校準(zhǔn)方法改進了智能手機相機的科學(xué)研究

 

 

 

“消費級相機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)的項目的理想選擇，”負責(zé)開發(fā)校準(zhǔn)方法的荷蘭萊頓大學(xué)研究團隊的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類相機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，多機構(gòu)研究小組報告了他們新的標(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，數(shù)字單鏡頭反射相機和無人機上的相機。該數(shù)據(jù)庫允許用戶從他們的相機上傳校準(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)果可與需要實驗室設(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相機測量額外的光學(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。

 

“使用智能手機相機測量水質(zhì)我們需要很好地理解它們，因為每個制造商和每個設(shè)備都有自己的特點，”Burggraaff說。“SPECTACLE匯集了許多現(xiàn)有的校準(zhǔn)方法，并將它們應(yīng)用于消費者相機，這將使其他開發(fā)人員和我們將這些相機用于科學(xué)目的變得更加容易。”

 

盡管先前已經(jīng)開發(fā)了用于消費者相機的校準(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)進行測量并在手機上處理這些數(shù)據(jù)，這在幾年前是不可能的，”Burggraaff說。

 

DIY與實驗室方法

 

為了測試新的校準(zhǔn)方法，研究人員使用幾臺攝像機將它們與既定方法進行了比較。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)與在實驗室設(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方法包括在相機上貼紙并獲取太陽圖像或計算機屏幕。

 

他們還測試了附帶iSPEX的智能手機相機的光譜響應(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，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)相機中非常相似，只有少數(shù)設(shè)備顯示出可能會影響相機感知和再現(xiàn)顏色的方式，即使在準(zhǔn)確成像時也是如此。同樣的場景。“

 

研究人員計劃將SPECTACLE方法應(yīng)用于更多數(shù)量的相機，以填充數(shù)據(jù)庫并更廣泛地了解相機屬性。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智能手機附件，以提高其獲取水和空氣污染測量的能力。這涉及推進其物理設(shè)計和從其數(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的數(shù)據(jù)。