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校准方法改进了智能手机相机的科学研究

发布日期: 2020-09-01
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 虽然智能手机和其他消费类相机越来越多地用于科学应用,但很难比较和组合来自不同设备的数据。一种新的易于使用的标准化方法使几乎任何人都可以在没有任何专用设备的情况下校准这些摄像机,帮助业余爱好者,理科学生和专业科学家使用任何消费者摄像头获取有用的数据。
 
 
 
“消费级相机的低成本使其成为涉及大规模部署,自主监控或公民科学的项目的理想选择,”负责开发校准方法的荷兰莱顿大学研究团队的Olivier Burggraaff说。“我们的标准化校准方法将使任何人都可以更轻松地使用消费类相机来检测空气中的气溶胶粒子来测量污染。”
 
在光学学会(OSA)期刊Optics Express中,多机构研究小组报告了他们新的标准化校准方法和数据库,称为SPECTACLE(标准化摄影器材校准技术和目录),可用于智能手机,数字单镜头反射相机和无人机上的相机。该数据库允许用户从他们的相机上传校准数据供其他人使用。
 
“SPECTACLE包括许多自己动手(DIY)方法,我们发现这些方法提供的结果可与需要高端实验室设备的专业方法相媲美,”Burggraaff说。
 
改善公民科学
 
标准化校准方法的开发是为了满足Burggraaff和他的莱顿大学的需求。同事们正在开发公民科学方法来测量光学水质,使用智能手机附件iSPEX(Planetary Exploration的Spectropolarimeter),他们最初开发用于测量空气污染。此附加组件允许智能手机相机测量额外的光学信息,如高光谱和极化数据。SPECTACLE和iSPEX是MONOCLE(沿海水域,湖泊和河口光学监测的多尺度观测网络)的一部分,该项目由欧盟委员会资助,旨在创建可持续的光学水质测量解决方案。
 
“使用智能手机相机测量水质我们需要很好地理解它们,因为每个制造商和每个设备都有自己的特点,”Burggraaff说。“SPECTACLE汇集了许多现有的校准方法,并首次将它们应用于消费者相机,这将使其他开发人员和我们将这些相机用于科学目的变得更加容易。”
 
尽管先前已经开发了用于消费者相机的校准方法,但是这些努力经常因缺乏对软件的访问或关于设备的可用信息而受到阻碍。例如,直到最近才能直接从相机传感器访问数据 - 称为所谓的RAW数据 - 或者控制许多相机设置,如聚焦或曝光。但是,新版本的iOS和Android都允许这两种版本。
 
“作为SPECTACLE的一部分,我们正在为两个操作系统开发一个框架,使用RAW数据进行测量并在手机上处理这些数据,这在几年前是不可能的,”Burggraaff说。
 
DIY与实验室方法
 
为了测试新的校准方法,研究人员使用几台摄像机将它们与既定方法进行了比较。例如,他们发现用于测量透镜如何在传感器上分布光的DIY方法(称为平面防护)与在实验室设置中需要积分球的标准方法的结果的5%相匹配。DIY方法包括在相机上贴纸并获取太阳图像或计算机屏幕。
 
他们还测试了附带iSPEX的智能手机相机的光谱响应曲线,并且能够在专业测量方法的4%范围内获得结果,这需要昂贵且难以操作的单色器。使用单色器校准单个相机可能需要半天,但DIY方法只需在阳光下拍摄一张打印纸即可。
 
“我们测试了许多相机,发现它们之间存在着有趣的差异和相似之处,”Burggraaff说。“例如,相机对不同波长的光线的响应,称为光谱响应曲线,在大多数相机中非常相似,只有少数设备显示出可能会影响相机感知和再现颜色的方式,即使在准确成像时也是如此。同样的场景。“
 
研究人员计划将SPECTACLE方法应用于更多数量的相机,以填充数据库并更广泛地了解相机属性。这将由研究人员以及想要将校准数据上传到数据库的任何人完成。他们还在继续开发iSPEX智能手机附件,以提高其获取水和空气污染测量的能力。这涉及推进其物理设计和从其数据中检索科学结果的算法,同时使用SPECTACLE方法和数据库来组合来自不同智能手机的数据。
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