Фазовая автофокусировка против контрастной автофокусировки в PTZ-камерах: какая технология автофокусировки дает лучшие результаты?

При съемке в режиме реального времени стабильность фокуса напрямую влияет на то, как зрители воспринимают качество контента. Когда PTZ-камера смещается в сторону во время съемки — проблема, известная как «охота за фокусом», — в результате получается размытое изображение, которое невозможно исправить при постобработке.

Основная причина кроется в технологии автофокусировки. В современных PTZ-камерах используются два подхода: автофокусировка с определением контраста (CDAF) находит фокус методом проб и ошибок, в то время как автофокусировка с определением фазы (PDAF) вычисляет точку фокусировки за один шаг.

В этом руководстве мы расскажем, как работает каждый из них и почему профессиональные производители PTZ-камер все чаще переходят на PDAF.

Как работает автофокус в PTZ-камерах?

Главная задача любой системы автофокусировки – переместить объектив так, чтобы свет от объекта съемки точно попал на матрицу камеры. Чтобы этого добиться, системе нужно ответить на два ключевых вопроса: в каком направлении двигать объектив и на какое расстояние. От того, как эти вопросы решаются, зависят скорость, стабильность и надежность фокусировки.

Если для обычных камер эта задача решаема, то для PTZ-камер она усложняется по нескольким причинам:

• Экстремальное увеличение: при использовании мощного зума, глубина резкости (область, находящаяся в фокусе) может сокращаться до считанных сантиметров. Даже малейшая ошибка автофокуса становится сразу заметной.

• Работа на больших расстояниях: PTZ-камеры часто снимают удаленные объекты (50-200 метров). На таких дистанциях атмосферные явления, такие как тепловое мерцание и низкая освещенность, снижают контрастность изображения – ключевой фактор для работы CDAF.

• Динамичные сцены: при панорамировании, наклоне или быстром изменении масштаба фокусное расстояние может резко меняться. Система автофокусировки должна удерживать фокус во время движения, а не только после его окончания.

• Профессиональные требования: современные PTZ-камеры должны обеспечивать непрерывную автофокусировку, надежное отслеживание объектов с помощью ИИ и стабильность фокуса при изменении зума, что значительно превышает возможности стандартных систем.

Что такое автофокус с определением контраста (CDAF)?

Автофокус с определением контраста (Contrast Detection Autofocus, CDAF) — самый старый и наиболее распространенный на сегодняшний день метод автофокусировки в камерах. Чтобы понять, как он работает, для начала рассмотрим что-то знакомое — собственные глаза. Человеческое зрение само по себе основано на контрасте. Когда вы смотрите на объект, ваш мозг постоянно оценивает четкость изображения и корректирует хрусталик глаза до тех пор, пока контраст не станет максимальным. Вы не задумываетесь об этом сознательно, это происходит само собой. Автофокусировка по контрасту работает по тому же принципу, только роль вашего глаза играет матрица камеры, а за движение объектива отвечает мотор.

 

*Диаграмма, показывающая зоны нерезкости при точечном источнике света, расположенном слишком близко, в фокусе и слишком далеко

Как на самом деле работает CDAF Логика процесса проста. Когда объектив не сфокусирован, каждая точка света от объекта съемки расплывается в небольшой диск на матрице — так называемый кружок нерезкости. Перекрывающиеся диски приводят к тому, что соседние пиксели сливаются, снижая контрастность. При правильной фокусировке эти диски снова становятся четкими, края изображения — резкими, а контрастность — максимальной. Чтобы найти этот пик, камера выделяет в кадре зону — диапазон сравнения автофокусировки — и перемещает объектив из одного положения в другое, на каждом этапе вычисляя значение контрастности. Представьте, что вы медленно поворачиваете ручку настройки радиоприемника: сигнал становится сильнее по мере приближения к нужной частоте, и вы останавливаетесь, когда он становится максимально чистым. Камера делает то же самое и фиксирует фокус, когда значение контрастности достигает максимума.

Проблема в том, что камера может определить пик только после того, как проедет мимо него. Каждый раз, когда меняется сцена, сканирование начинается заново, объектив смещается, а затем возвращается в исходное положение, из-за чего на экране появляются колебания, которые зрители обычно называют «поиском фокуса».

Бинокулярная диаграмма параллакса

Что такое фазовая автофокусировка (PDAF)? Интересно, что фазовая автофокусировка (Phase Detection Autofocus, PDAF) тоже связана с человеческим зрением, но по-другому. Она не имитирует процесс фокусировки глаза, а отражает то, как мозг определяет расстояние. Поскольку ваши глаза расположены на небольшом расстоянии друг от друга, каждый из них видит мир под немного разным углом. Мозг сравнивает эти два слегка смещенных изображения и использует разницу — параллакс — для определения расстояния до объекта. Вот почему, когда вы закрываете один глаз, восприятие глубины заметно ухудшается. Именно эту логику использует фазовая автофокусировка.

Как работает PDAF Вместо того чтобы искать наиболее четкое изображение, PDAF определяет фокус более прямым и расчетливым способом. Внутри датчика изображения расположены специально разработанные пары пикселей, которые часто называют фазочувствительными. Эти пиксели частично замаскированы, поэтому каждый из них получает свет только с одной стороны линзы — либо слева, либо справа. В результате камера фактически одновременно снимает две немного отличающиеся друг от друга версии одной и той же сцены. Когда изображение не в фокусе, эти две версии не совпадают идеально. Анализируя, насколько они смещены и в какую сторону, камера может мгновенно определить: Направление, в котором нужно сдвинуть линзу Точное расстояние, необходимое для фокусировки

Можно представить, что это дальномер. Вместо того чтобы шаг за шагом «находить» нужное расстояние, вы измеряете его один раз и сразу получаете ответ. Благодаря этому PDAF способен быстро фокусироваться и обеспечивать высокую согласованность, что делает его особенно подходящим для приложений реального времени, таких как прямая трансляция и захват событий.

PDAF против. CDAF — сравнение

После того как вы разобрались в том, как работают обе системы автофокусировки, возникает следующий логичный вопрос: чем на самом деле отличаются PDAF и CDAF при использовании в реальных условиях? Хотя обе технологии позволяют добиться точной фокусировки, они существенно различаются в том, как они этого добиваются, и эта разница напрямую влияет на эффективность в практических сценариях.

 

Особенность	PDAF (автофокус с определением фазы)	CDAF (автофокус с определением контраста)
Скорость фокусировки	Очень быстро; фокусируется одним движением	Медленнее; требует многократной корректировки
Точность фокусировки	Высокий, особенно для первоначального привлечения внимания	Очень высокая при блокировке, особенно в статичных сценах
Стабильность фокуса	Стабильная работа с минимальными видимыми регулировками	Может наблюдаться заметная «фокусировочная слепота»
Отслеживание движения	Отличная работа с движущимися объектами	Ограничения; проблемы с непрерывным отслеживанием
Производительность при низкой освещенности	Может ухудшиться при слабом фазовом сигнале	Зачастую более надежен благодаря оценке контрастности
Сложность системы	Более сложная конструкция датчика	Более простая реализация
Стоимость	Обычно более высокий	Как правило, более низкий
Наилучшие варианты использования	Прямые трансляции, спорт, мероприятия	Фотография, статичные сцены, контролируемая среда

 

Главный вывод заключается не в том, что какая-то одна технология лучше всех остальных. Точность автофокусировки по контрасту на статичных объектах действительно полезна — в контролируемой среде, где ничего не движется, а освещение стабильно, она обеспечивает четкую и точную фокусировку. Проблема в том, что PTZ-камеры редко используются в таких условиях.

Как только объект съемки начинает двигаться, ведущий подходит ближе или камера поворачивается в новое положение, становится очевидным фундаментальное ограничение системы автофокусировки по контрасту: ей каждый раз приходится начинать все сначала. В отличие от системы автофокусировки по фазовому сдвигу. Эта разница — между системой поиска и системой расчета — и отличает камеры, которые «охотятся», от камер, которые просто сохраняют четкость изображения.

• Для бюджетных установок и конференций с фиксированным углом обзора автофокусировка по контрасту остается практичным и экономичным решением.
• Для прямых трансляций, организации мероприятий и любых сценариев, в которых камера и объект съемки находятся в движении, автофокусировка по движению не является премиальной функцией — это базовое требование.

Такие камеры, как PTZ-камера VHD VX90S, созданы на основе этого принципа и позволяют использовать автофокусировку по движению в системах с поворотным объективом, где важнее всего стабильная непрерывная фокусировка.

Фазовая автофокусировка и контрастная автофокусировка — это два принципиально разных подхода к автофокусировке. Фазовая автофокусировка определяет точку фокусировки с помощью прямого расчета, обеспечивая скорость и стабильность, необходимые для съемки динамичных сцен. Контрастная автофокусировка уточняет точку фокусировки с помощью анализа контраста, что делает ее надежным выбором в тех случаях, когда точность важнее скорости отклика.

На практике выбор системы зависит от того, как используется камера. Для прямых трансляций, вещания и систем с поворотным объективом, где важна быстрая и непрерывная фокусировка, оптимальным решением будет фазовая автофокусировка. Для контролируемых статичных условий оптимальным и экономичным решением остается контрастная автофокусировка.

По мере того как производственные процессы все больше ориентируются на съемку в режиме реального времени, производительность автофокуса становится одним из важнейших факторов при выборе камеры. Понимание разницы между этими двумя технологиями — первый шаг к правильному выбору.