Wetenschappelijk onderzoek met de camera van je telefoon
Onderzoekers gebruiken smartphones en andere consumentencamera’s steeds vaker voor wetenschappelijke toepassingen, zoals citizen science. Toch is het nog steeds moeilijk om gegevens van verschillende apparaten te vergelijken en combineren. Promovendus Olivier Burggraaff ontwikkelde een nieuwe, gebruiksvriendelijke standaardmethode die het voor iedereen mogelijk maakt om deze camera's te kalibreren zonder specialistische apparatuur. Op die manier kunnen amateurs, studenten en professionele wetenschappers met elke consumentencamera nuttige data verkrijgen.
Doe-het-zelfmethodes
‘Door de lage kosten zijn consumentencamera’s ideaal voor grootschalige projecten, autonome monitoring en citizen science’, vertelt Burggraaff, promovendus bij de Leidse Sterrewacht en het Centrum voor Milieuwetenschappen Leiden. Hij leidt het onderzoeksteam met wetenschappers van verschillende instituten dat de kalibratiemethode ontwikkelde. ‘Onze gestandaardiseerde kalibratiemethode maakt het voor iedereen gemakkelijker om bijvoorbeeld de smartphone te pakken en te helpen bij het meten van vervuiling door fijnstofdeeltjes te detecteren in de lucht.’
In Optics Express, het tijdschrift van de Optical Society, vertelt het team over hun nieuwe methode en database. De methode heet SPECTACLE (Standardized Photographic Equipment Calibration Technique And CataLoguE) en is toepasbaar voor smartphones, digitale spiegelreflexcamera’s en camera’s aan boord van drones. De database stelt gebruikers in staat om kalibratiegegevens van hun camera te uploaden en met anderen te delen. ‘SPECTACLE bevat veel doe-het-zelf-methodes, die qua resultaten niet onder blijken te doen voor professionele methodes met geavanceerde laboratoriumapparatuur’, voegt Burggraaff toe.
Doe-het-zelf versus laboratorium
Om de nieuwe kalibratiemethodes te testen, vergeleken de onderzoekers ze met bestaande methodes met behulp van verschillende camera’s. Zo ontdekten ze bijvoorbeeld dat de doe-het-zelf-methode om te meten hoe de lens het licht op de sensor verspreidt (flat fielding), qua resultaten minder dan 5% afwijkt van de standaardmethode. Deze standaardmethode vereist echter een een geavanceerde laboratoriumopstelling. Bij de doe-het-zelfmethode plak je een vel papier op de camera en maak je vervolgens foto’s van de zon of een computerscherm.
Citizen science verbeteren
Burggraaff en zijn collega’s ontwikkelden de kalibratiemethode naar aanleiding van problemen waar zij tegenaan liepen bij het ontwikkelen van nieuwe citizen-sciencemethodes om de optische waterkwaliteit te meten. Ze gebruikten hiervoor een speciaal opzetstukje voor een smartphone genaamd iSPEX (Spectropolarimeter for Planetary EXploration), die ze oorspronkelijk ontwikkelden voor het meten van luchtverontreiniging. Met iSPEX kan een smartphone camera aanvullende optische informatie meten, zoals hyperspectrale en polarimetrische gegevens.
‘Het problem is dat elke fabrikant en elk apparaat zijn eigen kenmerken heeft,’ legt Burggraaff uit. ‘SPECTACLE brengt veel bestaande kalibratiemethodes samen en past ze voor het eerst toe in consumentencamera’s. Dat maakt het voor onszelf en andere ontwikkelaars veel makkelijker om deze camera’s voor wetenschappelijke doeleinden te gebruiken.’
Nieuwe mogelijkheden
Eerdere pogingen tot kalibratie werden gehinderd door een gebrek aan toegang tot de software en beschikbare informatie over de apparaten. Tot voor kort was het bijvoorbeeld niet mogelijk om rechtstreeks toegang te krijgen tot de gegevens van de camerasensor – de zogenaamde RAW-gegevens – of om bepaalde camera-instellingen, zoals scherpstelling of belichting te regelen. Nieuwe versies van iOS en Android maken beide nu echter wel mogelijk. ‘Als onderdeel van SPECTACLE ontwikkelden we voor beide besturingssystemen een framework om metingen met behulp van RAW-gegevens te verrichtten en deze op de telefoon te verwerken. Dat was een paar jaar geleden gewoonweg niet mogelijk’, aldus Burggraaff.
De volgende stap
De onderzoekers willen de SPECTACLE-methodologie toepassen op een veel groter aantal camera’s om de database aan te vullen en een breder beeld te krijgen van de verschillende cameraeigenschappen. Naast de onderzoekers zelf kunnen ook anderen hun kalibratiegegevens in de database uploaden. De onderzoekers blijven daarnaast ook werken aan de iSPEX smartphone opzetstukje om de metingen van water- en luchtverontreinigingen te verbeteren.
Naar een persbericht van de Optical Society - Calibration methods improve scientific research performed with smartphone cameras
Paper: O. Burggraaff, N. Schmidt, J. Zamorano, K. Pauly, S. Pascual, C. Tapia, E. Spyrakos, F. Snik, “Standardized spectral and radiometric calibration of consumer cameras,” Opt. Express, Vol. 27, Issue 14, pp. 19075-19101 (2019).
DOI: 110.1364/OE.27.019075
Zowel SPECTACLE als iSPEX maken deel uit van MONOCLE (Multiscale Observation Networks for Optical Monitoring of Coastal waters, Lakes and Estuaries), een door de Europese Commissie gefinancierd project gericht op het creëren van duurzame oplossingen voor het meten van de optische waterkwaliteit.
Voor meer informatie over MONOCLE kunt u contact opnemen met het projectbureau via monocle@pml.ac.uk.