Ho visto troppe fotocamere con zoom 40X non riuscire a mettere a fuoco un'auto in movimento. L'immagine rimane sfuocata per secondi. Quel filmato sfocato è inutile. E costa denaro vero quando un progetto non viene ispezionato.
Il PDAF (Phase Detection Autofocus) è da 5 a 10 volte più veloce dell'AF a rilevamento di contrasto nelle fotocamere ad alto zoom. Il rilevamento del contrasto richiede in genere da 1 a 3 secondi per trovare la messa a fuoco con lo zoom al massimo. Il PDAF fa lo stesso lavoro in 0,1-0,3 secondi. Questo divario di velocità è importante quando si inseguono obiettivi in movimento a lunga distanza.
Confronto tra la velocità di messa a fuoco automatica PDAF e quella a rilevamento di contrasto per le telecamere PTZ high-zoom
Qui di seguito spiego esattamente perché esiste questa differenza di velocità, in che modo influisce sui risultati della sorveglianza nel mondo reale e cosa chiedere al fornitore prima di impegnarsi nell'acquisto. Se utilizzate telecamere PTZ con zoom 30X o superiore, questa è la decisione più importante che prenderete quest'anno in merito alla messa a fuoco automatica.
Il PDAF può ridurre l'effetto “caccia” quando si ingrandisce un bersaglio in movimento?
L'ho visto accadere in decine di cantieri. Se si ingrandisce un veicolo a 40X, l'obiettivo inizia a pulsare avanti e indietro. L'immagine diventa nitida, poi morbida, poi di nuovo nitida. Questa sfocatura pulsante si chiama “caccia”. Rende le riprese inutilizzabili per l'acquisizione di targhe o il riconoscimento facciale.
Sì, il PDAF elimina quasi del tutto l'effetto caccia. Calcola la distanza esatta dall'obiettivo in un unico passaggio, quindi l'obiettivo si sposta direttamente nella posizione corretta. Il Rilevamento del contrasto deve eseguire una scansione avanti e indietro per trovare il punto più nitido, il che provoca una visibile sfocatura pulsante sullo schermo.
PDAF che riduce l'effetto di caccia al bersaglio in movimento con lo zoom alto
Perché la caccia si svolge in primo luogo?
La caccia non è un difetto. È come AF a rilevamento di contrasto 1 funziona per progettazione. Il sistema sposta l'obiettivo in avanti, controlla se l'immagine è più nitida, quindi lo sposta ulteriormente o inverte la direzione. Nel grandangolo, questo processo è veloce perché la profondità di campo è elevata. L'obiettivo trova rapidamente la zona nitida.
Ma con uno zoom 33X o 40X, la profondità di campo si riduce alla carta. La zona nitida potrebbe essere profonda solo pochi centimetri a 200 metri di distanza. Il sistema di rilevamento del contrasto deve quindi compiere movimenti molto piccoli e precisi. Ogni movimento richiede tempo. E se l'obiettivo è in movimento (un'auto che attraversa un incrocio, una persona che cammina in un parcheggio), il punto di messa a fuoco corretto continua a cambiare mentre l'obiettivo continua a cercare.
In questo modo si crea un ciclo di feedback. L'obiettivo si sposta, il bersaglio si sposta, l'obiettivo deve ricominciare da capo. Lo si vede sullo schermo come una pulsazione costante tra nitido e sfocato.
Come il PDAF interrompe il loop
Il PDAF utilizza un metodo completamente diverso. I pixel speciali sul sensore di immagine sono divisi in coppie. Ogni coppia osserva lo stesso punto da un'angolazione leggermente diversa. Misurando lo scarto tra queste due visioni (la “differenza di fase”), il processore lo sa immediatamente:
- Quale direzione l'obiettivo deve muoversi
- Quanto lontano l'obiettivo deve muoversi
Non ci sono tentativi ed errori. La lente va direttamente alla posizione di destinazione con un unico movimento.
Caccia a confronto: CDAF vs. PDAF con zoom elevato
| Fattore | Rilevamento del contrasto (CDAF) | Rilevamento di fase (PDAF) |
|---|---|---|
| Metodo di messa a fuoco | Scansione avanti e indietro | Calcolo in un'unica fase |
| Cicli di caccia tipici a 40X | 3-7 passaggi | Passaggi 0-1 |
| Tempo di agganciare un bersaglio in movimento | 1,0-3,0 secondi | 0,1-0,3 secondi |
| Sfocatura visibile che pulsa | Frequenti ed evidenti | Raro o nullo |
| Tasso di successo in condizioni di scarsa illuminazione | Diminuisce in modo significativo | Rimane relativamente stabile |
Per un integratore di sistemi che distribuisce telecamere sulle rampe autostradali o agli incroci più trafficati, questa differenza non è accademica. È la differenza tra l'acquisizione di una targa leggibile e l'acquisizione di un'immagine sfocata.
Un test pratico da eseguire
Quando valutate un campione PTZ, provate a fare così: zoomate al massimo, puntate la telecamera su un'auto a circa 150 metri di distanza e poi fate una rapida panoramica su un'altra auto a una distanza diversa. Contate i secondi che mancano alla nitidezza della nuova auto. Se l'immagine pulsa più di una volta prima di bloccarsi, la fotocamera si affida al rilevamento del contrasto. Un vero sistema PDAF metterà a fuoco con una caccia minima o nulla.
Perché il rilevamento di fase (PDAF) è essenziale per il tracciamento in tempo reale negli incroci trafficati?
Lavoro con integratori che installano telecamere PTZ sopra incroci con quattro corsie di traffico che si muovono in direzioni diverse. Quando la telecamera segue un veicolo e poi passa a un altro, ogni millisecondo di ritardo nella messa a fuoco significa fotogrammi persi. In un incrocio trafficato, i fotogrammi persi significano prove perse.
Il PDAF è essenziale per l'inseguimento degli incroci perché prevede la distanza di messa a fuoco in modo continuo, non reattivo. Mentre il rilevamento del contrasto riavvia la ricerca ogni volta che l'obiettivo cambia distanza, il PDAF calcola istantaneamente la nuova posizione. In questo modo l'immagine rimane nitida anche quando la fotocamera passa da un obiettivo all'altro a velocità e distanze diverse.
Tracciamento in tempo reale PDAF in un incrocio trafficato con telecamera PTZ
Il problema dell'intersezione: obiettivi multipli, distanze multiple
Un incrocio trafficato è uno degli ambienti più difficili per qualsiasi sistema di messa a fuoco automatica. Ecco perché:
- Le auto si muovono a 30-60 km/h attraverso il telaio
- Le distanze cambiano rapidamente con l'avvicinarsi e il superamento dei veicoli
- La telecamera potrebbe dover passare dal monitoraggio di un'auto a 80 metri a quello di un pedone a 30 metri.
- L'illuminazione cambia continuamente: fari, ombre, riflessi sulla pavimentazione bagnata.
L'AF a rilevamento di contrasto ha difficoltà in questo caso perché ha bisogno di un'immagine stabile per misurare il contrasto. Quando la fotocamera esegue una rapida panoramica su un nuovo obiettivo, l'immagine è sfocata dal movimento durante la panoramica. Il sistema CDAF non può ottenere una lettura affidabile del contrasto finché la fotocamera non smette di muoversi. Quindi c'è un ritardo: la fotocamera si ferma, l'obiettivo cerca, l'immagine si blocca. Questo ritardo può essere da 1 a 3 secondi con uno zoom elevato.
Il PDAF non richiede l'arresto della fotocamera. Legge la differenza di fase dai dati del sensore in tempo reale, anche durante una panoramica. L'obiettivo si regola mentre la fotocamera è ancora in movimento. Quando la fotocamera raggiunge il nuovo obiettivo, l'immagine è già nitida o quasi.
Come funzionano insieme il tracciamento AI e il PDAF
Le moderne telecamere PTZ con autotracking AI utilizzano algoritmi di rilevamento degli oggetti per identificare e seguire persone o veicoli. Ma l'intelligenza artificiale funziona bene solo quando l'immagine è a fuoco. Se l'obiettivo è a fuoco, l'IA perde l'obiettivo perché l'immagine sfocata interrompe l'algoritmo di rilevamento.
Per questo motivo le telecamere Loyalty-Secu a doppio obiettivo associano un obiettivo grandangolare fisso a un obiettivo PTZ. L'obiettivo grandangolare individua l'obiettivo grazie all'intelligenza artificiale. Poi l'obiettivo PTZ esegue lo zoom e lo segue. Se l'obiettivo PTZ utilizza il PDAF, il passaggio è fluido. Se utilizza solo il rilevamento del contrasto, c'è un ritardo visibile in cui l'immagine ingrandita è sfocata e il tracker AI può perdere l'obiettivo.
Cosa succede quando l'AF fallisce a un incrocio
Le conseguenze sono reali e costose:
- Targhe illeggibili: La telecamera riprende l'auto, ma la targa è sfocata durante la caccia al fuoco. Il filmato è inutile per le forze dell'ordine.
- Il progetto non supera i test di accettazione: Il cliente testa il sistema guidando attraverso l'incrocio. Se la telecamera non è in grado di catturare una targa chiara entro la finestra temporale richiesta, il progetto non viene approvato. I costi sono a carico del cliente.
- Danno alla reputazione: Le voci corrono veloci tra gli integratori. Un progetto di intersezione fallito può costarvi le offerte future.
Ho visto integratori perdere contratti del valore di decine di migliaia di dollari perché la telecamera PTZ scelta non riusciva a tenere il passo con il tracking in tempo reale. La causa principale era quasi sempre la velocità di messa a fuoco automatica.
La vostra fotocamera utilizza un AF ibrido per combinare la velocità del PDAF con la precisione del CDAF?
Ricevo spesso questa domanda da ingegneri che sanno che il PDAF è veloce ma si preoccupano della sua precisione a livelli di zoom estremi. Hanno ragione a chiederlo. Il PDAF puro è veloce, ma non è sempre perfetto a livello di pixel con uno zoom 40X. I migliori sistemi utilizzano entrambi.
Sì, le telecamere PTZ di fascia alta utilizzano l'AF ibrido. Il sistema attiva prima il PDAF per spostare l'obiettivo nella posizione giusta in pochi millisecondi. Poi il Rilevamento del contrasto mette a punto l'ultima piccola regolazione per ottenere la massima nitidezza. Questo processo in due fasi consente di ottenere la velocità del PDAF e la precisione del CDAF in un unico ciclo di messa a fuoco.
AF ibrido che combina velocità PDAF e precisione CDAF in una telecamera PTZ
Come funziona l'AF ibrido passo dopo passo
Pensate a come parcheggiare un'auto. Il PDAF è la parte in cui si entra rapidamente nel parcheggio. Il CDAF è la parte in cui si effettuano piccoli aggiustamenti per centrare perfettamente l'auto tra le linee.
Ecco la sequenza:
- Il PDAF spara per primo. I pixel di rilevamento di fase calcolano la distanza dell'obiettivo. Il motore dell'obiettivo si sposta direttamente in quella posizione. Questa operazione copre circa 95% della corsa totale dell'obiettivo. Richiede circa 50-150 millisecondi.
- Il CDAF prende il sopravvento. L'algoritmo di rilevamento del contrasto controlla la nitidezza dell'immagine in un intervallo molto ristretto intorno alla posizione del PDAF. Esegue delle microregolazioni, a volte con un movimento dell'obiettivo di pochi micron, per raggiungere la massima nitidezza. Ciò richiede altri 30-80 millisecondi.
- Focus bloccato. Tempo totale dall'inizio alla fine: in genere meno di 200 millisecondi.
Senza la fase PDAF, il sistema CDAF dovrebbe scansionare l'intera gamma dell'obiettivo. Con uno zoom 40X, questa gamma è ampia e la scansione richiede 1-3 secondi. Con il PDAF che fa il lavoro pesante, il CDAF deve regolare solo una piccola porzione della gamma.
Quando il PDAF puro non è sufficiente
Il PDAF calcola la distanza in base alla differenza di fase. Ma a lunghezze focali molto elevate, anche un piccolo errore di calcolo si traduce in una visibile mancanza di messa a fuoco. Ecco perché:
- Con uno zoom 40X, la profondità di campo a 200 metri potrebbe essere di soli 0,5 metri.
- Un errore di calcolo del PDAF di appena 2% potrebbe portare il punto di messa a fuoco al di fuori della finestra di 0,5 metri.
- L'immagine appare “quasi nitida”, ma non abbastanza per il riconoscimento facciale o la lettura delle targhe.
È qui che la fase di messa a punto del CDAF è importante. Il CDAF cattura l'ultimo errore di 2% e lo corregge. Il risultato è un'immagine veloce da acquisire e sufficientemente nitida per l'uso forense.
Confronto delle prestazioni dell'AF ibrido
| Tipo AF | Velocità di messa a fuoco 95% | Precisione finale | Tempo di blocco totale | Il miglior caso d'uso |
|---|---|---|---|---|
| CDAF puro | 1.0-3.0 s | Eccellente | 1.0-3.0 s | Scene statiche, studio |
| PDAF puro | 0.05-0.15 s | Buono | 0.05-0.15 s | Azione veloce, sport |
| AF ibrido | 0,05-0,15 s (PDAF) + 0,03-0,08 s (CDAF) | Eccellente | 0.1-0.25 s | Sorveglianza ad alto zoom |
Cosa cercare nelle specifiche dei fornitori
Non tutti i fornitori che dichiarano di avere una “messa a fuoco automatica veloce” utilizzano l'AF ibrido. Alcuni utilizzano un linguaggio di marketing che sembra simile ma che ha un significato diverso. Ecco cosa cercare:
- Chiara menzione di “rilevamento di fase” o “PDAF”.” nelle specifiche del sensore o dell'AF. Se le specifiche indicano solo “Auto Focus” o “Fast AF”, probabilmente si tratta di un CDAF puro.
- Il modello di sensore è importante. Certezze Sony STARVIS 2 e STARVIS 2 sono dotati di pixel PDAF on-chip. Chiedete al vostro fornitore quale sensore utilizza la fotocamera e verificate se tale sensore supporta il PDAF.
- Chiedete l'architettura AF. È solo PDAF, solo CDAF o ibrido? Un buon produttore vi dirà esattamente come funziona la sua pipeline AF.
Noi di Loyalty-Secu utilizziamo l'AF ibrido nei nostri moduli zoom 38X e 40X. Siamo felici di condividere l'architettura tecnica con qualsiasi integratore che ce lo chieda. Crediamo che la trasparenza crei fiducia.
Quanti millisecondi impiega la mia fotocamera 40X per bloccare la messa a fuoco con il PDAF?
So che questa è la domanda a cui ogni ingegnere vuole rispondere. Non la teoria. Non “dipende”. Un numero. Lo rispetto, quindi permettetemi di darvi la risposta più onesta possibile.
Una telecamera PTZ 40X ben progettata con PDAF o Hybrid AF in genere blocca la messa a fuoco in 100-300 millisecondi in condizioni di illuminazione normale (3.000-5.000 lux). In condizioni di scarsa illuminazione (10-50 lux), sono necessari da 200 a 500 millisecondi. Nelle stesse condizioni, le fotocamere con rilevamento del contrasto puro impiegano da 1.000 a 3.000 millisecondi, ossia da 5 a 10 volte più lentamente.
40X Telecamera PTZ PDAF blocco della messa a fuoco misurazione del tempo
Perché non esiste un unico numero universale
Vorrei poter dire “esattamente 127 millisecondi”. Ma il tempo di blocco della messa a fuoco dipende da diverse variabili che cambiano da scatto a scatto:
- Posizione di partenza dell'obiettivo: Se l'obiettivo è già vicino alla distanza di messa a fuoco corretta, il tempo di blocco è più breve. Se deve passare dalla distanza minima di messa a fuoco all'infinito, il tempo di blocco è più lungo.
- Contrasto al bersaglio: Un'auto bianca su una strada scura è facile. Un muro grigio contro un cielo grigio è difficile. Gli obiettivi a basso contrasto rallentano anche i sistemi PDAF.
- Livello di illuminazione: Più luce significa un segnale più forte per i pixel di rilevamento della fase. Meno luce significa più rumore, il che costringe l'algoritmo a calcolare la media di più fotogrammi prima di prendere una decisione.
- Velocità del motore dell'obiettivo: L'algoritmo AF può calcolare la posizione del bersaglio in microsecondi, ma il motore ha ancora bisogno di tempo per spostare fisicamente gli elementi dell'obiettivo. I vetri più pesanti (comuni negli obiettivi zoom 40X) richiedono motori più potenti e più precisi.
Intervalli di tempo di messa a fuoco nel mondo reale
Sulla base di test condotti su più moduli PTZ, ecco le gamme che ci si può realisticamente aspettare:
| Condizione | PDAF / AF ibrido | CDAF puro |
|---|---|---|
| Luce diurna luminosa, obiettivo ad alto contrasto | 80-150 ms | 500-1.200 ms |
| Luce diurna luminosa, obiettivo a basso contrasto | 150-300 ms | 1.000-2.000 ms |
| Bassa luminosità (50 lux), obiettivo ad alto contrasto | 200-400 ms | 1.500-3.000 ms |
| Bassa luminosità (10 lux), obiettivo a basso contrasto | 300-600 ms | 2.000-5.000 ms o errore |
| Buio completo con illuminazione IR | 250-500 ms | Spesso non si blocca |
Questi numeri provengono da test al banco in cui la fotocamera parte da un estremo di messa a fuoco e deve agganciare un obiettivo a una distanza nota. I risultati reali variano, ma il rapporto tra PDAF e CDAF rimane più o meno costante: Il PDAF è da 3 a 10 volte più veloce, a seconda delle condizioni.
Come fare il test da soli
Quando si riceve una telecamera campione, ecco un semplice protocollo di prova:
- Montare la telecamera su una superficie stabile
- Impostare lo zoom al massimo (40X)
- Puntare la telecamera su un obiettivo a circa 100-200 metri di distanza (un cartello con un testo funziona bene).
- Defocalizzazione manuale completa dell'obiettivo
- Attivare l'autofocus e avviare un cronometro (o registrare la schermata e contare i fotogrammi in seguito)
- Annotare il tempo necessario per rendere leggibile il testo del cartello.
Eseguite questo test per cinque volte e fate una media dei risultati. Poi ripetetelo di notte con la sola illuminazione dei lampioni. Confrontate i risultati con la tabella precedente. Se la fotocamera impiega più di 1 secondo per bloccare lo zoom al massimo alla luce del giorno, quasi sicuramente sta utilizzando il rilevamento del contrasto puro, indipendentemente da ciò che dicono i materiali di marketing.
Perché i millisecondi sono importanti per l'azienda
Per un integratore come David, la velocità di messa a fuoco non è un numero da scheda tecnica. È un fattore di rischio commerciale.
Se la vostra telecamera impiega 2 secondi per bloccare la messa a fuoco all'ingresso di un cancello e un'auto passa in 3 secondi, avrete solo 1 secondo di riprese nitide. Questo potrebbe non essere un numero sufficiente di fotogrammi per una ripresa affidabile. Software ANPR 3. Il software ANPR ha bisogno di almeno 2-3 fotogrammi nitidi per confermare un numero di targa. Una telecamera PDAF che si blocca in 200 millisecondi offre 2,8 secondi di riprese nitide, sufficienti per più letture confermate.
Ecco perché dico sempre ai nostri partner: testate la velocità di messa a fuoco prima di impegnarvi in un ordine di volume. Le poche ore che dedicherete alla prova vi risparmieranno mesi di mal di testa per le implementazioni non riuscite.
Conclusione
Il PDAF è da 5 a 10 volte più veloce del rilevamento del contrasto con lo zoom elevato. Per qualsiasi telecamera PTZ con zoom superiore a 30X, non è opzionale: è essenziale. Provatelo voi stessi prima di acquistarlo.
1. Spiegazione dell'algoritmo di scansione della messa a fuoco automatica a rilevamento di contrasto. ︎ 2. Dettagli sull'implementazione dei pixel PDAF del sensore Sony STARVIS. ︎ 3. Requisiti di qualità dei fotogrammi ANPR per il riconoscimento delle targhe. ︎ 4. Calcolo della profondità di campo con zoom 40X e lunga distanza. ︎ 5. Ottica autofocus a rilevamento di fase e design split-pixel. ︎ 6. Degrado delle prestazioni AF in condizioni di scarsa illuminazione nei sistemi CDAF. ︎ 7. Ottimizzazione della latenza di handoff del tracking AI a doppia lente. ︎ 8. Ingegneria AF ibrida per telecamere di sorveglianza ad alto zoom. ︎ 9. Velocità del motore dell'obiettivo e risposta del passo al teleobiettivo. ︎ 10. Metodologia di misurazione del tempo di blocco della messa a fuoco per i test PTZ. ︎