Kalibreringsmetoden forbedrer videnskabelig forskning udført med smartphone-kameraer

Selvom smartphones og andre forbrugerkameraer i stigende grad bruges til videnskabelige applikationer, det er svært at sammenligne og kombinere data fra forskellige enheder. En ny brugervenlig standardiseret metode gør det muligt for næsten alle at kalibrere disse kameraer uden noget specialudstyr, at hjælpe amatører, videnskabsstuderende og professionelle videnskabsmænd til at erhverve nyttige data med ethvert forbrugerkamera.

"De lave omkostninger ved forbrugerkameraer gør dem ideelle til projekter, der involverer implementering i stor skala, autonom overvågning eller borgervidenskab, sagde Olivier Burggraaff, der ledede forskerholdet fra Leiden Universitet i Holland, der udviklede kalibreringsmetoden. "Vores standardiserede kalibreringsmetode vil gøre det lettere for enhver at bruge et forbrugerkamera til at gøre ting som at måle forurening ved at detektere aerosolpartikler i luften."

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik Express , den multi-institutionelle gruppe af forskere rapporterer deres nye standardiserede kalibreringsmetode og database, kaldet SPECTACLE (Standardized Photographic Equipment Calibration Technique And CataLoguE), som kan bruges til smartphones, digitale reflekskameraer med enkelt objektiv og kameraer ombord på droner. Databasen giver brugerne mulighed for at uploade kalibreringsdata fra deres kameraer, som andre kan bruge.

"SPECTACLE inkluderer mange gør-det-selv (DIY) metoder, som vi fandt, gav resultater, der kan sammenlignes med professionelle metoder, der kræver avanceret laboratorieudstyr, sagde Burggraaff.

Forbedring af borgervidenskaben

Den standardiserede kalibreringsmetode blev udviklet som svar på et behov, der opstod som Burggraaff og hans Leiden Univ. kolleger udviklede borgervidenskabelige metoder til at måle optisk vandkvalitet ved hjælp af en smartphone-tilføjelse kaldet iSPEX (Spectropolarimeter for Planetary EXploration), de oprindeligt udviklet til at måle luftforurening. Denne tilføjelse giver et smartphone-kamera mulighed for at måle ekstra optisk information såsom hyperspektrale og polarimetriske data. SPECTACLE og iSPEX er en del af MONOCLE (Multiscale Observation Networks for Optical Monitoring of Coastal Waters, søer og flodmundinger), et projekt finansieret af Europa-Kommissionen med det formål at skabe bæredygtige løsninger til måling af optisk vandkvalitet.

"For at bruge smartphone-kameraer til at måle vandkvalitet er vi nødt til at forstå dem godt, fordi hver producent og hver enhed har sine egne karakteristika, " sagde Burggraaff. "SPECTACLE samler mange eksisterende kalibreringsmetoder og anvender dem for første gang på forbrugerkameraer, hvilket vil gøre det meget nemmere for andre udviklere og for os at bruge disse kameraer til videnskabelige formål."

Selvom kalibreringsmetoder til forbrugerkameraer er blevet udviklet tidligere, disse bestræbelser blev ofte hæmmet af manglende adgang til softwaren eller tilgængelig information om enhederne. For eksempel, indtil for nylig var det ikke muligt at få adgang til data direkte fra kamerasensoren – kendt som såkaldte RAW-data – eller at styre mange kameraindstillinger som fokus eller eksponering. Imidlertid, nye versioner af iOS og Android tillader begge dele.

"Som en del af SPECTACLE, vi udvikler en ramme for begge operativsystemer til at foretage målinger ved hjælp af RAW-data og behandle disse på telefonen, hvilket simpelthen ikke var muligt for et par år siden, sagde Burggraaff.

DIY vs. laboratoriemetoder

For at teste de nye kalibreringsmetoder, forskerne sammenlignede dem med etablerede metoder ved hjælp af flere kameraer. De fandt, for eksempel, at gør-det-selv-metoden til at måle, hvordan linsen fordeler lys på sensoren, kendt som flad fielding, matchede inden for 5 procent af resultaterne fra standardmetoden, der kræver en integrerende sfære i en laboratorieopsætning. DIY-metoden involverede at tape papir på kameraet og tage billeder af solen eller en computerskærm.

De testede også de spektrale responskurver af et smartphone-kamera med iSPEX påsat og var i stand til at opnå resultater inden for 4 procent af den professionelle målemetode, hvilket kræver en dyr og vanskeligt betjent monokromator. Kalibreringen af ​​et enkelt kamera kan tage en halv dag med en monokromator, men gør-det-selv-metoden krævede blot at tage et enkelt billede af et stykke printerpapir i solen.

"Vi testede en række kameraer og fandt interessante forskelle og ligheder mellem dem, " sagde Burggraaff. "F.eks. kameraernes reaktion på forskellige bølgelængder af lys, kendt som spektrale responskurver, var meget ens blandt de fleste kameraer bortset fra nogle få enheder, der viste forskelle, der kunne påvirke, hvordan kameraerne sanser og gengiver farver, selv når man afbilder nøjagtig den samme scene."

Forskerne planlægger at anvende SPECTACLE-metoden på et meget større antal kameraer for at udfylde databasen og få en bredere idé om kameraegenskaber. Dette vil blive gjort af forskerne såvel som alle, der ønsker at uploade deres kalibreringsdata til databasen. De fortsætter også med at udvikle iSPEX-smartphone-tilføjelsen for at forbedre dens evne til at indsamle vand- og luftforureningsmålinger. Dette indebærer at fremme dets fysiske design og algoritmerne til at hente videnskabelige resultater fra dets data, mens SPECTACLE-metoderne og databasen bruges til at kombinere data fra forskellige smartphones.