¿Cuánto más rápido es el PDAF que la detección de contraste en las cámaras con zoom alto?

He visto demasiadas cámaras con zoom 40X que no consiguen enfocar un coche en movimiento. La imagen permanece borrosa durante segundos. Esas imágenes borrosas no sirven para nada. Y cuesta mucho dinero cuando un proyecto no pasa la inspección.

El PDAF (enfoque automático por detección de fase) es entre 5 y 10 veces más rápido que el AF por detección de contraste en las cámaras con zoom alto. La detección de contraste suele necesitar de 1 a 3 segundos para enfocar con el zoom al máximo. PDAF hace el mismo trabajo en 0,1 a 0,3 segundos. Esta diferencia de velocidad es más importante cuando se siguen objetivos en movimiento a larga distancia.

Comparación entre la velocidad de enfoque automático PDAF y la detección de contraste en cámaras PTZ de gran zoom

A continuación, explico exactamente por qué existe esta diferencia de velocidad, cómo afecta a sus resultados de vigilancia en el mundo real y qué debe preguntar a su proveedor antes de comprometerse a comprar. Si utiliza cámaras PTZ con un zoom de 30X o superior, esta es la decisión más importante sobre el enfoque automático que tomará este año.

¿Puede el PDAF reducir el efecto “caza” cuando me acerco con el zoom a un objetivo en movimiento?

Lo he visto en docenas de obras. Te acercas a un vehículo a 40X, y la lente comienza a pulsar hacia adelante y hacia atrás. La imagen se vuelve nítida, luego suave, y luego nítida de nuevo. Esa borrosidad pulsante se llama “caza”. Hace que las imágenes sean inútiles para capturar matrículas o para el reconocimiento facial.

Sí, el PDAF casi elimina el efecto de caza. Calcula la distancia exacta al objetivo en un solo paso, por lo que el objetivo se mueve directamente a la posición correcta. La Detección de Contraste debe escanear hacia adelante y hacia atrás para encontrar el punto más nítido, lo que provoca ese visible desenfoque pulsante en la pantalla.

PDAF que reduce el efecto de caza en objetivos en movimiento con zoom alto

¿Por qué se caza en primer lugar?

La caza no es un defecto. Es cómo AF con detección de contraste ¹ funciona por diseño. El sistema mueve el objetivo hacia delante, comprueba si la imagen es más nítida y, a continuación, lo mueve más lejos o invierte la dirección. En gran angular, este proceso es rápido porque la profundidad de campo es grande. El objetivo encuentra rápidamente la zona nítida.

Sin embargo, con un zoom de 33X o 40X, la profundidad de campo es muy reducida. La zona nítida puede tener sólo unos centímetros de profundidad a 200 metros de distancia. El sistema de detección del contraste tiene que realizar movimientos muy pequeños y precisos. Cada movimiento lleva su tiempo. Y si el objetivo está en movimiento -un coche atravesando un cruce, una persona caminando por un aparcamiento-, el punto de enfoque correcto sigue cambiando mientras el objetivo sigue buscando.

Esto crea un bucle de retroalimentación. La lente se mueve, el objetivo se mueve y la lente tiene que volver a empezar. Esto se ve en la pantalla como una pulsación constante entre nítido y borroso.

Cómo el PDAF rompe el bucle

PDAF utiliza un método completamente diferente. Los píxeles especiales del sensor de imagen se dividen en pares. Cada par mira el mismo punto desde un ángulo ligeramente distinto. Al medir la distancia entre estas dos vistas (la “diferencia de fase”), el procesador lo sabe al instante:

• En qué dirección la lente necesita moverse
• A qué distancia la lente necesita moverse

No hay ensayo y error. La lente va directa a la posición del objetivo en un solo movimiento.

Comparación de caza: CDAF vs. PDAF con zoom alto

Factor	Detección del contraste (CDAF)	Detección de fase (PDAF)
Método Focus	Escanear hacia delante y hacia atrás	Cálculo en un solo paso
Ciclos de caza típicos a 40X	3-7 pases	0-1 pases
Hora de fijar el objetivo en movimiento	1,0-3,0 segundos	0,1-0,3 segundos
Pulsación borrosa visible	Frecuentes y evidentes	Raro o ninguno
Tasa de éxito con poca luz	Disminuye significativamente	Se mantiene relativamente estable

Para un integrador de sistemas que instala cámaras en rampas de entrada a autopistas o en cruces muy transitados, esta diferencia no es académica. Es la diferencia entre captar una matrícula legible y captar un borrón.

Una prueba práctica que puede realizar

Cuando evalúes una muestra de PTZ, prueba lo siguiente: pon el zoom al máximo, apunta con la cámara a un coche situado a unos 150 metros de distancia y, a continuación, haz un rápido barrido panorámico hacia otro coche situado a una distancia diferente. Cuenta los segundos hasta que el nuevo coche se vea nítido. Si ves que la imagen pulsa más de una vez antes de bloquearse, la cámara está confiando en la Detección de Contraste. Un verdadero sistema PDAF enfocará con poca o ninguna oscilación visible.

¿Por qué es esencial la detección de fase (PDAF) para el seguimiento en tiempo real en intersecciones muy concurridas?

Trabajo con integradores que instalan cámaras PTZ sobre cruces con cuatro carriles de tráfico moviéndose en diferentes direcciones. Cuando la cámara sigue a un vehículo y luego cambia a otro, cada milisegundo de retardo de enfoque significa fotogramas perdidos. En una intersección con mucho tráfico, los fotogramas perdidos significan pruebas perdidas.

PDAF es esencial para el seguimiento de intersecciones porque predice la distancia de enfoque de forma continua, no reactiva. Mientras que la Detección de Contraste reinicia su búsqueda cada vez que el objetivo cambia de distancia, PDAF calcula la nueva posición al instante. Esto mantiene la nitidez de la imagen incluso cuando la cámara salta entre objetivos que se mueven a diferentes velocidades y distancias.

Seguimiento PDAF en tiempo real en una intersección muy transitada con una cámara PTZ

El problema de la intersección: objetivos múltiples, distancias múltiples

Un cruce con mucho tráfico es uno de los entornos más difíciles para cualquier sistema de enfoque automático. He aquí por qué:

• Los coches se mueven a 30-60 km/h por el cuadro
• Las distancias cambian rápidamente a medida que los vehículos se acercan y pasan
• La cámara puede pasar de seguir a un coche a 80 metros a seguir a un peatón a 30 metros.
• La iluminación cambia constantemente: faros, sombras, reflejos en el pavimento mojado...

El AF de detección de contraste tiene dificultades porque necesita una imagen estable para medir el contraste. Cuando la cámara se desplaza rápidamente hacia un nuevo objetivo, la imagen se difumina durante el desplazamiento. El sistema CDAF no puede obtener una lectura de contraste fiable hasta que la cámara deja de moverse. Por tanto, hay un retardo: la cámara se detiene, el objetivo busca y la imagen se bloquea. Ese retardo puede ser de 1 a 3 segundos con un zoom alto.

PDAF no necesita que la cámara se detenga. Lee la diferencia de fase a partir de los datos del sensor en tiempo real, incluso durante una panorámica. El objetivo se ajusta mientras la cámara sigue en movimiento. Cuando la cámara alcanza el nuevo objetivo, la imagen ya es nítida o casi nítida.

Cómo funcionan juntos el seguimiento por IA y el PDAF

Las cámaras PTZ modernas con seguimiento automático de IA utilizan algoritmos de detección de objetos para identificar y seguir a personas o vehículos. Pero la IA sólo funciona bien cuando la imagen está enfocada. Si el objetivo está cazando, la IA pierde el objetivo porque la imagen borrosa rompe el algoritmo de detección.

Por eso, nuestras cámaras de doble lente de Loyalty-Secu combinan un objetivo gran angular fijo con un objetivo PTZ. El objetivo gran angular localiza el objetivo mediante IA. A continuación, el objetivo PTZ lo acerca y lo rastrea. Si el objetivo PTZ utiliza PDAF, el traspaso es fluido. Si sólo utiliza Detección de Contraste, se produce un retardo visible en el que la imagen ampliada aparece borrosa y el rastreador de IA puede perder el objetivo.

Qué ocurre cuando falla la AF en un cruce

Las consecuencias son reales y caras:

• Matrículas ilegibles: La cámara capta el coche, pero la matrícula aparece borrosa durante la caza del foco. La grabación es inútil para las fuerzas de seguridad.
• El proyecto no supera las pruebas de aceptación: El cliente prueba el sistema conduciendo por el cruce. Si la cámara no puede captar una matrícula despejada en el plazo requerido, el proyecto no se aprueba. Usted asume el coste.
• Daños a la reputación: Las noticias corren rápido entre los integradores. Un proyecto de intersección fallido puede costarle futuros concursos.

He visto a integradores perder contratos por valor de decenas de miles de dólares porque la cámara PTZ que eligieron no podía seguir el ritmo del seguimiento en tiempo real. La causa principal era casi siempre la velocidad de autoenfoque.

¿Su cámara utiliza el AF híbrido para combinar la velocidad del PDAF con la precisión del CDAF?

Esta pregunta me la hacen a menudo ingenieros que saben que el PDAF es rápido, pero les preocupa su precisión en los niveles extremos de zoom. Tienen razón. El PDAF puro es rápido, pero no siempre es un píxel perfecto con un zoom de 40X. Los mejores sistemas utilizan ambos.

Sí, las cámaras PTZ de gama alta utilizan AF híbrido. El sistema dispara PDAF primero para mover la lente a aproximadamente la posición correcta en milisegundos. A continuación, la Detección de Contraste afina el último pequeño ajuste para obtener la máxima nitidez. Este proceso de dos pasos proporciona velocidad PDAF y precisión CDAF en un solo ciclo de enfoque.

AF híbrido que combina velocidad PDAF y precisión CDAF en una cámara PTZ

Cómo funciona el AF híbrido paso a paso

Piense que es como aparcar un coche. PDAF es la parte en la que entras rápidamente en la plaza de aparcamiento. CDAF es la parte en la que haces pequeños ajustes para centrar el coche perfectamente entre las líneas.

Esta es la secuencia:

1. PDAF dispara primero. Los píxeles de detección de fase calculan la distancia al objetivo. El motor del objetivo se desplaza directamente a esa posición. Esto cubre aproximadamente 95% del recorrido total del objetivo. Tarda aproximadamente entre 50 y 150 milisegundos.
2. El CDAF toma el relevo. El algoritmo de detección de contraste comprueba la nitidez de la imagen en un rango muy pequeño alrededor de la posición PDAF. Realiza microajustes -a veces sólo unas micras de movimiento del objetivo- para alcanzar la máxima nitidez. Esto tarda otros 30-80 milisegundos.
3. Enfoque bloqueado. Tiempo total de principio a fin: normalmente menos de 200 milisegundos.

Sin el paso PDAF, el sistema CDAF tendría que escanear todo el rango del objetivo. Con un zoom de 40X, ese rango es grande, y el escaneo tarda de 1 a 3 segundos. Con PDAF haciendo el trabajo pesado, CDAF solo necesita ajustar una pequeña porción del rango.

Cuando el PDAF puro no es suficiente

PDAF calcula la distancia basándose en la diferencia de fase. Pero a distancias focales muy largas, incluso un pequeño error de cálculo se traduce en un error de enfoque visible. He aquí por qué:

• Con un zoom de 40X, la profundidad de campo a 200 metros podría ser de sólo 0,5 metros
• Un error de cálculo PDAF de tan sólo 2% podría situar el punto de enfoque fuera de esa ventana de 0,5 metros
• La imagen parece “casi nítida”, pero no lo suficiente para el reconocimiento facial o la lectura de matrículas.

Aquí es donde importa el paso de ajuste fino del CDAF. Detecta el último error 2% y lo corrige. El resultado es una imagen rápida de adquirir y lo suficientemente nítida para uso forense.

Comparación del rendimiento del AF híbrido

Tipo AF	Velocidad a 95% Focus	Precisión final	Tiempo total de bloqueo	El mejor caso de uso
CDAF puro	1.0-3.0 s	Excelente	1.0-3.0 s	Escenas estáticas, estudio
PDAF puro	0.05-0.15 s	Bien	0.05-0.15 s	Acción rápida, deportes
Híbrido AF	0,05-0,15 s (PDAF) + 0,03-0,08 s (CDAF)	Excelente	0.1-0.25 s	Vigilancia con gran zoom

Qué buscar en las especificaciones de los proveedores

No todos los proveedores que afirman tener un “autoenfoque rápido” utilizan el AF híbrido. Algunos utilizan un lenguaje de marketing que suena parecido pero que significa algo diferente. Esto es lo que hay que tener en cuenta:

• Mención clara de “detección de fase” o “PDAF” en el sensor o en la especificación AF. Si la especificación solo dice “Auto Focus” o “Fast AF”, probablemente sea CDAF puro.
• El modelo de sensor importa. Cierto Sony STARVIS ² y STARVIS 2 tienen píxeles PDAF en el chip. Pregunta a tu proveedor qué sensor utiliza la cámara y comprueba si es compatible con PDAF.
• Pregunte por la arquitectura AF. ¿Es sólo PDAF, sólo CDAF o híbrido? Un buen fabricante te dirá exactamente cómo funciona su canal de AF.

En Loyalty-Secu, utilizamos el AF híbrido en nuestros módulos de zoom 38X y 40X. Estamos encantados de compartir la arquitectura técnica con cualquier integrador que lo solicite. Creemos que la transparencia genera confianza.

¿Cuántos milisegundos tarda mi cámara 40X en bloquear el enfoque con PDAF?

Sé que esta es la pregunta que todo ingeniero quiere que le respondan. No la teoría. No “depende”. Un número. Respeto eso, así que déjame darte la respuesta más honesta que pueda.

Una cámara PTZ 40X bien diseñada con PDAF o AF híbrido suele bloquear el enfoque en 100 a 300 milisegundos con iluminación normal (3.000-5.000 lux). Con poca luz (10-50 lux), entre 200 y 500 milisegundos. En las mismas condiciones, las cámaras con detección pura de contraste tardan entre 1.000 y 3.000 milisegundos, es decir, entre 5 y 10 veces más.

40X Cámara PTZ PDAF Medición del tiempo de bloqueo del enfoque

Por qué no existe un único número universal

Ojalá pudiera decir “exactamente 127 milisegundos”. Pero el tiempo de bloqueo del enfoque depende de varias variables que cambian de una toma a otra:

• Posición inicial de la lente: Si el objetivo ya está cerca de la distancia de enfoque correcta, el tiempo de bloqueo es menor. Si tiene que desplazarse desde la distancia mínima de enfoque hasta el infinito, tarda más.
• Contraste de objetivos: Un coche blanco contra una carretera oscura es fácil. Una pared gris contra un cielo gris es difícil. Los objetivos de bajo contraste ralentizan incluso los sistemas PDAF.
• Nivel de iluminación: Más luz significa una señal más fuerte para los píxeles de detección de fase. Menos luz significa más ruido, lo que obliga al algoritmo a promediar más fotogramas antes de tomar una decisión.
• Velocidad del motor del objetivo: El algoritmo AF puede calcular la posición del objetivo en microsegundos, pero el motor sigue necesitando tiempo para mover físicamente los elementos del objetivo. Los cristales más pesados (habituales en los objetivos zoom 40X) requieren motores más potentes y precisos.

Intervalos de tiempo de enfoque en el mundo real

Según las pruebas realizadas con varios módulos PTZ, estos son los rangos que puede esperar de forma realista:

Condición	PDAF / AF híbrido	CDAF puro
Luz diurna brillante, objetivo de alto contraste	80-150 ms	500-1.200 ms
Luz diurna brillante, objetivo de bajo contraste	150-300 ms	1.000-2.000 ms
Poca luz (50 lux), objetivo de alto contraste	200-400 ms	1.500-3.000 ms
Poca luz (10 lux), objetivo de bajo contraste	300-600 ms	2.000-5.000 ms o fallo
Oscuridad total con iluminación IR	250-500 ms	A menudo no se bloquea

Estas cifras proceden de pruebas de banco en las que la cámara comienza en un extremo de enfoque y debe fijar un objetivo a una distancia conocida. Los resultados en el mundo real pueden variar, pero la relación entre PDAF y CDAF se mantiene más o menos constante: PDAF es de 3 a 10 veces más rápido dependiendo de las condiciones.

Cómo probarlo usted mismo

Cuando reciba una cámara de muestra, aquí tiene un sencillo protocolo de prueba:

1. Monte la cámara en una superficie estable
2. Ajuste el zoom al máximo (40X)
3. Apunte la cámara hacia un objetivo situado a unos 100-200 metros (un cartel con texto funciona bien)
4. Desenfoca manualmente el objetivo por completo
5. Activa el enfoque automático y pon en marcha un cronómetro (o graba la pantalla y cuenta los fotogramas más tarde)
6. Anote el tiempo que transcurre hasta que el texto de la señal es legible.

Haz esta prueba cinco veces y calcula la media de los resultados. A continuación, hazlo de nuevo por la noche con la única iluminación de la farola. Compare los resultados con la tabla anterior. Si la cámara tarda más de 1 segundo en bloquear el zoom a plena luz del día, es casi seguro que está utilizando la Detección de Contraste pura, independientemente de lo que digan los materiales de marketing.

Por qué los milisegundos son importantes para su empresa

Para un integrador como David, la velocidad de enfoque no es un número en la hoja de especificaciones. Es un factor de riesgo empresarial.

Si tu cámara tarda 2 segundos en enfocar a la entrada de un portal y un coche pasa en 3 segundos, sólo tendrás 1 segundo de grabación nítida. Puede que no sean suficientes fotogramas para Software ANPR ³. Su software ANPR necesita al menos 2-3 fotogramas nítidos para confirmar un número de matrícula. Una cámara PDAF que se bloquea en 200 milisegundos le da 2,8 segundos de imágenes nítidas - suficiente para múltiples lecturas confirmadas.

Por eso siempre les digo a nuestros socios: prueben la velocidad de enfoque antes de comprometerse a un pedido de volumen. Las pocas horas que dediquen a las pruebas les ahorrarán meses de dolores de cabeza por implantaciones fallidas.

Conclusión

PDAF es de 5 a 10 veces más rápido que la detección de contraste en zoom alto. Para cualquier cámara PTZ por encima de 30X, no es opcional, es esencial. Pruébelo usted mismo antes de comprar.

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1. Explicación del algoritmo de escaneo de enfoque automático por detección de contraste. ︎ 2. Detalles de la implementación del píxel PDAF del sensor STARVIS de Sony. ︎ 3. Requisitos de calidad del marco ANPR para el reconocimiento de matrículas. ︎ 4. Cálculo de la profundidad de campo con zoom 40X y largo alcance. ︎ 5. Óptica de enfoque automático por detección de fase y diseño de píxel dividido. ︎ 6. Degradación del rendimiento del AF con poca luz en los sistemas CDAF. ︎ 7. Optimización de la latencia del traspaso de seguimiento AI de doble lente. ︎ 8. Ingeniería AF híbrida para cámaras de vigilancia de gran zoom. ︎ 9. Velocidad del motor del objetivo y respuesta al paso en teleobjetivo. ︎ 10. Metodología de medición del tiempo de bloqueo del foco para pruebas PTZ. ︎