個案研究:Zenmuse 產品系列增加夜間補助照明的戰術意義

一、前言

無關它的中國身分,DJI的無人機技術及實務經驗仍是值得借鏡的,其Zenmuse產品線,功能明顯高於一般應用,已經達到軍民兩用級別的產品,以下藉由該產品線近期兩次的產品發表,探討設計背後的實務經驗反思,特別是在近期東歐戰場所反饋的實務需求:DJI 於 2024 年5月推出的 Zenmuse H30T,在原有高感度夜視與高解析度熱感相機的基礎上,新增「紅外線補光燈模組」;又於2025年4月發表Zenmuse S1探照燈以輔助夜間任務。
本研究旨在探討這些產品更新設計背後的經驗反思,特別是在已具備強大被動感測器(如 光學成像與熱成像)的情況下,DJI為何認為主動照明輔助有其必要性

二、夜間輔助照明的功能與特性

【夜視輔助】在無環境光的暗夜情境中,即使低照度相機能夠捕捉影像,視野常充滿雜訊因而妨礙辨識(請參照圖1,2),無論是監控人員或近年導入的AI輔助, 都需要進行多次的影像強化,才能達到判斷的目的,這些後處理無疑妨害判斷的即時性,而去除不掉的雜訊會影響判斷的正確性;相較之下,夜間輔助照明可以提高相機入光量,影像資訊對比感測器雜訊的訊噪比能夠大幅改善,影像品質自然提升,對於後續監控人員或AI輔助的分析、辨識及判斷的正確性與即時性都有正面幫助。

圖1
在黑暗中相機使用高ISO擷取100公尺外影像,畫面充滿雜訊及顆粒感,物體輪廓線破碎且難以辨識細節,左方植物幾乎無法辨識;
圖2
同樣時間與環境條件,增加輔助紅外照明後擷取影像,畫面中物體輪廓線及細節清晰,無論人員決策或AI辨識難度均大幅降低。

【照明範圍】就軍民兩用影像設備而言,無人機相機光學變焦能力可達到約30倍,輔以數位變焦能力可達到約百倍的效果,實用工作距離大概是2公里左右。千瓦級的氙氣燈可以達到這個距離,但體積及消耗功率不是一般小型無人機可負荷;固態發光技術的LED耗電低體積小,但一般僅能照射至多600公尺距離;固態雷射照明是後起之秀,可以在小功率及小體積的前提下,照射到公里級的目標。
本文中提到的Zenmuse H30T的紅外線輔助燈大概是因為分配到的電力極低,僅能輔助到100公尺的距離;Zenmuse S1的體積較大,根據資料可照射到500公尺。兩者都沒達到現今技術的極限,該公司是基於節能或其他技術的考量就不得而知。

【照射角度的調節】照射角度的設定,關係相機視野中明暗區域的比例,最理想狀況是輔助照明能涵蓋相機整個視野,然而照射範圍越大,消耗電力也越多,如何權衡端看產品的定位。
目前相關夜間輔助照明產品在照射角度的設定可概分三種:

  • 固定照角,照射角度設定在相機最常使用的視野範圍,或是當作探照燈僅照射視野中的部分區域,此類機種機構相對簡單,能有效降低成本及體積重量,Zenmuse H30T的紅外輔助燈是此種設計;
  • 可變照角,藉由燈具光學鏡片鏡間距的調節來達到照射角度的調節,與光學相機配合度較佳,但較複雜機構造成體積重量增加,成本也較高;
  • 混合型,藉由控制多組設定在不同照射角度的光源點亮,達到調節照射角度的效果。這種設計機構相對簡單,但體積卻不小,因需要的多組光源無法節約體積。Zen muse S1有兩駔光源,一組負責廣角而另一組負責窄角,即屬於此種設計。

【光源波長的選定】軍民兩用的機種一般使用白光及近紅外光兩種波長,白光可適配的光學相機較多,影像有色彩因而提供資訊較多,但缺點是肉眼可見,隱蔽性較差;近紅外光常用的波長是850奈米及940奈米,兩者都在肉眼可見的400到700奈米以外,其差別,一是850奈米在距離約50公尺內肉眼可感受微微紅光,而940奈米肉眼無法感知,不過兩者都可被夜視器材偵測到,所以隱蔽性能僅為一般,而適配的低照度相機通常有IR模式,藉由一片IR濾鏡的開閉而選擇偵測紅外線與否;二是一般光學感測器在850奈米波段的光子效率大約是940奈米波段的兩倍,所以使用850波段的夜間輔助照明較為節能。
在本案例中,Zenmuse H30T的紅外線輔助光源是850奈米波長,而S1的制式波長是白光,但作者認為藉由小幅度的改裝也可以改為紅外光波長,端看客戶需求而定。
另外關於近紅外影像的色彩,一般為黑白影像,但近年已有彩色紅外線相機的問世,雖然Zenmuse H30T的光學相機似乎還未導入這項技術,有興趣的讀者可以在網路搜尋參考。

【適配的相機曝光模式】當照明區域與相機視野相符時,光學相機在曝光方面不會有障礙;但是照射區域僅占相機視野一小部份時,由於一般相機採用平均曝光模式取像,此時會出現照明區域出現曝光過度而無法看清細節的情況,因此採用中央曝光(假設照明區域是在視野中央)或重點加權曝光模式都能有效改善影像品質。

三、使用需求與前線反饋

無人機業界有一部分人認為裝置熱感相機即可對應暗夜情境,由Zenmuse H30T的前代H20T(2020年發表)規格配置來看,當時DJI的看法也是相同的:H20T有熱感式相機,光學相機無夜視模式,ISO值僅有102,400,沒有紅外線補光燈。那麼這幾年間,什麼事情讓DJI改變主意?作者認為是俄烏戰爭的使用經驗。

有沒有可能是2024年時科技的演進導致DJI提升了規格?2024年發表的主流單眼相機ISO值上限大約在5萬左右,具夜視功能的監控攝影機ISO值上限一般在10萬左右,如果僅是一般規格進化,DJI沒有必要將ISO值上限提升至81萬,更不會在ISO值上限提升到如此高的程度時,還加上紅外線輔助燈。所以答案很明顯:根據實務使用經驗,夜視能力需要提升至如此程度才夠用。

熱感式相機的規格也同樣證明這個看法:H20T的熱成像解析度是640*512,與同時期相比較算前列但不特別突出;H30T升級到1280*1024的水準,同期一線品牌FLIR及FLUKE的同級機種解析度仍維持在640*480,DJI並非熱感式相機生產商,卻裝置了高於同期一線熱成像規格的相機,作者的結論是客戶的強烈要求。

附表1:DJI Zenmuse H20T與H30T夜視相關規格比較

這場尚未結束的戰爭,有論壇總結前線對夜戰相關經驗反饋的訊息,認為熱成像技術無法對應各種實際需求,例如熱感影像無法分辨敵我,無法辨別冷卻未使用的武器,甚至森林中引擎已冷卻的軍用車輛也難以辨識,所以前線回饋簡易的無人機在夜晚執行偵蒐任務收穫不大,或有時導致誤判,因此要求光學相機的夜視能力需要加強;此外有單位自行改造紅外光源,能識別手勢進行簡易IFF(敵我識別)等等,這些意見很可能是DJI將相關機種改進的推手。

作者模擬暗夜場景,以熱感相機及低照度光學相機分別對200公尺外林中未發動的戰車進行拍攝,發現熱成像幾乎無法識別裝甲車的存在,而低照度光學相機所捕捉的影像中,戰車很容易被忽略或難以判斷敵我(尤其在俄烏戰場雙方都使用俄製裝備),但是使用紅外線輔助光源後,戰車的輪廓與細節清晰可見,敵我識別及型號判斷明顯不成問題。這項模擬應可證實前述戰場經驗為真。

圖:(左)無輔助光源低照度光學影像對比熱成像;(右)有紅外輔助光源下光學影像對比熱成像。個圖左下角彩色影像為熱成像。

此外,還有反應熱成像無法穿透玻璃,導致熱成像無法判斷車輛內是否有藏人,或是車內人員是否有敵意行為等,這是熱成像的原理使然,因此光靠熱成像無法遂行任務。近年更有針對熱成像技術的"熱偽裝",如利用隔熱紡織物或刻意產生特定發熱特徵來達到欺瞞熱成像技術的目的,也是值得注意的趨勢。

作者曾與日本相機大廠技術人員討論此事,對方的專業意見是各種成像技術本就有各自優缺點,若是他們來做,必然需要在載具上裝置不同技術互相截長補短,甚至像美國採用融合技術整合光學影像及熱成像,以得到無疏漏的結果。

四、使用輔助光源延伸偵蒐距離的戰術價值討論

以上論述概略說明作者推論DJI在Zenmuse產品系列進行夜視能力改進的原因,以下也討論這些改進的弱點:距離。

H30T的紅外線輔助燈照射距離為100公尺,S1的極限照射距離為500公尺,這個數據相較現今光學相機實用的2公里工作距離明顯不足。雖然節能、體積及重量的考量可能是DJI權衡的原因,然而以今日科技來看,未必是無法改善的。

例如作者公司推出的輕型無人機輔助燈光FA-1x1系列,重量約300餘克(含自用電池),照射距離可達300-600公尺;1500公克的強化版本可以在有線耗能下,照射1200公尺的距離。以延伸的距離進行偵蒐,應該比DJI的規格有效且隱蔽。

五、結語

H30T 新增紅外補光燈,並非對原有功能的例行改進,而是因應真實作戰環境的深思熟慮。在多感測器架構下,紅外主動照明依然是不可或缺的輔助模組,對戰術效率與任務達成有實質幫助。