Una vez perdí un proyecto porque la cámara se veía muy bien en gran angular pero se volvía casi ciega con el zoom al máximo. Ese error me costó miles de euros.
Cuando una cámara PTZ alcanza su máxima distancia focal, el número F aumenta y el objetivo deja pasar mucha menos luz. Una PTZ típica de 30 aumentos pasa de F1,6 en gran angular a F4,8 en teleobjetivo. Esto significa que sólo 1/9 de la luz original llega al sensor con el zoom al máximo.
Reducción de la apertura de la cámara PTZ con el zoom al máximo
Ésta es una de las especificaciones que más se pasan por alto en la selección de una cámara PTZ. La mayoría de las hojas de datos muestran la mejor apertura en el extremo ancho. Pero el rendimiento real que importa para su proyecto se produce en el extremo teleobjetivo. A continuación, desgloso cada uno de los aspectos de este problema para que pueda tomar una decisión de compra más inteligente.
¿Por qué mi imagen se oscurece considerablemente cuando utilizo el zoom 40X?
Recuerdo la primera vez que puse al límite una PTZ de 40X por la noche. La imagen se vino abajo. Pasó de nítida a oscura y ruidosa en cuestión de segundos.
La imagen se oscurece porque la abertura efectiva disminuye al aumentar la distancia focal. El barrilete del objetivo tiene un diámetro físico fijo, por lo que no puede recoger suficiente luz para seguir el ritmo de la mayor distancia focal. Esto provoca un descenso significativo de la luminosidad con el zoom al máximo.
Oscurecimiento de la imagen de la cámara PTZ con el zoom al máximo
La física del oscurecimiento
La razón principal es matemática. El número F de un objetivo es igual a la distancia focal dividida por el diámetro de la pupila de entrada. Ésta es la fórmula:
F = f / D
Dónde f es la distancia focal y D es el diámetro de la pupila de entrada. Cuando haces zoom de gran angular a teleobjetivo, f puede aumentar 30 o 40 veces. Pero el cristal de la parte frontal del objetivo no se amplía 30 veces. El tambor del objetivo sigue siendo del mismo tamaño. Así que D crece sólo un poco, mientras que f crece mucho. El resultado es un número F mucho mayor en el extremo teleobjetivo.
¿Cómo se ve esto en cifras reales?
Te lo mostraré con un ejemplo real. Tomemos un objetivo PTZ 30X común con un rango de distancia focal de 4,5-135 mm y un rango de apertura de F1,6-F4,4.
| Posición del zoom | Distancia focal | Apertura máxima (número F) | Entrada relativa de luz |
|---|---|---|---|
| Ancho (1X) | 4,5 mm | F1.6 | 100% |
| Medio (15X) | ~67 mm | ~F3.0 | ~28% |
| Tele (30X) | 135 mm | F4.4 | ~13% |
En el gran angular, F1.6 deja pasar mucha luz. En el teleobjetivo, F4.4 sólo deja pasar 13% de esa luz. Es un descenso enorme.
Por qué la cámara intenta compensar (y a menudo falla)
Cuando baja la luz, el ISP (Procesador de Señal de Imagen) de la cámara intenta arreglar las cosas automáticamente. Hace dos cosas. En primer lugar, aumenta la ganancia. Esto amplifica la señal, pero también el ruido. En segundo lugar, reduce la velocidad de obturación. Esto permite que entre más luz por fotograma, pero provoca desenfoque de movimiento. Ninguna de las dos soluciones es gratuita. O se obtiene una imagen con ruido o una imagen borrosa. Por la noche, con F4.4 o F4.8, el sensor no recibe suficientes fotones. Ningún software puede crear detalles de la nada. Por eso siempre les digo a mis clientes que prueben sus cámaras con el zoom al máximo con poca luz antes de comprometerse a comprarlas. La demostración del gran angular es fantástica. La realidad del teleobjetivo es lo que importa.
¿Cuál es el número F de mi objetivo en el teleobjetivo y en el gran angular?
Antes sólo me fijaba en el primer número de la apertura. Fue un error. El segundo número es el que determina el rendimiento nocturno a distancia.
La mayoría de los objetivos PTZ 20X-30X tienen una apertura de gran angular de F1,6 y una apertura de teleobjetivo entre F4,0 y F5,0. Esto significa que el objetivo pierde aproximadamente 3 pasos completos de luz de gran angular a teleobjetivo, lo que reduce la entrada de luz a aproximadamente 1/8 de la cantidad original. Esto significa que el objetivo pierde aproximadamente 3 pasos completos de luz de gran angular a teleobjetivo, reduciendo la entrada de luz a aproximadamente 1/8 de la cantidad original.
Comparación del número F de una cámara PTZ: gran angular y teleobjetivo
Cómo leer correctamente la hoja de especificaciones
Cuando veas las especificaciones de una cámara PTZ como “4,5-148,5 mm, F1,6-F4,8”, los dos números F cuentan dos historias muy diferentes. F1.6 es el mejor caso. F4.8 es el peor caso. Y el peor caso es exactamente el escenario que más le interesa: zoom máximo, de noche, sobre un objetivo a 300 metros de distancia.
Comparaciones de apertura en el mundo real entre los modelos PTZ más populares
He aquí una comparación de los módulos de cámara PTZ típicos con los que he trabajado a lo largo de los años:
| Tipo de modelo de cámara | Alcance del zoom | Apertura gran angular | Apertura telescópica | Pérdida de luz (paradas) | Luz restante |
|---|---|---|---|---|---|
| 20X PTZ estándar | 4,7-94 mm | F1.6 | F3.5 | ~2,3 paradas | ~20% |
| 30X PTZ de alcance medio | 4,5-135 mm | F1.6 | F4.4 | ~2,9 paradas | ~13% |
| PTZ de gran zoom 33X | 4,5-148,5 mm | F1.6 | F4.8 | ~3,2 paradas | ~11% |
| PTZ de largo alcance 40X | 4,3-170 mm | F1.8 | F5.4 | ~3,2 paradas | ~11% |
El significado de “paradas” en lenguaje sencillo
Cada “parada” de luz significa que la luz se reduce a la mitad. Así, 1 “stop” menos = 50% de luz. Dos paradas menos = 25% de luz. Tres paradas menos = unos 12% de luz. Cuando explico esto a clientes como David, lo digo de forma sencilla: "Con el zoom al máximo, tu cámara sólo ve una octava parte de la luz que tenía con el gran angular. Es como pasar de una oficina bien iluminada a un pasillo con poca luz".”
Por qué el número de teleobjetivo es su verdadera referencia
La gran apertura es fácil de hacer grande. Es barata. En el teleobjetivo, la ingeniería es más cara. Para mantener el número F bajo en el extremo teleobjetivo, se necesitan elementos de cristal de mayor diámetro. Se necesitan lente asférica 1 diseños. Se necesitan revestimientos más precisos. Todo esto añade costes. Cuando diseño nuestros módulos de cámara en Loyalty-Secu, presiono a nuestros ingenieros ópticos para que mantengan la apertura del teleobjetivo lo más baja posible, aunque eso signifique utilizar cristales más grandes y caros. Porque sé que mis clientes compran estas cámaras por lo que pueden ver con el zoom al máximo, no con gran angular. Una PTZ 30X con F1.6-F3.5 en el extremo tele siempre ganará a una PTZ 40X con F1.8-F5.4 en condiciones nocturnas reales.
¿Cómo puedo mantener una imagen nítida de noche cuando el diafragma se estrecha al hacer zoom?
He instalado cámaras PTZ en campos petrolíferos remotos donde la farola más cercana está a 16 kilómetros. Si la cámara no puede ver con el zoom al máximo en la oscuridad total, es inútil.
Para mantener una imagen nítida por la noche con el zoom al máximo, necesitas una iluminación IR o láser sincronizada que estreche el ángulo de su haz para adaptarse al campo de visión del objetivo. También se necesita un sensor de imagen de gran tamaño (1/1,8″ o superior) para capturar más fotones por píxel con la abertura reducida.
Cámara PTZ de visión nocturna con iluminación láser IR a zoom máximo
Los tres pilares del rendimiento nocturno a todo gas
Hay tres cosas que trabajan juntas para darte una imagen utilizable con el zoom al máximo en la oscuridad. Yo los llamo los tres pilares.
Pilar 1: Iluminación sincronizada
Una buena cámara PTZ no sólo tiene LEDs IR pegados en la parte frontal. Tiene iluminación IR o láser que hace zoom con el objetivo. Cuando el objetivo está en gran angular, la luz IR se extiende ampliamente. Cuando el objetivo pasa a teleobjetivo, el haz de infrarrojos se estrecha en un foco apretado. Esto concentra la energía infrarroja en la pequeña área que la cámara está mirando realmente. Sin esto, la luz IR desperdicia su potencia iluminando zonas fuera del campo de visión.
En Loyalty-Secu, nuestros modelos PTZ de largo alcance utilizan cámaras de alta potencia iluminadores láser 2 clasificado para 800 metros. El ángulo del rayo láser se ajusta automáticamente al hacer zoom. Esto significa que con un zoom de 40X, toda la energía del láser se concentra en el área exacta que ve la cámara. Este es el factor más importante para obtener una imagen nocturna nítida con el zoom al máximo.
Pilar 2: El tamaño del sensor importa
Un sensor más grande tiene píxeles más grandes. Los píxeles más grandes recogen más luz. Un sensor de 1/1,8″ recoge aproximadamente 2 veces más luz por píxel que un sensor de 1/2,8″, en igualdad de condiciones. Cuando el diafragma desciende a F4.8, cada pizca de capacidad de captación de luz adicional es importante. Siempre recomiendo sensores de 1/1,8″ o más para cualquier proyecto que requiera un rendimiento nocturno importante a larga distancia.
Pilar 3: Procesamiento inteligente de ISP
Los ISP modernos utilizan la reducción temporal del ruido (3D-DNR) y el apilamiento de fotogramas para limpiar las imágenes ruidosas. Pero estos algoritmos tienen límites. Funcionan mejor cuando tienen una señal razonable para empezar. Si la imagen es demasiado oscura, ningún ISP puede salvarla. Así que el ISP es la última línea de defensa, no la primera.
Qué preguntar a su proveedor
Cuando hable con un fabricante chino de PTZ, hágale estas preguntas:
- ¿Cuál es la distancia de iluminación IR o láser con el zoom al máximo?
- ¿Se sincroniza el ángulo del haz de infrarrojos con el zoom del objetivo?
- ¿Qué tamaño de sensor utiliza?
- ¿Puede proporcionar imágenes de muestra nocturnas reales con el zoom al máximo, no sólo con gran angular?
Si no pueden responder claramente a estas preguntas, siga adelante.
¿Compensa eficazmente el control de ganancia de mi cámara la pérdida de luz con el zoom alto?
He visto demasiadas cámaras que ponen la ganancia al máximo y lo llaman “rendimiento a la luz de las estrellas”. El resultado es una imagen brillante llena de ruido que es completamente inútil para la identificación.
El control de ganancia puede compensar parcialmente la pérdida de luz con un zoom alto, pero introduce ruido que degrada la calidad de la imagen. Cada 6 dB de ganancia se duplica aproximadamente el brillo, pero también se duplica el ruido visible. A partir de cierto punto, la imagen se vuelve demasiado ruidosa para una identificación o grabación útiles.
Comparación del ruido de ganancia de una cámara PTZ con distintos niveles de zoom
Cómo funciona la ganancia (y dónde se rompe)
La ganancia es una amplificación electrónica. El sensor capta una señal débil y el ISP la multiplica para dar más brillo a la imagen. Es como subir el volumen de una radio. Si la señal original es limpia, subir el volumen funciona bien. Pero si hay estática, al subir el volumen la estática también se hace más fuerte.
En términos fotográficos, la “estática” es el ruido del sensor. Todo sensor de imagen tiene un ruido de fondo. Cuando el nivel de luz disminuye a pleno zoom, la señal de la imagen real se acerca a este ruido de fondo. Al añadir ganancia, se amplifican por igual la señal y el ruido. El resultado es una imagen brillante pero granulada.
Ganancia frente a calidad de imagen
| Nivel de ganancia | Aumento del brillo | Nivel de ruido | Usabilidad para la identificación |
|---|---|---|---|
| 0 dB (base) | 1X | Bajo | Excelente |
| 6 dB | 2X | Moderado | Bien |
| 12 dB | 4X | Alta | Feria |
| 18 dB | 8X | Muy alta | Pobre |
| 24 dB+ | 16X+ | Extremo | Inutilizable |
En el extremo teleobjetivo con F4.8, la cámara ya ha perdido unos 3 pasos de luz. Para compensar, el AGC (Control Automático de Ganancia) necesita añadir aproximadamente 9 dB de ganancia sólo para igualar el brillo del extremo ancho. Eso te empuja a la zona de “Alto ruido” incluso antes de tener en cuenta la baja luz ambiental por la noche.
Por qué las especificaciones “Starlight” pueden ser engañosas
Muchos fabricantes chinos anuncian un rendimiento de “0,001 lux a la luz de las estrellas”. Pero esta cifra se mide en el extremo gran angular con máxima ganancia y obturación lenta. Con el zoom al máximo y F4.8, la iluminación mínima efectiva es entre 5 y 8 veces peor. Así que esa cámara de “0,001 lux” en realidad necesita unos 0,005-0,008 lux con el zoom al máximo para producir la misma calidad de imagen. Esto sigue siendo impresionante, pero no es lo que sugiere la cifra del titular.
Lo que recomiendo a mis clientes
A los clientes como David siempre les digo: “No te fíes sólo de las especificaciones de iluminación mínima. Pregunta específicamente por las especificaciones del teleobjetivo. Y pide siempre un vídeo de muestra nocturno con el zoom al máximo”. En Loyalty-Secu, proporcionamos cifras de iluminación mínima independientes tanto para el extremo gran angular como para el teleobjetivo. También compartimos imágenes nocturnas reales grabadas con el zoom al máximo para que nuestros clientes puedan juzgar por sí mismos la calidad de la imagen antes de hacer el pedido. Esta transparencia ahorra tiempo a todos y evita fracasos en los proyectos.
El papel del obturador lento
Algunas cámaras utilizan un obturador lento (también llamado de larga exposición) para recoger más luz. Esto funciona para escenas estáticas. Pero si su objetivo es un vehículo en movimiento o una persona caminando, el obturador lento crea desenfoque de movimiento. Para aplicaciones de seguridad, generalmente recomiendo mantener la velocidad de obturación a 1/30s o superior. Si es más lenta, se pierde la capacidad de capturar rostros o matrículas en movimiento. Esto significa que no se puede confiar en la obturación lenta para solucionar el problema de la pérdida de apertura. Se necesitan soluciones ópticas reales: mejor cristal, sensores más grandes e iluminación IR adecuada.
Conclusión
Compruebe siempre la apertura del teleobjetivo, no sólo el número del gran angular. Empareje su PTZ con iluminación IR sincronizada y un sensor de gran tamaño para obtener un rendimiento nocturno real con el zoom al máximo.
1. Diseño de lente asférica para mejorar la transmisión de la luz del teleobjetivo. ︎ 2. PTZ láser Loyalty-Secu para iluminación sincronizada a distancia. ︎ 3. Relación entre la pupila de entrada y el número F en los objetivos zoom. ︎ 4. Penalización del ruido de ganancia del AGC en imágenes con poca luz. ︎ 5. Comparación del tamaño de los píxeles del sensor de 1/1,8″ frente al de 1/2,8″. ︎ 6. Reducción temporal del ruido 3D-DNR a altos niveles de ganancia. ︎ 7. Interpretación mínima de las especificaciones de iluminación en el extremo teleobjetivo. ︎ 8. Sincronización del ángulo del haz de iluminación láser con el zoom PTZ. ︎ 9. Limitaciones de desenfoque de movimiento a velocidades de obturación inferiores a 1/30s. ︎ 10. Revestimientos de vidrio óptico para mejorar la transmisión en teleobjetivo. ︎