T/CSOE 0005-2025 水下相机光学系统像质测试方法

标准文档总结：T/CSOE 0005-2025《水下相机光学系统像质测试方法》

本总结基于中国光学工程学会团体标准T/CSOE 0005-2025《水下相机光学系统像质测试方法》，该标准旨在规范水下相机光学系统（仅限于旋转对称设计）的像质测试流程，特别关注分辨率和畸变的测量。标准由李学龙等专家起草，于2025年4月18日发布并实施，适用于水下相机在研发、生产和验收阶段的测试工作。以下为详细内容总结，结构丰富，涵盖标准的关键部分。

​1. 标准概述​

• ​目的​：提供水下相机光学系统像质测试的统一方法，确保测试结果可重复、可比较，支持水下成像设备的质量控制和性能评估。
• ​适用范围​：
  • 仅适用于光学系统具有旋转对称设计的水下相机。
  • 测试指标包括分辨率（描述系统分辨细节的能力）和畸变（描述图像几何变形程度）。
  • 不适用于非旋转对称系统或特殊应用（如高速动态成像）。
• ​规范性引用文件​：标准引用多个国标和行业标准，包括：
  • GB/T 19953（数码相机分辨率测量）、GB/T 27667（光学系统畸变测定）、JB/T 7399（平行光管）和JB/T 9328（分辨力板）等，确保测试方法与现有规范兼容。
• ​核心原则​：测试强调环境控制（如水体和光照条件），确保测试结果反映真实水下性能。

​2. 术语和定义​

标准明确定义关键术语，避免歧义：

• ​水下相机​（3.1）：指专门在水下环境中拍摄照片或录制视频的相机设备。
• ​水下专用平行光管​（3.2）：工作在水下环境中的平行光管，用于模拟不同物距（无限远或有限远）的测试条件。
• ​其他术语​：如“像方分辨率”“物方分辨率”“畸变”等，直接引用GB/T 19953和GB/T 27667的定义，确保一致性。

​3. 测试原理​

测试基于光学成像原理，模拟水下环境中的物距变化：

• ​装置示意图（图1）​​：测试系统包括光源、分划板（如分辨率板或星点板）、水下专用平行光管、水体、待测水下相机和水下云台。光源发出的光经平行光管物镜和水体后，通过待测相机成像至靶面。水下云台用于调整拍摄视场（方位角），实现多视场测试。
• ​核心过程​：
  • 移动平行光管内的分划板位置，精确模拟不同物距（如无限远或特定距离）。
  • 通过旋转水下云台，采集不同视场的图像数据。
  • 测试原理图（图1）展示了光路传递路径，包括光从光源到相机靶面的完整流程。

​4. 测试条件​

测试必须在严格控制的环境下进行，以确保结果可靠性：

• ​环境要求​：
  • 在光学暗室中进行，环境光照度不超过1 lx，避免杂散光干扰。
  • 水质参数严格管理：水体衰减系数不大于0.05 m⁻¹（基于550 nm波长），测量方法依据GB 13200（水质浊度测定）。
• ​设备准备​：
  • 水下相机需密封检查，并设置初始参数（如无指定则用常用设置）。变焦距系统需在短焦端和长焦端分别测试。
  • 光源要求：对于普通水下相机，采用GB/T 10557规定的日光型或白炽灯光源；对单波长设计相机，使用相应波长的激光光源。

​5. 测试设备​

测试设备系统包括多个组件，每个组件有具体规格：

• ​设备组成​：
  • ​测试水池​：长度需大于平行光管长度、工作距离和相机长度之和；宽度大于相机长度的2倍，提供充足测试空间。
  • ​水下专用平行光管​：必须在校准周期内，符合JB/T 7399要求。关键规定：
    • 焦距为待测相机焦距的2~5倍。
    • 照明均匀性：分划板任一部位照度不超过中心区平均照度的±10%，亮度需确保相机输出电平足够。
    • 分划板类型：分辨率板和星点板，通过平移台调节位置（模拟物距）。
  • ​水下云台​：支持一维高精度角度调节（由主机控制），实时输出角度数据。
  • ​显示器与主机​：主机连接相机和云台，负责参数设置、图像采集、云台控制和数据处理。
• ​校准要求​：所有设备（如平行光管）需定期校准，确保精度。

​6. 测试方法​

测试分为分辨率测试和畸变测试，每个测试有详细步骤：

• ​分辨率测试（7.1）​​：
  • ​步骤​：
    1. 检查设备密封性，设置相机参数（变焦系统需测试短焦和长焦端）。
    2. 将平行光管内部分划板切换为分辨率板，移动分划板（距离d）模拟设计物距，使用设计波段光源均匀照明。
    3. 安装相机于水下云台，连接主机和显示器。将相机入瞳对齐平行光管出瞳，调整光轴重合。
    4. 调整相机位置，使分辨率板成像于视场中央，设置曝光参数，保存稳定图像。
    5. 旋转水下云台，采集不同视场（方位角）的图像并保存。
  • ​关键点​：测试覆盖全视场（通过云台旋转），确保多角度数据。
• ​畸变测试（7.2）​​：
  • ​步骤​：
    1. 基于分辨率测试步骤（a~d），但分划板切换为星点板。
    2. 标记星点像位于图像中心时的云台角度为初始角度。
    3. 旋转云台至不同角度，拍摄星点图像，记录像素坐标（x_p, y_p）和云台旋转角度（ω_p）。
  • ​关键点​：测试依赖于星点像的坐标测量，用于后续畸变计算。

​7. 数据处理​

测试数据需通过公式计算最终指标，确保客观性：

• ​分辨率计算（8.1）​​：
  • ​物方分辨率（R_obj）​​：依据JB/T 9328判读（默认子午和弧矢方向均能分辨的最小线条宽度）。
  • ​像方分辨率（R_ima）计算​：
    • 当物距有限远时：公式为： Rima=∣500β0⋅β∣⋅RobjR_{\text{ima}} = \left| \frac{500}{\beta_0 \cdot \beta} \right| \cdot R_{\text{obj}}Rima​=​β0​⋅β500​​⋅Robj​ 其中，β₀（平行光管垂轴放大率） = (L - WD) / (f₀ + d)，β（相机垂轴放大率）需根据相机参数计算。L为物距，WD为工作距离，f₀为平行光管焦距，d为分划板移动距离（与水折射率n₁相关）。
    • 当物距无限远时：公式为： Rima=∣500f0f∣⋅RobjR_{\text{ima}} = \left| \frac{500 f_0}{f} \right| \cdot R_{\text{obj}}Rima​=​f500f0​​​⋅Robj​ f为待测相机焦距。
• ​畸变计算（8.2）​​：
  • 使用相对畸变公式： M=pxp2+yp2−ftan⁡ωpftan⁡ωp×100%M = \frac{p \sqrt{x_p^2 + y_p^2} - f \tan \omega_p}{f \tan \omega_p} \times 100\%M=ftanωp​pxp2​+yp2​​−ftanωp​​×100% 其中，M为畸变值，p为像元尺寸，x_p和y_p为像素坐标，ω_p为云台旋转角度。
  • 注意：不指定时，畸变默认为相对畸变。

​8. 测试报告​

报告需完整记录测试过程和结果，确保可追溯性：

• ​内容要求​：
  • ​基本信息​：相机编号、测试时间、地点、环境温度、测试水深、水体衰减系数。
  • ​测试结果​：分辨率值（线对每毫米）、畸变值（百分比）。
  • ​报告格式​：参考附录A（资料性），包括测试记录表（如相机编号、测试次数、平均值等）。
• ​记录表示例（附录A）​​：结构化表格包含测试项目、日期、环境参数、结果（分辨率、畸变），以及测试者、校对者和审核者签名栏。

​9. 附录和参考文献​

• ​附录A​：提供测试报告记录表模板，用于标准化数据录入。
• ​参考文献​：列出12个引用源（如GB/T 10050-2009、JB/T 7473-2014、李学龙专著《涉水光学》），支持测试方法的理论基础和实践指导。

​10. 标准意义与应用​

本标准为水下相机光学系统提供了系统化、可操作的测试框架，强调环境适应性和数据准确性。适用于海洋观测、水下机器人、资源勘探等领域，有助于提升国产水下成像设备的技术水平。通过规范测试条件、设备和方法，标准解决了水下像质测试的挑战（如水体散射影响），促进产业标准化发展。用户应结合规范性引用文件，确保测试合规，并定期参考更新版本。