Метод калибровки улучшает научные исследования, проводимые с помощью камер смартфона

Хотя смартфоны и другие бытовые камеры все чаще используются в научных целях, сложно сравнивать и комбинировать данные с разных устройств. Новый простой в использовании стандартизированный метод позволяет почти любому калибровать эти камеры без какого-либо специального оборудования, помогая любителям, студентам-естественникам и ученым-профессионалам получать полезные данные с любой бытовой камерой.

Хотя смартфоны и другие бытовые камеры все чаще используются в научных целях, сложно сравнивать и комбинировать данные с разных устройств. Новый простой в использовании стандартизированный метод позволяет почти любому калибровать эти камеры без какого-либо специального оборудования, помогая любителям, студентам-естественникам и ученым-профессионалам получать полезные данные с любой бытовой камерой.

«Низкая стоимость потребительских камер делает их идеальными для проектов, включающих крупномасштабное развертывание, автономный мониторинг или гражданскую науку», — сказал Оливье Бургграафф, который возглавлял исследовательскую группу из Лейденского университета в Нидерландах, которая разработала метод калибровки. «Наш стандартизированный метод калибровки позволит любому пользователю использовать обычную камеру для таких вещей, как измерение загрязнения путем обнаружения аэрозольных частиц в воздухе».

В журнале «Оптическое общество» (OSA) Optics Express многопрофильная группа исследователей сообщает о своем новом стандартизированном методе калибровки и базе данных под названием SPECTACLE (стандартизированная методика и каталог калибровки фотографического оборудования), которые можно использовать для смартфонов, цифровых однообъективных объективов. зеркальные камеры и камеры на дронах. База данных позволяет пользователям загружать данные калибровки со своих камер для использования другими пользователями.

«SPECTACLE включает в себя множество методов« сделай сам »(DIY), которые, как мы обнаружили, дают результаты, сопоставимые с профессиональными методами, которые требуют лабораторного оборудования высокого класса», — сказал Бургграфф.

Стандартизированный метод калибровки был разработан в ответ на потребность, возникшую у Бургграффа и его Лейденского университета. коллеги разрабатывают гражданские научные методы для измерения оптического качества воды с помощью надстройки для смартфона iSPEX (Spectropolarimeter for Planetary EXploration), которую они первоначально разработали для измерения загрязнения воздуха.

Это дополнение позволяет камере смартфона измерять дополнительную оптическую информацию, такую как гиперспектральные и поляриметрические данные. SPECTACLE и iSPEX являются частью MONOCLE (сети наблюдений за несколькими масштабами для оптического мониторинга прибрежных вод, озер и лиманов), проекта, финансируемого Европейской комиссией и направленного на создание устойчивых решений для измерения оптического качества воды.

«Чтобы использовать камеры смартфонов для измерения качества воды, мы должны хорошо их понимать, потому что каждый производитель и каждое устройство имеют свои особенности», — сказал Бургграфф. «SPECTACLE объединяет многие существующие методы калибровки и впервые применяет их к потребительским камерам, что значительно облегчит другим разработчикам и нам использование этих камер в научных целях».

Хотя методы калибровки для потребительских камер были разработаны ранее, этим усилиям часто препятствовало отсутствие доступа к программному обеспечению или доступной информации об устройствах. Например, до недавнего времени не было возможности получить доступ к данным непосредственно с датчика камеры — так называемых данных RAW — или управлять многими настройками камеры, такими как фокус или экспозиция. Тем не менее, новые версии iOS и Android позволяют оба.

«В рамках SPECTACLE мы разрабатываем платформу для обеих операционных систем, чтобы производить измерения с использованием данных RAW и обрабатывать их на телефоне, что просто было невозможно несколько лет назад», — сказал Бургграфф.

DIY против лабораторных методов

Чтобы проверить новые методы калибровки, исследователи сравнили их с установленными методами с использованием нескольких камер. Например, они обнаружили, что метод «сделай сам» для измерения того, как линза распределяет свет по сенсору, известный как плоское поле, соответствует в пределах 5 процентов результатов стандартного метода, который требует интегрирующей сферы в лабораторной установке. Метод «Сделай сам» включал приклеивание бумаги на камеру и получение изображения солнца или экрана компьютера.

Они также проверили кривые спектрального отклика камеры смартфона с подключенным iSPEX и смогли достичь результатов в пределах 4% от профессионального метода измерения, который требует дорогого и сложного в эксплуатации монохроматора. Калибровка одной камеры может занять полдня с помощью монохроматора, но метод «Сделай сам» требовал просто сфотографировать кусочек бумаги для принтера на солнце.

«Мы протестировали несколько камер и обнаружили интересные различия и сходства между ними», — сказал Бургграфф. «Например, отклики камер на разные длины волн света, известные как спектральные кривые отклика, были очень похожи среди большинства камер, за исключением нескольких устройств, которые демонстрировали различия, которые могли бы влиять на то, как камеры воспринимают и воспроизводят цвета, даже при отображении точных изображений. та же сцена.

Исследователи планируют применить методологию SPECTACLE к гораздо большему количеству камер, чтобы заполнить базу данных и получить более широкое представление о свойствах камеры. Это будет сделано исследователями, а также всеми, кто хочет загрузить свои данные калибровки в базу данных. Они также продолжают разработку дополнения для смартфона iSPEX, чтобы улучшить его способность измерять уровень загрязнения воды и воздуха. Это включает в себя усовершенствование его физического дизайна и алгоритмов извлечения научных результатов из его данных при использовании методов и базы данных SPECTACLE для объединения данных с разных смартфонов.