雖然智能手機(jī)和其他消費(fèi)類相機(jī)越來越多地用于科學(xué)應(yīng)用，但很難比較和組合來自不同設(shè)備的數(shù)據(jù)。一種新的易于使用的標(biāo)準(zhǔn)化方法使幾乎任何人都可以在沒有任何設(shè)備的情況下校準(zhǔn)這些攝像機(jī)，幫助業(yè)余愛好者，理科學(xué)生和專業(yè)科學(xué)家使用任何消費(fèi)者攝像頭獲取有用的數(shù)據(jù)。
“消費(fèi)級相機(jī)的低成本使其成為涉及大規(guī)模部署，自主監(jiān)控或公民科學(xué)的項(xiàng)目的理想選擇，”負(fù)責(zé)開發(fā)校準(zhǔn)方法的荷蘭萊頓大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的Olivier Burggraaff說。“我們的標(biāo)準(zhǔn)化校準(zhǔn)方法將使任何人都可以更輕松地使用消費(fèi)類相機(jī)來檢測空氣中的氣溶膠粒子來測量污染。”
在光學(xué)學(xué)會(OSA)期刊Optics Express中，多機(jī)構(gòu)研究小組報(bào)告了他們新的標(biāo)準(zhǔn)化校準(zhǔn)方法和數(shù)據(jù)庫，稱為SPECTACLE(標(biāo)準(zhǔn)化攝影器材校準(zhǔn)技術(shù)和目錄)，可用于智能手機(jī)，數(shù)字單鏡頭反射相機(jī)和無人機(jī)上的相機(jī)。該數(shù)據(jù)庫允許用戶從他們的相機(jī)上傳校準(zhǔn)數(shù)據(jù)供其他人使用。
“SPECTACLE包括許多自己動手(DIY)方法，我們發(fā)現(xiàn)這些方法提供的結(jié)果可與需要實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的專業(yè)方法相媲美，”Burggraaff說。
改善公民科學(xué)
標(biāo)準(zhǔn)化校準(zhǔn)方法的開發(fā)是為了滿足Burggraaff和他的萊頓大學(xué)的需求。同事們正在開發(fā)公民科學(xué)方法來測量光學(xué)水質(zhì)，使用智能手機(jī)附件iSPEX(Planetary Exploration的Spectropolarimeter)，他們初開發(fā)用于測量空氣污染。此附加組件允許智能手機(jī)相機(jī)測量額外的光學(xué)信息，如高光譜和極化數(shù)據(jù)。SPECTACLE和iSPEX是MONOCLE(沿海水域，湖泊和河口光學(xué)監(jiān)測的多尺度觀測網(wǎng)絡(luò))的一部分，該項(xiàng)目由歐盟委員會資助，旨在創(chuàng)建可持續(xù)的光學(xué)水質(zhì)測量解決方案。
“使用智能手機(jī)相機(jī)測量水質(zhì)我們需要很好地理解它們，因?yàn)槊總€制造商和每個設(shè)備都有自己的特點(diǎn)，”Burggraaff說。“SPECTACLE匯集了許多現(xiàn)有的校準(zhǔn)方法，并將它們應(yīng)用于消費(fèi)者相機(jī)，這將使其他開發(fā)人員和我們將這些相機(jī)用于科學(xué)目的變得更加容易。”
盡管先前已經(jīng)開發(fā)了用于消費(fèi)者相機(jī)的校準(zhǔn)方法，但是這些努力經(jīng)常因缺乏對軟件的訪問或關(guān)于設(shè)備的可用信息而受到阻礙。例如，直到近才能直接從相機(jī)傳感器訪問數(shù)據(jù) - 稱為所謂的RAW數(shù)據(jù) - 或者控制許多相機(jī)設(shè)置，如聚焦或曝光。但是，新版本的iOS和Android都允許這兩種版本。
“作為SPECTACLE的一部分，我們正在為兩個操作系統(tǒng)開發(fā)一個框架，使用RAW數(shù)據(jù)進(jìn)行測量并在手機(jī)上處理這些數(shù)據(jù)，這在幾年前是不可能的，”Burggraaff說。
DIY與實(shí)驗(yàn)室方法
為了測試新的校準(zhǔn)方法，研究人員使用幾臺攝像機(jī)將它們與既定方法進(jìn)行了比較。例如，他們發(fā)現(xiàn)用于測量透鏡如何在傳感器上分布光的DIY方法(稱為平面防護(hù))與在實(shí)驗(yàn)室設(shè)置中需要積分球的標(biāo)準(zhǔn)方法的結(jié)果的5%相匹配。DIY方法包括在相機(jī)上貼紙并獲取太陽圖像或計(jì)算機(jī)屏幕。
他們還測試了附帶iSPEX的智能手機(jī)相機(jī)的光譜響應(yīng)曲線，并且能夠在專業(yè)測量方法的4%范圍內(nèi)獲得結(jié)果，這需要昂貴且難以操作的單色器。使用單色器校準(zhǔn)單個相機(jī)可能需要半天，但DIY方法只需在陽光下拍攝一張打印紙即可。
“我們測試了許多相機(jī)，發(fā)現(xiàn)它們之間存在著有趣的差異和相似之處，”Burggraaff說。“例如，相機(jī)對不同波長的光線的響應(yīng)，稱為光譜響應(yīng)曲線，在大多數(shù)相機(jī)中非常相似，只有少數(shù)設(shè)備顯示出可能會影響相機(jī)感知和再現(xiàn)顏色的方式，即使在準(zhǔn)確成像時也是如此。同樣的場景。“
研究人員計(jì)劃將SPECTACLE方法應(yīng)用于更多數(shù)量的相機(jī)，以填充數(shù)據(jù)庫并更廣泛地了解相機(jī)屬性。這將由研究人員以及想要將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫的任何人完成。他們還在繼續(xù)開發(fā)iSPEX智能手機(jī)附件，以提高其獲取水和空氣污染測量的能力。這涉及推進(jìn)其物理設(shè)計(jì)和從其數(shù)據(jù)中檢索科學(xué)結(jié)果的算法，同時使用SPECTACLE方法和數(shù)據(jù)庫來組合來自不同智能手機(jī)的數(shù)據(jù)。
