Ich habe schon zu viele 40fach-Zoom-Kameras gesehen, die bei einem fahrenden Auto nicht scharf stellen konnten. Das Bild bleibt sekundenlang unscharf. Dieses unscharfe Bildmaterial ist unbrauchbar. Und es kostet richtig Geld, wenn ein Projekt bei der Inspektion durchfällt.
PDAF (Phase Detection Autofocus) ist bei Kameras mit hohem Zoomfaktor etwa 5 bis 10 Mal schneller als der Kontrasterkennungs-AF. Die Kontrasterkennung benötigt in der Regel 1 bis 3 Sekunden, um bei vollem Zoom den Fokus zu finden. PDAF erledigt die gleiche Aufgabe in 0,1 bis 0,3 Sekunden. Dieser Geschwindigkeitsunterschied ist besonders wichtig, wenn Sie sich bewegende Ziele auf große Entfernung verfolgen.
Vergleich der Autofokus-Geschwindigkeit zwischen PDAF und Kontrasterkennung bei PTZ-Kameras mit hohem Zoomfaktor
Im Folgenden gehe ich genau darauf ein, warum es diesen Geschwindigkeitsunterschied gibt, wie er sich auf Ihre Überwachungsergebnisse in der Praxis auswirkt und was Sie Ihren Lieferanten fragen sollten, bevor Sie sich zum Kauf verpflichten. Wenn Sie PTZ-Kameras mit 30fachem Zoom oder mehr einsetzen, ist dies die wichtigste Autofokus-Entscheidung, die Sie in diesem Jahr treffen werden.
Kann der PDAF den “Jagd”-Effekt beim Zoomen auf ein sich bewegendes Ziel verringern?
Ich habe das schon auf Dutzenden von Baustellen erlebt. Sie zoomen mit 40facher Vergrößerung in ein Fahrzeug hinein, und das Objektiv fängt an, hin und her zu pulsieren. Das Bild wird erst scharf, dann weich, dann wieder scharf. Diese pulsierende Unschärfe nennt man “Hunting”. Dadurch werden die Aufnahmen für die Erfassung von Nummernschildern oder die Gesichtserkennung unbrauchbar.
Ja, mit PDAF wird der Jagd-Effekt nahezu eliminiert. Er berechnet die exakte Entfernung zum Ziel in einem Schritt, sodass das Objektiv direkt auf die richtige Position fährt. Die Kontrasterkennung muss hin und her scannen, um den schärfsten Punkt zu finden, was die sichtbare pulsierende Unschärfe auf dem Bildschirm verursacht.
PDAF zur Verringerung des Jagdeffekts bei bewegten Zielen bei hohem Zoom
Warum findet die Jagd überhaupt statt?
Jagen ist kein Fehler. Es ist wie Kontrasterfassung AF 1 funktioniert nach Plan. Das System bewegt das Objektiv nach vorne, prüft, ob das Bild schärfer geworden ist, und bewegt es dann weiter oder kehrt die Richtung um. Im Weitwinkelbereich ist dieser Vorgang schnell, weil die Schärfentiefe groß ist. Das Objektiv findet den scharfen Bereich schnell.
Aber bei einem 33- oder 40-fachen Zoom wird die Schärfentiefe hauchdünn. Der scharfe Bereich kann bei einer Entfernung von 200 Metern nur noch wenige Zentimeter tief sein. Daher muss das Kontrasterkennungssystem sehr kleine, sehr präzise Bewegungen ausführen. Jede Bewegung braucht Zeit. Und wenn sich das Ziel bewegt - ein Auto, das über eine Kreuzung fährt, eine Person, die über einen Parkplatz läuft - ändert sich der richtige Fokuspunkt ständig, während das Objektiv noch sucht.
Dadurch entsteht eine Rückkopplungsschleife. Das Objektiv bewegt sich, das Ziel bewegt sich, das Objektiv muss von vorne beginnen. Auf dem Bildschirm sehen Sie dies als ständiges Pulsieren zwischen scharf und unscharf.
Wie PDAF die Schleife durchbricht
PDAF verwendet eine völlig andere Methode. Spezielle Pixel auf dem Bildsensor werden in Paare aufgeteilt. Jedes Paar betrachtet denselben Punkt aus einem leicht unterschiedlichen Winkel. Durch die Messung des Abstands zwischen diesen beiden Ansichten (der “Phasendifferenz”) weiß der Prozessor sofort Bescheid:
- Welche Richtung das Objektiv muss sich bewegen
- Wie weit das Objektiv muss sich bewegen
Es gibt kein Ausprobieren mehr. Das Objektiv fährt mit einer Bewegung direkt in die Zielposition.
Vergleich auf der Jagd: CDAF vs. PDAF bei hohem Zoom
| Faktor | Kontrasterfassung (CDAF) | Phasendetektion (PDAF) |
|---|---|---|
| Fokus-Methode | Vor und zurück scannen | Berechnung in einem Schritt |
| Typische Jagdzyklen bei 40X | 3-7 Pässe | 0-1 Pässe |
| Zeit zum Erfassen eines beweglichen Ziels | 1,0-3,0 Sekunden | 0,1-0,3 Sekunden |
| Sichtbare Unschärfe pulsierend | Häufig und offensichtlich | Selten oder keine |
| Erfolgsquote bei schwachem Licht | Fällt deutlich ab | Bleibt relativ stabil |
Für einen Systemintegrator, der Kameras an Autobahnauffahrten oder stark befahrenen Kreuzungen einsetzt, ist dieser Unterschied nicht akademisch. Es ist der Unterschied zwischen dem Erfassen eines lesbaren Nummernschildes und dem Erfassen eines unscharfen Bildes.
Ein praktischer Test, den Sie durchführen können
Wenn Sie eine PTZ-Probe beurteilen, versuchen Sie Folgendes: Stellen Sie den Zoom auf Maximum, richten Sie die Kamera auf ein etwa 150 Meter entferntes Auto und schwenken Sie dann schnell auf ein anderes Auto in einer anderen Entfernung. Zählen Sie die Sekunden, bis das neue Auto scharf ist. Wenn Sie sehen, dass das Bild mehr als einmal pulsiert, bevor es fixiert wird, verlässt sich die Kamera auf die Kontrasterkennung. Ein echtes PDAF-System stellt mit wenig oder gar keinem sichtbaren Ruckeln scharf.
Warum ist die Phasenerkennung (PDAF) für die Echtzeitverfolgung an belebten Kreuzungen unerlässlich?
Ich arbeite mit Integratoren zusammen, die PTZ-Kameras über Kreuzungen mit vier Fahrspuren installieren, auf denen sich der Verkehr in verschiedene Richtungen bewegt. Wenn die Kamera ein Fahrzeug verfolgt und dann auf ein anderes umschaltet, bedeutet jede Millisekunde Fokusverzögerung verlorene Bilder. An einer belebten Kreuzung bedeuten verlorene Bilder verlorene Beweise.
Der PDAF ist für die Schnittpunktverfolgung unerlässlich, da er den Fokusabstand kontinuierlich und nicht reaktiv vorhersagt. Während die Kontrasterkennung ihre Suche jedes Mal neu startet, wenn sich die Entfernung des Ziels ändert, berechnet PDAF die neue Position sofort. So bleibt das Bild auch dann scharf, wenn die Kamera zwischen Zielen hin- und herspringt, die sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und Entfernung bewegen.
PDAF-Echtzeitverfolgung an einer belebten Kreuzung mit PTZ-Kamera
Das Kreuzungsproblem: Mehrere Ziele, mehrere Entfernungen
Eine belebte Kreuzung ist eine der schwierigsten Umgebungen für jedes Autofokussystem. Hier ist der Grund dafür:
- Autos fahren mit 30-60 km/h durch den Rahmen
- Die Abstände ändern sich schnell, wenn sich Fahrzeuge nähern und vorbeifahren
- Die Kamera muss möglicherweise von der Verfolgung eines Autos in 80 Metern Entfernung auf die Verfolgung eines Fußgängers in 30 Metern Entfernung umschalten.
- Die Beleuchtung ändert sich ständig - Scheinwerfer, Schatten, Reflexionen auf nassem Asphalt
Der Kontrasterkennungs-AF hat hier seine Schwierigkeiten, da er ein stabiles Bild benötigt, um den Kontrast zu messen. Wenn die Kamera schnell zu einem neuen Ziel schwenkt, wird das Bild während des Schwenks durch Bewegungen verwischt. Das CDAF-System kann erst dann einen zuverlässigen Kontrastwert ermitteln, wenn sich die Kamera nicht mehr bewegt. Es gibt also eine Verzögerung: Die Kamera hält an, das Objektiv sucht, das Bild wird fixiert. Diese Verzögerung kann bei hohem Zoom 1 bis 3 Sekunden betragen.
Bei PDAF muss die Kamera nicht angehalten werden. Er liest die Phasendifferenz in Echtzeit aus den Sensordaten, sogar während eines Schwenks. Das Objektiv passt sich an, während sich die Kamera noch bewegt. Wenn die Kamera das neue Ziel erreicht, ist das Bild bereits scharf oder fast scharf.
Wie AI Tracking und PDAF zusammenarbeiten
Moderne PTZ-Kameras mit AI-Autotracking verwenden Objekterkennungsalgorithmen, um Personen oder Fahrzeuge zu identifizieren und zu verfolgen. Die KI funktioniert jedoch nur gut, wenn das Bild scharf ist. Wenn das Objektiv unscharf ist, verliert die KI das Ziel, weil das unscharfe Bild den Erkennungsalgorithmus unterbricht.
Aus diesem Grund kombinieren unsere Dual-Lens Linkage-Kameras von Loyalty-Secu ein festes Weitwinkelobjektiv mit einem PTZ-Objektiv. Das Weitwinkelobjektiv erkennt das Ziel mithilfe von AI. Dann zoomt das PTZ-Objektiv heran und verfolgt es. Wenn das PTZ-Objektiv PDAF verwendet, erfolgt die Übergabe reibungslos. Wenn es nur Kontrasterkennung verwendet, gibt es eine sichtbare Verzögerung, bei der das gezoomte Bild unscharf ist und der AI-Tracker das Ziel verlieren kann.
Was passiert, wenn AF an einer Kreuzung ausfällt
Die Folgen sind real und teuer:
- Nummernschilder unleserlich: Die Kamera erfasst das Auto, aber das Nummernschild ist bei der Fokussuche unscharf. Das Filmmaterial ist für die Strafverfolgung unbrauchbar.
- Das Projekt scheitert bei der Abnahmeprüfung: Ihr Kunde testet das System, indem er über die Kreuzung fährt. Wenn die Kamera innerhalb des erforderlichen Zeitfensters kein eindeutiges Kennzeichen erfassen kann, ist das Projekt nicht erfolgreich. Sie müssen die Kosten tragen.
- Schädigung des Rufs: Das spricht sich unter Integratoren schnell herum. Ein fehlgeschlagenes Kreuzungsprojekt kann Sie zukünftige Angebote kosten.
Ich habe erlebt, dass Integratoren Verträge im Wert von Zehntausenden von Dollar verloren haben, weil die von ihnen gewählte PTZ-Kamera mit der Echtzeitverfolgung nicht Schritt halten konnte. Die Hauptursache war fast immer die Autofokusgeschwindigkeit.
Verwendet Ihre Kamera einen Hybrid-AF, der die Geschwindigkeit von PDAF mit der Präzision von CDAF kombiniert?
Diese Frage höre ich oft von Ingenieuren, die wissen, dass PDAF schnell ist, sich aber Sorgen über die Präzision bei extremen Zoomstufen machen. Die Frage ist berechtigt. Reiner PDAF ist schnell, aber er ist bei 40fachem Zoom nicht immer pixelgenau. Die besten Systeme nutzen beides.
Ja, High-End-PTZ-Kameras verwenden Hybrid-AF. Das System feuert zunächst den PDAF an, um das Objektiv innerhalb von Millisekunden ungefähr in die richtige Position zu bringen. Dann nimmt die Kontrasterkennung die letzte Feinabstimmung für maximale Schärfe vor. Durch diesen zweistufigen Prozess erhalten Sie PDAF-Geschwindigkeit und CDAF-Präzision in einem einzigen Fokuszyklus.
Hybrid-AF kombiniert PDAF-Geschwindigkeit und CDAF-Präzision in einer PTZ-Kamera
So funktioniert Hybrid AF Schritt für Schritt
Stellen Sie sich das wie beim Einparken eines Autos vor. PDAF ist der Teil, bei dem Sie schnell in die Parklücke fahren. CDAF ist der Teil, bei dem Sie kleine Anpassungen vornehmen, um das Auto perfekt zwischen den Linien zu zentrieren.
Hier ist die Reihenfolge:
- PDAF feuert zuerst. Die Phasenerkennungspixel berechnen die Zielentfernung. Der Objektivmotor fährt direkt zu dieser Position. Dies deckt etwa 95% des gesamten Objektivwegs ab. Dies dauert etwa 50-150 Millisekunden.
- Das CDAF übernimmt. Der Kontrasterkennungsalgorithmus überprüft die Bildschärfe in einem sehr kleinen Bereich um die PDAF-Position. Er nimmt Mikroanpassungen vor - manchmal nur ein paar Mikrometer Objektivbewegung - um die maximale Schärfe zu erreichen. Dies dauert weitere 30-80 Millisekunden.
- Fokus gesperrt. Gesamtzeit von Anfang bis Ende: normalerweise unter 200 Millisekunden.
Ohne die PDAF-Stufe müsste das CDAF-System den gesamten Objektivbereich scannen. Bei einem 40-fachen Zoom ist dieser Bereich sehr groß, und der Scanvorgang dauert 1-3 Sekunden. Da PDAF die Hauptarbeit leistet, muss CDAF nur einen kleinen Teil des Bereichs feinabstimmen.
Wenn reiner PDAF nicht ausreicht
PDAF berechnet die Entfernung anhand der Phasendifferenz. Aber bei sehr langen Brennweiten führt selbst ein kleiner Berechnungsfehler zu einem sichtbaren Fokusfehler. Hier ist der Grund dafür:
- Bei einem 40-fachen Zoom beträgt die Schärfentiefe bei 200 Metern vielleicht nur 0,5 Meter.
- Ein PDAF-Berechnungsfehler von nur 2% könnte den Fokuspunkt außerhalb dieses 0,5-Meter-Fensters setzen.
- Das Bild sieht “fast scharf” aus, ist aber nicht scharf genug für die Gesichtserkennung oder das Lesen von Nummernschildern.
Hier kommt der CDAF-Feinabstimmungsschritt ins Spiel. Sie fängt den letzten 2%-Fehler ab und korrigiert ihn. Das Ergebnis ist ein Bild, das sowohl schnell zu erfassen als auch scharf genug für forensische Zwecke ist.
Vergleich der Hybrid-AF-Leistung
| AF-Typ | Geschwindigkeit bis 95% Focus | Endgültige Präzision | Gesamte Sperrzeit | Bester Anwendungsfall |
|---|---|---|---|---|
| Reines CDAF | 1.0-3.0 s | Ausgezeichnet | 1.0-3.0 s | Statische Szenen, Studio |
| Reiner PDAF | 0.05-0.15 s | Gut | 0.05-0.15 s | Schnelle Action, Sport |
| Hybrid-AF | 0,05-0,15 s (PDAF) + 0,03-0,08 s (CDAF) | Ausgezeichnet | 0.1-0.25 s | Hochzoom-Überwachung |
Worauf Sie in den Spezifikationen der Lieferanten achten sollten
Nicht jeder Anbieter, der von einem “schnellen Autofokus” spricht, verwendet Hybrid-AF. Einige verwenden eine Marketingsprache, die ähnlich klingt, aber etwas anderes bedeutet. Hier ist, worauf Sie achten sollten:
- Eindeutige Erwähnung von “Phasendetektion” oder “PDAF”.” in der Sensor- oder AF-Spezifikation. Wenn in der Spezifikation nur “Autofokus” oder “schneller AF” steht, handelt es sich wahrscheinlich um reinen CDAF.
- Das Sensormodell ist wichtig. Bestimmte Sony STARVIS 2 und STARVIS 2 Sensoren verfügen über On-Chip-PDAF-Pixel. Erkundigen Sie sich bei Ihrem Lieferanten, welchen Sensor die Kamera verwendet, und prüfen Sie dann, ob dieser Sensor PDAF unterstützt.
- Fragen Sie nach der AF-Architektur. Handelt es sich um einen reinen PDAF, einen reinen CDAF oder einen Hybrid-AF? Ein guter Hersteller wird Ihnen genau sagen, wie seine AF-Pipeline funktioniert.
Bei Loyalty-Secu verwenden wir Hybrid AF in unseren 38X und 40X Zoom-Modulen. Wir sind gerne bereit, die technische Architektur mit jedem Integrator zu teilen, der danach fragt. Wir glauben, dass Transparenz Vertrauen schafft.
Wie viele Millisekunden dauert es, bis meine 40X-Kamera mit PDAF scharfgestellt hat?
Ich weiß, dass dies die Frage ist, die jeder Ingenieur wirklich beantwortet haben möchte. Keine Theorie. Nicht “es kommt darauf an”. Eine Zahl. Ich respektiere das, also lassen Sie mich Ihnen die ehrlichste Antwort geben, die ich geben kann.
Eine ausgereifte 40X-PTZ-Kamera mit PDAF oder Hybrid-AF stellt bei normaler Beleuchtung (3.000-5.000 Lux) in der Regel in 100 bis 300 Millisekunden scharf. Bei schwachem Licht (10-50 Lux) sind 200 bis 500 Millisekunden zu erwarten. Reine Kontrasterkennungskameras benötigen unter denselben Bedingungen 1.000 bis 3.000 Millisekunden - das ist 5 bis 10 Mal langsamer.
40X PTZ Kamera PDAF Fokussperre Zeitmessung
Warum es keine einzige universelle Zahl gibt
Ich wünschte, ich könnte “genau 127 Millisekunden” sagen. Aber die Zeit der Schärfespeicherung hängt von mehreren Variablen ab, die sich von Aufnahme zu Aufnahme ändern:
- Ausgangsposition des Objektivs: Wenn sich das Objektiv bereits in der Nähe der richtigen Fokusentfernung befindet, ist die Verriegelungszeit kürzer. Wenn es von der minimalen Fokusentfernung bis zur Unendlichkeit reisen muss, dauert es länger.
- Zielkontrast: Ein weißes Auto auf einer dunklen Straße ist einfach. Eine graue Wand vor einem grauen Himmel ist schwierig. Kontrastarme Ziele bremsen selbst PDAF-Systeme aus.
- Beleuchtungsstärke: Mehr Licht bedeutet ein stärkeres Signal für die Phasenerkennungspixel. Weniger Licht bedeutet mehr Rauschen, was den Algorithmus dazu zwingt, mehr Bilder zu mitteln, bevor er eine Entscheidung trifft.
- Geschwindigkeit des Objektivmotors: Der AF-Algorithmus kann die Zielposition in Mikrosekunden berechnen, aber der Motor braucht immer noch Zeit, um die Linsenelemente physisch zu bewegen. Schwereres Glas (wie bei 40fach-Zoomobjektiven üblich) erfordert stärkere und präzisere Motoren.
Zeitspannen für den Fokus in der realen Welt
Auf der Grundlage von Tests mit mehreren PTZ-Modulen können Sie die folgenden Reichweiten realistischerweise erwarten:
| Zustand | PDAF/Hybrid-AF | Reines CDAF |
|---|---|---|
| Helles Tageslicht, kontrastreiches Ziel | 80-150 ms | 500-1.200 ms |
| Helles Tageslicht, kontrastarmes Ziel | 150-300 ms | 1.000-2.000 ms |
| Schwaches Licht (50 Lux), kontrastreiches Ziel | 200-400 ms | 1.500-3.000 ms |
| Schwaches Licht (10 Lux), kontrastarmes Ziel | 300-600 ms | 2.000-5.000 ms oder Ausfall |
| Volle Dunkelheit mit IR-Beleuchtung | 250-500 ms | Sperrt oft nicht |
Diese Zahlen stammen aus Prüfstandstests, bei denen die Kamera bei einem extremen Fokus beginnt und ein Ziel in einer bekannten Entfernung erfassen muss. Die Ergebnisse in der Praxis werden davon abweichen, aber das Verhältnis zwischen PDAF und CDAF bleibt in etwa gleich: Der PDAF ist je nach Bedingungen 3 bis 10 Mal schneller.
Wie Sie dies selbst testen können
Wenn Sie eine Musterkamera erhalten, finden Sie hier ein einfaches Testprotokoll:
- Montieren Sie die Kamera auf einer stabilen Oberfläche
- Zoom auf Maximum einstellen (40X)
- Richten Sie die Kamera auf ein etwa 100-200 Meter entferntes Ziel (ein Schild mit Text eignet sich gut)
- Manuelles Defokussieren des Objektivs vollständig
- Autofokus auslösen und eine Stoppuhr starten (oder den Bildschirm aufzeichnen und später die Bilder zählen)
- Notieren Sie die Zeit, bis der Text auf dem Schild lesbar wird
Führen Sie diesen Test fünfmal durch und ermitteln Sie den Durchschnitt der Ergebnisse. Führen Sie den Test dann noch einmal bei Nacht durch, wenn nur die Straßenlaterne leuchtet. Vergleichen Sie Ihre Ergebnisse mit der obigen Tabelle. Wenn die Kamera bei Tageslicht mehr als 1 Sekunde braucht, um bei vollem Zoom zu verriegeln, arbeitet sie mit ziemlicher Sicherheit mit reiner Kontrasterkennung, unabhängig davon, was in den Marketingunterlagen steht.
Warum Millisekunden für Ihr Unternehmen wichtig sind
Für einen Integrator wie David ist die Fokusgeschwindigkeit keine Zahl auf dem Datenblatt. Sie ist ein geschäftlicher Risikofaktor.
Wenn Ihre Kamera an einer Toreinfahrt 2 Sekunden braucht, um den Fokus zu setzen, und ein Auto in 3 Sekunden durchfährt, haben Sie nur 1 Sekunde scharfes Bildmaterial. Das sind vielleicht nicht genug Bilder für eine zuverlässige ANPR-Software 3. Ihre ANPR-Software benötigt mindestens 2-3 klare Bilder, um ein Kennzeichen zu bestätigen. Eine PDAF-Kamera, die in 200 Millisekunden einrastet, liefert Ihnen 2,8 Sekunden scharfes Bildmaterial - genug für mehrere bestätigte Lesungen.
Deshalb sage ich unseren Partnern immer: Testen Sie die Fokusgeschwindigkeit, bevor Sie sich zu einem Großauftrag verpflichten. Die wenigen Stunden, die Sie mit dem Testen verbringen, ersparen Ihnen monatelange Kopfschmerzen durch fehlgeschlagene Einsätze.
Schlussfolgerung
PDAF ist bei hohem Zoom 5 bis 10 Mal schneller als Kontrasterkennung. Für jede PTZ-Kamera mit mehr als 30-fachem Zoom ist sie nicht optional, sondern unerlässlich. Testen Sie es selbst, bevor Sie es kaufen.
1. Kontrasterkennungs-Autofokus-Scan-Algorithmus erklärt. ︎ 2. Details zur Implementierung der PDAF-Pixel des Sony STARVIS-Sensors. ︎ 3. Anforderungen an die Qualität der ANPR-Rahmen für die Kennzeichenerkennung. ︎ 4. Berechnung der Schärfentiefe bei 40fachem Zoom und großer Reichweite. ︎ 5. Phasendetektions-Autofokus-Optik und Split-Pixel-Design. ︎ 6. Verschlechterung der AF-Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen in CDAF-Systemen. ︎ 7. Optimierung der Übergabe-Latenzzeit bei der AI-Verfolgung mit zwei Linsen. ︎ 8. Hybride AF-Technik für Überwachungskameras mit hohem Zoomfaktor. ︎ 9. Geschwindigkeit des Objektivmotors und Sprungantwort im Telebereich. ︎ 10. Methodik zur Messung der Schärfenverriegelungszeit bei PTZ-Tests. ︎