GB∕T 43531-2023 多目拼接全景成像设备光学性能测试方法（正式版）

多目拼接全景成像设备光学性能测试方法2023-12-28发布GB/T43531—2023 I 2规范性引用文件 3术语和定义 4测试设备 5测试条件 26测试方法 6.1测试前准备 6.2测试项目 36.2.1水平视场角 6.2.2帧率 66.2.3延时 6.2.4同步性 6.2.5拼接错位 96.2.6相邻目色差 6.2.7分辨力 6.2.8畸变率 6.2.9清晰度差 7测试报告 附录A(资料性)测试报告记录表 参考文献 I本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国科学院提出。本文件由全国光电测量标准化技术委员会(SAC/TC487)归口。本文件起草单位：之江实验室、浙江大华技术股份有限公司、深圳市聚芯影像有限公司、浙江省光学学会、福建艾思欧信息科技有限公司、浙江宇视科技有限公司、中国科学院空天信息创新研究院、浙江省计量科学研究院、北京元客方舟科技有限公司、苏州华英光电仪器有限公司、中国计量大学、舟山市质量技术监督检测研究院、深圳铭创智能装备有限公司、重庆中科摇橹船科技有限公司、浙江省智能技术标准创新促进会、西安远望图像技术有限公司、北京万集科技股份有限公司、河南翊轩光电科技有限公司、深圳捷牛科技有限公司、凌云光技术股份有限公司、中核勘察设计研究有限公司、深圳市度申科技有限公司、中电科思仪科技股份有限公司。1多目拼接全景成像设备光学性能测试方法本文件描述了多目拼接全景成像设备(以下简称全景成像设备)的光学性能的测试设备、测试条件本文件适用于多目拼接全景成像设备光学性能的测试。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T18721.2—2017印刷技术印前数据交换第2部分：XYZ/sRGB编码的标准彩色图像数据(XYZ/SCID)ISO12233摄影电子静态图像成像分辨率和空间频率响应(Photography—Electronicstillpictureimaging—Resolutionandspatialfrequencyresponses)IEC61966-2-1:1999多媒体系统与设备色彩测量和管理第2-1部分：色彩管理默认RGB色彩空间sRGB(Multimediasystemsandequipment—Colourmeasurementandmanagement—Part2-1:Colourmanagement—DefaultRGBcolourspace—sRGB)3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。由一个镜头加一个图像传感器组成的图像采集单元。由两个或两个以上目的视场来覆盖一个大的场景，并通过图像拼接技术处理各目之间的接合处，使之融合成具有更大视场角度的画面。多目拼接全景成像设备不同目之间采集图像的时间差。全景成像设备成像过程中消耗的时间。2注：传感器接收到图像信号至输出图像电子信号的时间，包含硬件和软件的延时，单位为毫秒(ms)。拼接错位splicingmisplacementP不同目对于同一目标点的成像位置偏差。注：用像素数量表示。△相邻目之间对于同一颜色呈现的差异。注：用IDMS色差△表示。清晰度差adjacentviewdefinitiondifference相邻目清晰度差值的最大值。4测试设备所需的测试设备应满足下列要求。a)在线秒表(或在线北京时间网页):分辨力优于1ms。b)带刻度钢尺支架：最小分度值优于1mm。c)平面反射镜：镜片的尺寸应能保证在线秒表示数完整成像。d)分辨力测试卡：满足ISO12233的分辨力测试图要求。e)棋盘格：规格为20mm×20mm(结合待测全景成像设备参数选择)。f)标准光源对色灯箱：Ds₅光源，色温(6500±200)K,照度值(1540±460)lx。g)标准色卡：使用24色标准色卡中的红、绿、蓝三种颜色的色卡。h)成像亮度计：亮度精度优于3%,所配套的分析软件可自选分析区域。i)显示器：刷新率优于120Hz。j)主机：支持与全景成像设备的数据接口互连、支持图像显示。k)图像处理软件：应至少满足以下功能。1)具有图像区域选取功能。2)能读取选取区域的像素个数。3)能对选取区域的像素提取sRGB图像数据，即R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)三通道8位编码值。1)待测设备控制软件：待测全景成像设备自带的控制软件，可显示、记录待测全景成像设备的图像或视频。m)黑室：照度低于0.2lx。5测试条件除特别声明环境条件的试验外，试验应在下列环境条件下进行：b)相对湿度：25%～85%。36测试方法6.1测试前准备全景成像设备应设置为彩色模式，并将设备调整到最佳聚焦状态，即对拍摄物体能清晰成像。全景成像设备连接电源，其数据接口与主机互连，主机与显示器相连，使全景成像设备正常工作，并通过待测设备控制软件，显示和记录图像或视频。6.2测试项目6.2.1水平视场角6.2.1.1测试原理用待测全景成像设备拍摄带刻度钢尺支架，分析图像显示的数值，计算水平视场角。测试示意图见图1和图2,图中αμ、β分别表示全景成像设备可达的视场左边线和右边线与水平方向的夹角，LA、LB表示带刻度的钢尺支架移动的距离，H₄、Hβ分别表示A到A'、B到B'的垂直方向高度变化。将两个带刻度钢尺支架平行放置在待测全景成像设备两边，通过读取带刻度钢尺支架在两个位置处的钢尺成标引序号说明：1——带刻度钢尺支架；2——全景成像设备。图1小于180°的水平视场角测试示意图4GB/T43531—2023标引序号说明：1——带刻度钢尺支架；2——全景成像设备。图2大于180°水平视场角测试示意图若待测全景成像设备水平视场角过大，接近360°时，两边的钢尺距离过近，成像困难，从而带来较大误差。可采用图3所示的方法，图中αv、βv分别表示全景成像设备可达的视场左边线和右边线与垂直方向的夹角，LA、Lg分别表示A到A'、B到B'的水平移动距离，H表示钢尺垂直方向移动的距离。将带刻度钢尺支架放置在待测全景成像设备中心视场背面，通过读取钢尺支架在两个位置成像的最大位置A、A'、B、B'的示数，结合三角形余弦定理，可计算得到水平视场角θ。标引序号说明：1——带刻度钢尺支架；2——全景成像设备。图3较大水平视场角测试示意图对于测试原理为图1和图2的全景成像设备，其测试步骤如下所述。a)将两个带刻度钢尺支架和待测全景成像设备固定在水平平板上，两个钢尺支架平行放置于待测全景成像设备的两侧，并在待测全景成像设备中能够清晰成像，将与钢尺平行的方向定义为垂直方向，与钢尺垂直的方向定义为水平方向。5GB/T43531—2023b)分别读取此时两个钢尺在待测全景成像设备中成像的最大位置A、B的刻度示数。c)向两边平行移动两个钢尺支架，移动距离分别为LA、LB。此时，若水平视场角小于180°,钢尺示数则向上移动，如图1所示；若水平视场角大于180°,钢尺示数则向下移动，如图2所示；当水平视场角刚好为180°时，钢尺示数无变化。d)读取移动后两个钢尺在待测全景成像设备中成像的最大位置A'、B'的刻度示数，结合步骤b)的刻度示数，二者相减可得到A到A'、B到B'的垂直方向高度变化，分别为H₄、Hg。对于测试原理为图3的全景成像设备，其测试步骤如下所述。a)将钢尺支架放置在待测全景成像设备中心视场的背面，使钢尺能清晰成像，读取成像的最大位置A、B对应的刻度示数。b)向下垂直移动钢尺支架，移动距离为H。c)读取移动后视场的左边线刻度A'的示数和视场右边线刻度B'的读数，结合步骤a)的读数，得到A到A'、B到B'的水平移动距离LA、Lβ。6.2.1.3数据处理对于图1的测试情况，水平视场角θ的计算方法为公式(1):θ=180°-αg-βr (1)式中：θ——全景成像设备的水平视场角，单位为度(°);α——全景成像设备可达的视场左边线与水平方向的夹角，计算方法为公式(2),单位为度(°);βH——全景成像设备可达的视场右边线与水平方向的夹角，计算方法为公式(3),单位为度(°)。式中：H₄——左边标尺A位置在垂直方向的刻度变化，单位为毫米(mm);L₄——左边标尺的水平移动距离，单位为毫米(mm)。……………(2)式中：Hg——右边标尺B位置在垂直方向的刻度变化，单位为毫米(mm);Lε——右边标尺的水平移动距离，单位为毫米(mm)。对于图2的测试情况，水平视场角的计算方法为公式(4):θ=180°+αn+βt………(4)对于图3的测试情况，水平视场角的计算方法为公式(5):θ=360°—αy—β、……(5)式中：0——全景成像设备的水平视场角，单位为度(°);αv——全景成像设备可达的视场左边线与垂直方向的夹角，计算方法为公式(6),单位为度(“);βv——全景成像设备可达的视场右边线与垂直方向的夹角，计算方法为公式(7),单位为度(°)。6GB/T43531—2023式中：LA——钢尺移动后成像的最大位置A到A'的水平距离，单位为毫米(mm);H——钢尺移动的垂直距离，单位为毫米(mm)。式中：Lg——钢尺移动后成像的最大位置B到B'的水平距离，单位为毫米(mm)。通过待测全景成像设备拍摄在线秒表，分析每秒录像中包含的帧数，计算帧率。测试系统示意图见标引序号说明：1——全景成像设备；2——显示器；3——主机。图4测试系统示意图帧率的测试步骤如下所述。a)采用在线秒表计时，待测全景成像设备对准秒表录像，同时通过显示器中待测全景成像设备的控制软件记录录像视频，录像时间应不小于120s。b)随机选取至少n段(n应不小于6)不重复且时长为r(r应不小于20s)的视频录像，对视频录像进行单帧回放。c)记录每段视频的帧数值N₁~N,,帧率用算术平均值f表示。帧率f的计算方法为公式(8):7式中：N;——图像帧数；n——截取视频段的数量；r——每段视频的时长，单位为秒(s)。6.2.3.1测试原理通过待测全景成像设备拍摄在线秒表，分析在线秒表与所成图像上秒表的差值，计算延时。延时的测试系统连接示意图见图4。6.2.3.2测试步骤延时的测试步骤如下所述。a)将待测全景成像设备与显示器互连，在显示装置上同时显示秒表的界面和待测全景成像设备拍摄所得的图像。b)启动在线秒表，获取图像，截取显示器中的整体画面，并通过所获得的图像读取秒表的示数T₁、全景成像设备拍摄的在线秒表示数T。,计算单次试验的延时△T₁。6.2.3.3数据处理单次试验的延时△T₁计算方法为公式(9):式中：△T₁——单次试验得到的延时，单位为毫秒(ms);T₁——在线秒表的示数，单位为毫秒(ms);T₂——全景成像设备拍摄的在线秒表示数，单位为毫秒(ms)。平均延时△T的计算方法为公式(10):式中：△T;——第i次试验的延时，单位为毫秒(ms);n——试验次数。6.2.4同步性6.2.4.1测试原理通过不同目拍摄多个同步时间源的方式测试同步性，多个同步时间源可通过同一在线秒表在多个平面反射镜中成像实现。通过分析图像中每个在线秒表的时间差异，计算同步性。其测试系统连接示意图可参考图5。8GB/T43531—2023223标引序号说明：3——主机；4——显示器。图5同步性测试系统连接示意图6.2.4.2测试步骤同步性的测试步骤如下所述。a)在显示器上显示在线秒表，在显示器前放置与待测全景成像设备目数m相同的平面反射镜，调整待测全景成像设备与平面反射镜的位置，使得在线秒表能在每个平面反射镜中成像，并使待测全景成像设备的每一目均能拍摄到在线秒表在平面反射镜中的像。b)启动秒表，在显示器中可获取待测全景成像设备拍摄的全景图像，对全景图像进行截屏，并读取所获取图像中每目显示的秒表时间t₁~t。,计算同步性△t。c)重复前述测试步骤n次(n应不小于6),取算术平均值。d)若待测全景成像设备水平视场角过大(例如360°),导致所有目之间的同步性无法在一次试验中确定，可分区域测量(相邻测量区域至少有一目重合),重复步骤a)～c),由此得到同步性。6.2.4.3数据处理单次试验同步性△t的计算方法为公式(11):△t=tmax—tmit…………(11)式中：△t——单次测量同步性差值，单位为毫秒(ms);tmax——单次测量各目中在线秒表示数的最大值，单位为毫秒(ms);tmn—-单次测量各目中在线秒表示数的最小值，单位为毫秒(ms)待测全景成像设备的同步性△t的计算方法为公式(12):式中：待测全景成像设备的同步性，单位为毫秒(ms);△t;——第i次试验的同步性，单位为毫秒(ms);n——试验次数。9拼接图像的错位用标准棋盘格测试图测试，将待测全景成像设备固定后对准标准棋盘格拍摄，在水平方向上左右转动设备，通过分析拼缝所在位置的棋盘格错位量计算拼接错位值，第i个拼缝的错位量用角点错位的像素个数P;表示，错位示意图见图6。图6拼接错位像素示意图拼接错位的测试步骤如下所述。a)用标准的实物图卡测试，测试卡放置在待测全景成像设备的成像距离内。b)转动相机使得待测全景成像设备图像中的一个拼缝与棋盘格角点对齐，示意图见图7,截取图像。c)用图像处理软件在图像上、中、下三部分取相同大小的区域，每个区域均包含该拼缝(见图7)。在每部分的拼缝处，计算各部分中各棋盘格角点的错位像素的算术平均值。将算术平均值中的最大值作为该拼缝的拼接误差P₁。d)重复步骤b)和c),计算每个拼缝的拼接误差P;。e)取P;中的最大值作为设备的拼接误差P。图7拼接错位全景图像划分示意图GB/T43531—2023拼接误差P;的计算方法为公式(13):P;=max{P(区域1),P(区域2),P(区域3)}……(13)式中：P;—-拼接误差；P(区域1)——区域1的拼接误差；P(区域2)——区域2的拼接误差；P(区域3)——区域3的拼接误差。6.2.6相邻目色差用待测全景成像设备拍摄红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)三种标准色卡，通过测试相邻目对于同一色场的差异，得到相邻目在R、G、B三种色场的色差。测试系统示意图见图8。332旋转45标引序号说明：1——标准色卡；2——全景成像设备；3——标准光源对色灯箱；4——显示器；5——主机。图8色差测试系统示意图相邻目色差的测试步骤如下所述。a)将红色标准色卡放置在标准光源对色灯箱中心位置，打开D光源。b)调整待测全景成像设备位置并固定，使得相邻两目可同时对色卡成像，待图像稳定后截取图像，转动待测全景成像设备，采用相同方法得到其他相邻目同时对色卡的成像图。c)选取全景图像相邻目图像的两块特定区域(关于拼缝对称),区域大小为10mm×10mm,区GB/T43531—2023域选择示意图见图9,使用图像处理软件获取该区域内所有像素的sRGB图像数据，并计算得三通道8位编码值的算术平均值Rghi、Gghi、Bghi。d)将测得的结果由sRGB数值转化为CIE1931XYZ三色刺激值。标引序号说明：1——量测区域图9区域选取示意图e)分别由XYZ三刺激值计算色品坐标x、y、z,根据xy值计算两目对应的u,v值，最终两目之间的色差用△表示。f)重复步骤a)～e),将色卡分别换成绿色、蓝色，由此可分别得到待测全景成像设备在红、绿、蓝三原色下的色差。由8位sRGB值转化为CIE1931XYZ三刺激值的计算按GB/T18721.2—2017和IEC61966-2-1:1999的规定进行，转化公式为公式(14)和公式(15):R'Rc——sRGB图像的R通道归一化颜色值；Rabit——sRGB的R通道8位编码值；G'RcB——sRGB图像的G通道归一化颜色值；Gsht——sRGB的G通道8位编码值；B'sRGB——SRGB图像的B通道归一化颜色值；Bghi——sRGB的B通道8位编码值。若R'Rc≤0.04045,则R。RCB=R'RGB/12.92;否则R。RGB=[(R'R+0.055)/1.055]2.4。若G'RGB≤0.04045,则GRG=G'RGB/12.92;否则Gg=[(G'sRG+0.055)/1.055]2.4。若B'RC≤0.04045,则B,RC=B'。RG/12.92;否则BRG=[(B'RG+0.055)/1.055]2.4。将其转化为三刺激值：…………… CIE1931标准色度系统中的三刺激值；GB/T43531—2023由三刺激值计算色品坐标的计算方法为公式(16):…式中：x、y、x——CIE1931标准色度系统中的色品坐标。色差△的计算方法为公式(17)～公式(19):式中：u;、v;——第i目中的测量区域在uv色度空间中的色度值；…………(18)x、y,—第i目中的测量区域在CIE1931标准色度系统中的色品坐标值 式中：△——色差值；ui+1、V+1——第i+1目中的测量区域在uv色度空间中的色度值。待测全景成像设备的分辨力使用分辨力测试卡测试，通过最大可视线数表示分辨力大小。分辨力的测试步骤如下所述。a)将分辨力测试卡固定在竖直平面上，将待测全景成像设备放置于分辨力测试卡前，并与显示器相连接，根据待测全景成像设备图像比例在分辨力测试卡中框选对应比例的区域，使得分辨力测试卡正好充满纵向方向其中一目的拍摄画面，并使分辨力测试卡能完整地显示在画面中，示意图见图10(显示的是4:3的结果)。b)当待测全景成像设备稳定后，截取图像。图10分辨力测试卡示意图6.2.7.3数据处理对于截取的图像，从低频开始查看，将视觉分辨力评估图案的楔形线数发生变化(由5条变为4条，或由9条变为8条)的空间频率作为分辨力，即可得到在水平与垂直方向上的分辨力数值，读数单位为100LW/PH(线宽/像高)。6.2.8.1测试原理图像的畸变用畸变率表示，采用标准棋盘格测试，所需的尺寸与待测全景成像设备相匹配。通过分析选定区域中心与边缘的尺寸差异比计算畸变率。畸变率的测试步骤如下所述。a)将棋盘格竖直放置，把待测全景成像设备放置于测试卡前，并与显示器相连接，将设备调整移动至合适的位置，使其能清晰成像。b)调整棋盘格，使其与全景成像设备的其中一目的中轴线垂直，且充满该目画面。c)启动设备，录制一段视频。d)保存稳定画面至少5幅，在图像最边缘完整棋盘格处标注线段，竖直和水平方向畸变率数据分析方法示意图分别见图11和图12,分别计算纵向畸变率与横向畸变率。图11竖直畸变率数据分析方法图12水平畸变率数据分析方法纵向畸变率与横向畸变率计算方法为公式(20)和公式(21):M——纵向畸变率；x₁——图像最左端线段的长度，单位为厘米(cm);x?——图像最右端线段的长度，单位为厘米(cm);式中：x|——图像最上端线段的长度，单位为厘米(cm);y′——图像横向中心线段的长度，单位为厘米(cm)。………………通过全景成像设备拍摄的黑白条纹图像，分析黑色与白色图像过渡区域的亮度变化情况，清晰度差用亮度的变化斜率表示，测试示意图如图13所示。标引序号说明：1——显示器1;2——黑白条纹图像；3——全景成像设备；4——黑室；5——显示器2;6——成像亮度计。图13成像清晰度测试示意图清晰度差的测试步骤如下所述。a)在黑室中，在显示器1中显示黑白条纹图像。待测全景成像设备与显示器2连接，显示器2置于另外的黑室中，避免两个显示器亮度互相干扰。b)调整待测全景成像设备至合适的成像位置，使图像显示器显示的图像在第1目和第2目清晰成像。c)待图像稳定后，用成像亮度计拍摄图像，在第1目中心区域选取线区域(应贯穿黑白区域),如图14所示，分析线区域的亮度，绘制亮度-像素位置曲线，曲线分析示意图如图15所示。d)随机选取曲线中两个峰值区域不少于20个像素点的值，分别计算峰值的亮度平均值e)随机选取曲线中谷值区域不少于20个像素点的值，计算谷值区域的平均亮度值Lb。f)选取曲线中下阶跃区域亮度范围为(10%Lw+L,)~90%Lw的值作一阶线性拟合，成像清晰度用该拟合斜率k:表示。g)选取曲线中上阶跃区域亮度范围为(10%Lw