一个仍然信号较弱的地区)都可以告诉你,一旦强度和质量低于某个不是特别低的水平,通常没有太多警告。与模拟电视的逐渐“优雅”退化相比,水晶般清晰且完全可观看的数字信号与已损坏到对观众毫无意义的数字信号之间的区别(编码方案意味着任何随机中断对比特流的影响可能会导致解码图像发生巨大的、不可预测的变化)或完全无法解码可能是非常危险的。如果飞行 FPV 模式,这并不是您真正想要处理的特征。

换句话说,如果您接近其可用范围的边缘,模拟版本会在信号逐渐衰减方面给您大量警告,因此您可以及时返回。数字飞机可能会在几秒钟内越过那个刀刃,从清晰平稳的运行到生涩和破碎,然后让你在更短的时间内完全失明飞行,而不是你对失败的信号做出反应并调转无人机。与数字信号相比,模拟信号本身可能分辨率较低且噪音更大,即使在起飞点也是如此,但这种权衡可能证明非常值得失去绝对最高视频质量。

另一部分是来自电机和控制电子设备以及无线电本身的干扰。在无人机运行时,来自无人机其他电气部件的视频信号通常会出现明显的伪影。这类事情只会在模拟视频信号上引起一些视觉噪音和同步失真......但它可能会导致数字信号完全失败。

当然,您可以在数字版本中添加相当多的纠错编码来尝试验证这两个问题,但这都会减少实际信号的可用带宽(因此限制了可能的分辨率以及压缩率,甚至帧率),并增加了额外的延迟(即使没有 EC,这已经是一个问题),因为典型的 FEC 依赖于通过连续数据流在更长的时间跨度内传播数据。

最重要的是,最有效的数字视频编解码器非常依赖帧间/时间冗余、增量和运动补偿技术,以大大减少必须为给定感知质量传输的数据量,尤其是对于低运动内容这是大多数电视和录制视频内容的最大部分。这些当然会增加实时视频路径中的延迟(对于接受一点延迟的电视传输,或者对于数据在解码开始之前快速预缓冲的存储/流式视频,这并不是真正的问题,但对于远程控制/呈现应用程序).​​..也意味着高动态内容(在 FPV 素材中占相当大的一部分)会给数据流和压缩引擎带来异常高的负载,

当然,用于瘦客户端和远程服务器游戏服务的低延迟视频编解码器表明,可以进行相当高效的压缩,而不会出现足以干扰抽搐反应的延迟,但它们主要属于一个完全不同的电子世界。数据链路通常是端到端的,或者至少直到最后几米,使用连接到电源的收发器或使用相当重的电池,这些电池不依赖于将机器带入空中. 解码器是一大块非平凡强大的计算硬件的一小部分,更相关的是编码器(很像 20 年前的数字广播公司)特别强大,以便捕获高清图像,对其进行处理并尽快将其从网络链接中发射出去。再过几年,也许可以在 FPV 无人机的轻量级、低功耗控制和视频发送板中构建一个类似功能的编码器,以及一个可以维持足够高比特率的数据流发送器。一段有意义的距离……但目前,小型飞行器中内置的内容与数据中心高端服务器中的内容之间存在巨大差异。

目前,一个简单的 SDTV 编码器/发射器,它占用的空间(同样重要的是,重量)与夜总会火柴盒的匹配(头部是芯片,棒是天线)一样多,并且几乎不消耗传输本身可能超过几十毫瓦的任何功率,都可以提供低(但仍然足够“高”)的分辨率,平滑的帧速率,来自类似的小燃烧器电话衍生传感器的有效零延迟图像(这两个部件都非常便宜) FPV 耳机或手机具有足够的保真度,可以在数百米范围内使用。这就是最先进的技术带给我们的地方,当你想到它时,它已经非常令人印象深刻,就像能够在几秒钟内将高清录音流式传输到 Youtube 或 Twitch 一样” 掌上电脑的延迟是。它只需要更进一步,以使用具有适当低延迟和高可靠性的数字传输来提供更好质量的图像......