Хотя смартфоны и другие потребительские камеры все чаще используются для научных целей, трудно сравнивать и комбинировать данные, получаемые с разных устройств. Новый простой в использовании стандартизированный метод позволяет практически любому человеку откалибровать эти камеры без какого-либо специализированного оборудования, помогая любителям, студентам и профессиональным ученым получать полезные данные с помощью любой потребительской камеры.
"Низкая стоимость потребительских камер делает их идеальными для проектов, включающих крупномасштабное развертывание, автономное наблюдение или гражданскую науку", - сказал Оливье Бургграфф (Olivier Burggraaff), который возглавлял исследовательскую группу из Лейденского университета в Нидерландах, разработавшую метод калибровки.
В журнале Оптического общества (OSA) "Optics Express" многоинституциональная группа исследователей сообщает о своем новом стандартизированном методе калибровки и базе данных под названием SPECTACLE (Standardized Photographic Equipment Calibration Technique And CataLoguE), которая может быть использована для смартфонов, цифровых однообъективных зеркальных фотоаппаратов и камер на борту беспилотных летательных аппаратов. База данных позволяет пользователям загружать калибровочные данные со своих камер для использования другими пользователями.
"SPECTACLE включает в себя множество методов "сделай сам" (DIY), которые, как мы обнаружили, дают результаты, сравнимые с профессиональными методами, требующими высококачественного лабораторного оборудования" - сказал Бургграфф.
Совершенствование гражданской науки
Стандартизированный метод калибровки был разработан в ответ на потребность, которая возникла в связи с тем, что Burggraaff и его коллеги из Лейдена Юнив разрабатывали методы гражданской науки для измерения оптического качества воды с помощью дополнения к смартфону под названием iSPEX (Spectropolarimeter for Planetary EXploration), которое они изначально 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 проекта MONOCLE (Multiscale Observation Networks for Optical Monitoring of Coastal Water, Lakes and Estuaries), 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 у каждого производителя и каждого устройства есть свои особенности", - сказал Бургграф. Несмотря на то, что методы калибровки потребительских камер были разработаны ранее, эти усилия часто затруднялись отсутствием 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 называемые RAW-данные - или управлять многими настройками камеры, такими как фокус или экспозиция. Однако, новые версии iOS и Android позволяют и то, и другое.
"В рамках SPECTACLE мы разрабатываем каркас для обеих операционных систем, чтобы производить измерения с использованием RAW-данных и обрабатывать их по телефону, что просто было невозможно несколько лет назад", - сказал Burggraaff.
DIY против лабораторных методов
Для проверки новых методов калибровки исследователи сравнили их с устоявшимися методами с помощью нескольких камер. Они обнаружили, например, что метод DIY для измерения того, как объектив распределяет свет на сенсор, известный как плоское поле, соответствует в пределах 5 процентов результатов от стандартного метода, требующего интегрирующей сферы в лабораторной установке. Метод DIY включал в себя обмотку бумаги на камеру и получение изображений солнца или экрана компьютера.
Они также протестировали кривые спектральной характеристики камеры смартфона с присоединенным iSPEX и смогли достичь результатов в пределах 4 процентов от профессионального метода измерения, который требует дорогостоящего и трудного в эксплуатации монохроматора. Калибровка одной камеры может занять полдня с монохроматором, но метод DIY потребовал просто сделать один снимок клочка бумаги для принтера на солнце.
"Мы протестировали несколько камер и нашли интересные различия и сходства между ними", - сказал Бургграфф. "Например, отклики камер на различные длины волн света, известные как кривые спектральной реакции, были очень похожими среди большинства камер, за исключением нескольких устройств, которые показывали различия, которые могли влиять на то, как камеры чувствуют и воспроизводят цвета, даже при съемке одной и той же сцены".
Исследователи планируют применить методику SPECTACLE к гораздо большему числу камер, чтобы заполнить базу данных и получить более широкое представление о свойствах камер.Они также продолжают разработку надстройки для смартфонов iSPEX с целью повышения ее способности производить измерения загрязнения воды и воздуха. Это включает в себя совершенствование его дизайна и алгоритмов для получения научных результатов из своих данных с использованием методов SPECTACLE и базы данных для объединения данных из различных смартфонов.
