Während Smartphones und andere Verbraucherkameras zunehmend für wissenschaftliche Anwendungen verwendet werden, ist es schwierig, Daten von verschiedenen Geräten zu vergleichen und zu kombinieren. Ein neuer, einfach zu bedienender, standardisierter Ansatz ermöglicht es fast jedem, diese Kameras ohne Geräte zu kalibrieren und hilft Amateuren, Wissenschaftsstudenten und Fachwissenschaftlern, nützliche Daten mit jeder Verbraucherkamera zu erhalten.
"Die niedrigen Kosten für Verbraucherkameras machen sie zur idealen Wahl für Projekte mit großflächiger Bereitstellung, autonomer Überwachung oder Bürgerwissenschaft", sagt Olivier Burggraaff vom Forschungsteam der Universität Leiden in den Niederlanden, das für die Entwicklung von Kalibrierungsmethoden verantwortlich ist. "Unsere standardisierte Kalibrierungsmethode wird es jedem einfacher machen, eine Verbraucherkamera zu verwenden, um Aerosolpartikel in der Luft zu erkennen, um die Verschmutzung zu messen."
In der Zeitschrift Optics Express der Optischen Gesellschaft (OSA) berichtete ein mehrorganisiertes Forschungsteam über ihre neue standardisierte Kalibrierungsmethode und -datenbank, SPECTACLE (Standardisierte Kalibrierungstechnik und -katalog für fotografische Geräte), die für Smartphones, digitale Single-Objective-Spiegelkameras und Kameras an Bord von Drohnen verwendet werden können. Diese Datenbank ermöglicht es Benutzern, Kalibrierungsdaten von ihrer Kamera hochzuladen, um sie anderen zur Verfügung zu stellen.
"SPECTACLE umfasst viele DIY-Methoden, die Ergebnisse liefern, die mit professionellen Methoden vergleichbar sind, die Laborausrüstung erfordern", sagt Burggraaff.
Verbesserung der Bürgerwissenschaft
Die standardisierte Kalibrierungsmethode wurde entwickelt, um den Bedürfnissen von Burggraaff und seiner Universität Leiden gerecht zu werden. Die Kollegen entwickeln eine zivilwissenschaftliche Methode zur Messung der optischen Wasserqualität mit dem Smartphone-Zubehör iSPEX (Spectropolarimeter for Planetary Exploration), das sie zuerst zur Messung der Luftverschmutzung entwickelten. Dieses Add-on ermöglicht es der Smartphone-Kamera, zusätzliche optische Informationen wie hochspektrale und polarisierende Daten zu messen. SPECTACLE und iSPEX sind Teil von MONOCLE (Multiscale Observation Network for Optical Monitoring of Coastal Waters, Sees and Flussmündungen), einem von der Europäischen Kommission finanzierten Projekt, das darauf abzielt, nachhaltige optische Messlösungen für die Wasserqualität zu schaffen.
"Um die Wasserqualität mit Smartphone-Kameras zu messen, müssen wir sie gut verstehen, da jeder Hersteller und jedes Gerät seine eigenen Eigenschaften hat", sagt Burggraaff. "SPECTACLE bringt viele bestehende Kalibrierungsmethoden zusammen und wendet sie auf Verbraucherkameras an, was es anderen Entwicklern und uns erleichtern wird, diese Kameras für wissenschaftliche Zwecke zu verwenden." ”
Obwohl zuvor Kalibrierungsmethoden für Verbraucherkameras entwickelt wurden, wurden diese Anstrengungen häufig durch mangelnden Zugriff auf die Software oder verfügbare Informationen über das Gerät behindert. Zum Beispiel war es erst in der Nähe möglich, auf Daten - sogenannte RAW-Daten - direkt vom Kamerasensor zu zugreifen oder viele Kameraeinstellungen wie Fokus oder Belichtung zu steuern. Die neuen Versionen von iOS und Android erlauben jedoch beide Versionen.
"Im Rahmen von SPECTACLE entwickeln wir ein Framework für beide Betriebssysteme, das RAW-Daten verwendet, um zu messen und diese Daten auf einem Handy zu verarbeiten, was vor ein paar Jahren nicht möglich war", sagt Burggraaff.
DIY und Labormethoden
Um neue Kalibrierungsmethoden zu testen, verglichen die Forscher sie mit etablierten Methoden mit mehreren Kameras. Zum Beispiel fanden sie heraus, dass die DIY-Methode, die verwendet wird, um zu messen, wie die Linsen das Licht auf den Sensoren verteilen, mit 5% der Ergebnisse der Standardmethode übereinstimmt, die in Laboreinstellungen integrierte Kugeln erfordert. Die DIY-Methode umfasst Aufkleber auf der Kamera und das Erhalten von Sonnenbildern oder Computerbildschirmen.
Sie testeten auch die spektrale Reaktionskurve der Smartphone-Kamera mit iSPEX und konnten Ergebnisse im Bereich von 4% der professionellen Messmethoden erzielen, die teure und schwierig zu bedienende Monochrome erfordern. Die Kalibrierung einer einzelnen Kamera mit einem Monochrom kann einen halben Tag dauern, aber die DIY-Methode besteht darin, einfach ein Blatt Druckpapier in der Sonne aufzunehmen.
"Wir haben viele Kameras getestet und fanden interessante Unterschiede und Ähnlichkeiten zwischen ihnen", sagt Burggraaff. "Zum Beispiel ist die Reaktion der Kamera auf Licht mit verschiedenen Wellenlängen, die als spektrale Reaktionskurve bezeichnet wird, bei den meisten Kameras sehr ähnlich, und nur wenige Geräte zeigen, wie es sich auf die Wahrnehmung und Reproduktion von Farben durch die Kamera auswirken kann, auch bei einer genauen Abbildung. Die gleiche Szene. "
Die Forscher planen, die SPECTACLE-Methode auf eine größere Anzahl von Kameras anzuwenden, um die Datenbank zu füllen und ein breiteres Verständnis der Kameraeigenschaften zu erhalten. Dies wird von den Forschern und jedem, der die Kalibrierungsdaten in die Datenbank hochladen möchte, durchgeführt. Außerdem entwickeln sie weiterhin iSPEX-Smartphone-Zubehör, um ihre Fähigkeit zum Zugriff auf Messungen von Wasser- und Luftverschmutzung zu verbessern. Dies beinhaltet Algorithmen, die ihr physikalisches Design vorantreiben und wissenschaftliche Ergebnisse aus ihren Daten abrufen, während die SPECTACLE-Methode und die Datenbank verwendet werden, um Daten aus verschiedenen Smartphones zu kombinieren.