受控照明智能手机成像用于定量浊度测量与跨设备迁移
Controlled-illumination smartphone imaging for quantitative turbidity measurement and cross-device transfer
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中文总结 AI 辅助
本研究提出受控照明智能手机成像系统，结合EfficientNetB0回归模型实现定量浊度测量，在0.16-50.2 NTU范围内MAE为1.208 NTU，并揭示了跨设备迁移时高浊度低估的限制。
中文摘要 AI 辅助
智能手机成像若对照明和采集几何进行控制，可提供低成本的浊度测量方法。我们使用一个带有固定照明和浸没式光学靶标的3D打印外壳，对162种基于牛奶的悬浮液（浊度范围0.16至50.2浊度单位（NTU））进行了评估，并以便携式浊度仪作为参考。使用重复五次分组交叉验证评估的EfficientNetB0回归模型，实现了平均绝对误差（MAE）为1.208 NTU，R²=0.9816，表明预测值与参考测量结果高度吻合。在低于1 NTU时，MAE为0.335 NTU；在1至低于5 NTU范围内，MAE为0.449 NTU；在操作性的5 NTU阈值下的分类准确率为0.9753。当未经重新训练而应用于来自第二部智能手机的103对图像时，在低于10 NTU时预测误差与开发用智能手机上的误差相当，但在更高浊度值下浊度被逐渐低估。结果表明，受控智能手机采集系统可达到的测量性能，量化了重要的设备依赖性迁移限制，并推动了标准化多设备采集和前瞻性天然水体验证。
英文摘要
Smartphone imaging could provide a low-cost turbidity measurement method if illumination and acquisition geometry are controlled. We evaluated a 3D-printed enclosure with fixed illumination and a submerged optical target using 162 milk-based suspensions spanning 0.16--50.2 nephelometric turbidity units (NTU), with a portable turbidimeter as the reference. An EfficientNetB0 regression model evaluated using repeated five-fold grouped cross-validation achieved a mean absolute error (MAE) of 1.208 NTU and $R^2=0.9816$, indicating that predictions followed the reference measurements closely. The MAE was 0.335 NTU below 1 NTU and 0.449 NTU from 1 to below 5 NTU; classification accuracy at the operational 5-NTU threshold was 0.9753. When applied without retraining to 103 paired images from a second smartphone, prediction error remained comparable to that on the development smartphone below 10 NTU, but turbidity was increasingly underestimated at higher values. The results demonstrate the measurement performance attainable with a controlled smartphone acquisition system, quantify an important device-dependent transfer limitation, and motivate standardized multi-device acquisition and prospective natural-water validation.
发表机构
- Facultad de Ingeniería, Universidad San Sebastián（圣塞巴斯蒂安大学工程学院）
- Departamento de Física y Astronomía, Facultad de Ciencias Exactas, Universidad Andrés Bello（安德烈斯贝略大学理学院物理与天文学系）
- Millennium Institute for Subatomic Physics at High Energy Frontier (SAPHIR)（高能前沿亚原子物理千年研究所（SAPHIR））
- Departamento de Ciencias Químicas, Facultad de Ciencias Exactas, Universidad Andrés Bello（安德烈斯贝略大学理学院化学科学系）
- Millennium Institute on Green Ammonia as Energy Vector (MIGA)（绿色氨作为能源载体的千年研究所（MIGA））
机构由 AI 辅助整理，请以论文原文为准。
