Sebbene smartphone e altre fotocamere consumer siano sempre più utilizzati per applicazioni scientifiche, è difficile confrontare e combinare i dati di diversi dispositivi. Un nuovo metodo standardizzato di facile utilizzo consente a quasi tutti di calibrare queste fotocamere senza alcuna attrezzatura specializzata, aiutare i dilettanti, studenti di scienze e scienziati professionisti per acquisire dati utili con qualsiasi fotocamera consumer.

"Il basso costo delle fotocamere consumer le rende ideali per progetti che prevedono un'implementazione su larga scala, monitoraggio autonomo o scienza dei cittadini, " disse Olivier Burggraaff, che ha guidato il gruppo di ricerca dell'Università di Leiden nei Paesi Bassi che ha sviluppato il metodo di calibrazione. "Il nostro metodo di calibrazione standardizzato renderà più facile per chiunque utilizzare una fotocamera consumer per fare cose come misurare l'inquinamento rilevando particelle di aerosol nell'aria".

Nella rivista The Optical Society (OSA) Ottica Express , il gruppo multi-istituzionale di ricercatori riporta il loro nuovo metodo di calibrazione e database standardizzati, denominato SPETTACOLO (tecnica di calibrazione e catalogo di apparecchiature fotografiche standardizzate), che può essere utilizzato per smartphone, fotocamere reflex digitali a obiettivo singolo e fotocamere a bordo di droni. Il database consente agli utenti di caricare i dati di calibrazione dalle proprie fotocamere affinché altri possano utilizzarli.

"SPECTACLE include molti metodi fai-da-te (fai da te), che abbiamo trovato ha fornito risultati paragonabili a metodi professionali che richiedono apparecchiature di laboratorio di fascia alta, ", ha detto Burggraaff.

Migliorare la scienza dei cittadini

Il metodo di calibrazione standardizzato è stato sviluppato in risposta a un'esigenza sorta come Burggraaff e la sua Leiden Univ. i colleghi stavano sviluppando metodi di scienza dei cittadini per misurare la qualità ottica dell'acqua utilizzando un componente aggiuntivo per smartphone chiamato iSPEX (Spectropolarimeter for Planetary EXploration), originariamente sviluppato per misurare l'inquinamento atmosferico. Questo componente aggiuntivo consente alla fotocamera di uno smartphone di misurare informazioni ottiche extra come dati iperspettrali e polarimetrici. SPECTACLE e iSPEX fanno parte di MONOCLE (Reti di osservazione multiscala per il monitoraggio ottico delle acque costiere, laghi ed estuari), un progetto finanziato dalla Commissione Europea finalizzato alla creazione di soluzioni sostenibili per la misurazione ottica della qualità dell'acqua.

"Per utilizzare le fotocamere degli smartphone per misurare la qualità dell'acqua dobbiamo capirle bene perché ogni produttore e ogni dispositivo ha le sue caratteristiche, " ha affermato Burggraaff. "SPECTACLE riunisce molti metodi di calibrazione esistenti e li applica per la prima volta alle fotocamere consumer, il che renderà molto più semplice per gli altri sviluppatori e per noi utilizzare queste fotocamere per scopi scientifici".

Sebbene i metodi di calibrazione per le fotocamere consumer siano stati sviluppati in precedenza, questi sforzi sono stati spesso ostacolati dalla mancanza di accesso al software o alle informazioni disponibili sui dispositivi. Per esempio, fino a poco tempo fa non era possibile accedere ai dati direttamente dal sensore della fotocamera, i cosiddetti dati RAW, o controllare molte impostazioni della fotocamera come la messa a fuoco o l'esposizione. Però, le nuove versioni di iOS e Android consentono entrambi.

"Come parte di SPETTACOLO, stiamo sviluppando un framework per entrambi i sistemi operativi per effettuare misurazioni utilizzando dati RAW ed elaborarli sul telefono, che semplicemente non era possibile alcuni anni fa, ", ha detto Burggraaff.

Metodi fai da te vs metodi di laboratorio

Per testare i nuovi metodi di calibrazione, i ricercatori li hanno confrontati con metodi consolidati utilizzando diverse fotocamere. Hanno trovato, Per esempio, che il metodo fai da te per misurare come l'obiettivo distribuisce la luce sul sensore, noto come flat fielding, abbinato entro il 5% dei risultati del metodo standard che richiede una sfera di integrazione in una configurazione di laboratorio. Il metodo fai-da-te prevedeva il nastro adesivo sulla fotocamera e l'acquisizione di immagini del sole o dello schermo di un computer.

Hanno anche testato le curve di risposta spettrale di una fotocamera per smartphone con l'iSPEX collegato e sono stati in grado di ottenere risultati entro il 4% del metodo di misurazione professionale, che richiede un monocromatore costoso e difficile da usare. La calibrazione di una singola fotocamera può richiedere mezza giornata con un monocromatore, ma il metodo fai-da-te richiedeva semplicemente di scattare una singola foto di un pezzo di carta per stampante al sole.

"Abbiamo testato una serie di fotocamere e trovato interessanti differenze e somiglianze tra loro, ", ha detto Burggraaff. "Per esempio, le risposte delle telecamere alle diverse lunghezze d'onda della luce, note come curve di risposta spettrale, erano molto simili tra la maggior parte delle fotocamere ad eccezione di alcuni dispositivi che mostravano differenze che potevano influenzare il modo in cui le fotocamere rilevano e riproducono i colori, anche quando si immagino la stessa identica scena."

I ricercatori intendono applicare la metodologia SPECTACLE a un numero molto più ampio di fotocamere per compilare il database e avere un'idea più ampia delle proprietà della fotocamera. Questo sarà fatto dai ricercatori e da chiunque voglia caricare i propri dati di calibrazione nel database. Stanno inoltre continuando a sviluppare l'add-on per smartphone iSPEX per migliorare la sua capacità di acquisire misurazioni dell'inquinamento dell'acqua e dell'aria. Ciò comporta l'avanzamento della sua progettazione fisica e degli algoritmi per il recupero dei risultati scientifici dai suoi dati mentre si utilizzano i metodi e il database SPECTACLE per combinare i dati di diversi smartphone.