High performance grid for the metric-calibration of thermographic cameras II / Red de alto rendimiento para la metro-calibration de cámaras termográficas II

Artículo patrocinado por Extraco, Misturas, Lógica, Enmacosa e Ingeniería InSitu, dentro del proyecto SITEGI, cofinanciado por el CDTI. (2012). 

Article sponsored by Extraco, Misturas, Lógica, Enmacosa and Ingeniería Insitu inside the SITEGI project, cofinanced by the CDTI. (2012)

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2.1. Diseño de la rejilla de calibración / Calibration grid design

La red de calibración diseñada para la calibración automática de cámaras termográficas está formada por una tabla rígida, preferentemente hecha de madera. La función de esta tabla es proporcionar la cuadrícula de calibración con rigidez estructural y el material es elegido por su ligereza y su consecución. Es un hecho que la madera presenta una dilatación mayor que otros materiales como el aluminio y hierro: madera presenta un coeficiente de dilatación térmica de 0.000 034 ◦C−1, en contraste con 0.000 023 ◦C−1 aluminio y 0.000 012 ◦C−1 de hierro [20], pero estas dilataciones son insignificante teniendo en cuenta las características metrológicas presentadas por sistemas de termografía, que presentan resolución espacial entre cinco y diez veces inferior de las cámaras fotográficas digitales. La opción de la madera como material para la tabla de apoyo también se justifica por el interés en la comparación de la rejilla de calibración presentada con la rejilla de calibración con bombillas de luz, que se hace de este material. Por ello, este trabajo presenta la comparación de la calidad de dos sistemas de calibración de madera diferente. Una hoja de aluminio y una tarjeta negra se pegan en la cima de la tabla de madera. Objetivos son perforadas en la tarjeta para que la hoja de aluminio puede verse solamente en esas regiones, como el campo de la calibración consiste en un fondo negro con objetivos de aluminio (Figura 2).

Estos materiales presentan valores de emisividad muy diferentes, que los hacen fáciles de diferenciar por la cámara termográfica desde cámaras termográficas precisamente detectan materiales de emisividad diferentes incluso cuando están a la misma temperatura [21], porque la radiación infrarroja que emiten es diferente debido a la diferencia en esta propiedad. Colocar la tarjeta negra sobre la hoja de aluminio implica que cubre la mayor parte de la red de calibración, evitando reflexiones alrededor de objetos y por lo tanto el uso de la red de calibración presentados en el interior. Por otra parte, esta configuración de materiales ligeros permite fácil portabilidad del sistema, para que los parámetros de calibración pueden ser analizados en la oficina y en el campo.Objetivos consisten en perforaciones circulares, mientras que objetivos cifrados tienen diferentes porciones arcos alrededor de cada perforación circular (Figura 3). Con el fin de optimizar la calibración geométrica de cámaras termográficas y para maximizar la precisión del resultado, 100 objetivos son perforadas en la tarjeta negra, en una matriz cuadrada formada por diez líneas y diez filas, a distancias iguales entre sí [22]. Entre estos objetivos, cuatro objetivos cifrados se colocan en las esquinas de la matriz (Figura 2), arco tan diferente porciones están perforadas alrededor de los objetivos de la circulares correspondientes. Estos objetivos se identifican mediante el software utilizado para el cálculo de los parámetros de calibración, y por lo tanto todas las imágenes son automáticamente orientadas, minimizando la influencia humana en el proceso.

The calibration grid designed for the automatic calibration of thermographic cameras is formed by a rigid plank, preferably made of wood. The function of this plank is to provide the calibration grid with structural rigidity, and the material is chosen because of its lightness and achievability. It is a fact that wood presents greater dilation than other materials such as aluminium and iron: wood presents a thermal dilation coefficient of 0.000 034 ◦C−1, in contrast to 0.000 023 ◦C−1 for aluminium and 0.000 012 ◦C−1 for iron [20], but these dilations are negligible taking into account the metrological characteristics presented by thermographic systems, which present spatial resolution between five and ten times lower than that of digital photographic cameras. The choice of wood as the material for the supporting plank is also justified by the interest in the comparison of the presented calibration grid with the calibration grid with light bulbs, which is made of this material. This makes this paper present the quality comparison of two different wooden calibration systems.

An aluminium sheet and a black card are stuck on top of the wooden plank. Targets are perforated in the card so that the aluminium sheet can be seen only in those regions, as the calibration field consists of a black background with aluminium targets (figure 2). 

These materials present very different emissivity values, which make them easy to differentiate by the thermographic camera since thermographic cameras precisely detect different emissivity materials even when they are at the same temperature [21], because the infrared radiation they emit is different due to the difference in this property. Placing the black card on top of the aluminium sheet implies that it covers most of

the calibration grid, avoiding reflections from surrounding objects and consequently allowing the use of the presented calibration grid indoors. What is more, this configuration of lightweight materials allows easy portability of the system, so that calibration parameters can be analysed both in the office and in the field.

Targets consist of circular perforations, while coded targets have different arch portions around each circular perforation (figure 3). In order to optimize the geometric calibration of thermographic cameras and to maximize result precision, 100 targets are perforated in the black card, in a square matrix formed by ten lines and ten rows, at equal distances one another [22]. Among these targets, four coded targets are placed on the corners of the matrix (figure 2), so different arch portions are perforated around the corresponding circular targets. These targets are identified by the software used for calculating the calibration parameters,

and consequently all images are automatically oriented, minimizing human influence in the process.

Figure 3. Targets and coded targets in the calibration grid.

2.2. Calibración de métrica de cámaras termográficas / Metric calibration of thermographic cameras

La calibración de métrica de la cámara termográfica se desarrolla siguiendo el mismo proceso realizado para cámaras fotogramétricas. En este caso, la calibración se desarrolla siguiendo el método de ajuste de paquete de calibración automática [23], tomando varias imágenes de la red de calibración y procesarlos en la estación fotogramétrica Photomodeler. Como  explica en [16], calibración de cámara requiere la adquisición de entre 6 y 12 fotografías de la rejilla de la calibración, desde puntos de vista que debe asegurarse de intersecciones de ray buena. Ocho termógrafos de la tabla de calibración fueron adquiridos, ortogonalmente y oblicuo de la red de calibración, con una rotación relativa de 90◦ alrededor del eje óptico entre imágenes consecutivas. Este proceso fue el mismo para la grilla de calibración basada en emisividad de la diferencia y para uno formado por bombillas (diferencia de temperatura), figura 4 [24].

The metric calibration of the thermographic camera is developed following the same process carried out for photogrammetric cameras. In this case, calibration is developed following the self-calibration bundle adjustment method [23], by taking several images of the calibration grid and processing them in the photogrammetric station Photomodeler.

As explained in [16], camera calibration requires the acquisition of between 6 and 12 photographs of the calibration grid, from points of view that must ensure good ray intersections. Eight thermographs of the calibration grid were acquired, orthogonally and obliquely from the calibration grid, with a relative rotation of 90◦ around the optical axis between consecutive images. This process was the same for the calibration grid based on emissivity difference and for the one formed by light bulbs (temperature difference), figure 4 [24].

Figure 4. Calibration grid based on temperature difference: targets are light bulbs.

Dado que este procedimiento está desarrollado para cámaras termográficas, hay parámetros sobre termografía que deben tomarse en consideración, como temperatura y humedad relativa, distancia entre la cámara y el objeto y la emisividad del material bajo estudio. En este caso, el procedimiento de calibración se desarrolló bajo condiciones controladas con una temperatura ambiente de 21 ◦C y una humedad relativa de 40%; todas las ventanas estaban cerradas para evitar corrientes de aire que podrían afectar la medición, y fueron cerradas las cortinas para que ninguna radiación solar cayó directamente sobre la superficie de la rejilla. Una prueba de la emisividad se llevó a cabo con el objetivo de proporcionar valores exactos para los materiales de estudio [25], y los resultados obtenidos fueron 0,91 para la grilla de calibración de la bombilla (con su superficie principal de madera) y 0,94 para la rejilla de la calibración de emisividad (con su superficie principal de tarjeta negra). La distancia entre la cámara y calibración rejilla fue alrededor de 2 m. Dada la necesidad de detectar objetivos claramente normales y codificados para llevar a cabo la calibración de la cámara, la elección de la paleta de color óptima es esencial. Por lo tanto, la paleta gris se aplicó a todos los termógrafos utilizados para el cálculo de los parámetros de calibración (Figura 5 izquierdo y derecho). Además, elegir un intervalo de temperatura adecuada es también muy importante: como se muestra en la figura 6, la diferencia de temperatura medido por la cámara entre la tarjeta negra y los objetivos de aluminio de las diferentes radiaciones emitidas por diversos materiales es sólo 2 ◦C, que significa que las temperaturas representadas deben ajustarse correctamente para tener el contraste óptimo entre la tarjeta y objetivos.

Como la red de calibración basada en la diferencia de emisividad presenta objetivos cifrados, cálculo de parámetros de proceso y calibración de imagen son realizadas automáticamente por software Photomodeler, a través de la Diana fiducial automática marca algoritmo de calibración. Sin embargo, calibración con termógrafos de la rejilla de calibración basada en la diferencia de temperatura tiene que ser realizado por el operador humano. En Resumen, el cálculo de parámetros de orientación y calibración de imagen se llevan a cabo por el software, pero los objetivos deben ser marcados manualmente y referencia para todos los termógrafos.Los resultados obtenidos para ambas calibraciones de la misma cámara termográfica NEC TH9260 se muestran en la tabla 2.

Given that this procedure is developed for thermographic cameras, there are parameters concerning thermography that need to be taken into consideration, such as ambient temperature and relative humidity, distance between the camera and the object and emissivity of the material under study. In this case, the calibration procedure was developed under controlled conditions with an ambient temperature of 21 ◦C and a relative humidity of 40%; all windows were closed in order to avoid drafts that could affect the measurement, and the drapes were shut so that no solar radiation fell directly on the grid surface. An emissivity test was carried out with the aim of providing accurate values for the materials under study [25], and the results obtained were 0.91 for the light bulb calibration grid (with its main surface made of wood) and 0.94 for the emissivity calibration grid (with its main surface made of black card). The distance between the camera and calibration grid was around 2 m.

Given the necessity of detecting clearly both normal and coded targets in order to perform the camera calibration, the choice of the optimum colour palette is essential. Therefore, the grey palette was applied to all thermographs used for the calculation of the calibration parameters (figure 5 left and right). What is more, choosing an adequate temperature interval is also very important: as shown in figure 6, the difference of temperature measured by the camera between the black card and the aluminium targets on account of the different radiation emitted by different materials is only 2 ◦C, which means that the represented temperatures have to be correctly adjusted in order to have the optimum contrast between card and targets.

As the calibration grid based on emissivity difference presents coded targets, image processing and calibration parameter calculation are automatically performed by Photomodeler software, through the automatic fiducial target marking calibration algorithm. However, calibration with thermographs of the calibration grid based on temperature difference has to be performed by the human operator. In short, the image orientation and calibration parameter calculation are carried out by the software, but targets must be manually marked and referenced for all the thermographs.

The results obtained for both calibrations from the same thermographic camera NEC TH9260 are shown in table 2.

Figure 5. Thermographs of the emissivity calibration grid (a) and the temperature calibration grid (b) presented with a grey colour palette

Figure 6. Thermograph of the emissivity calibration grid with colour palette (a). Line profiles of the targets in the graph (b) show the minimum temperature difference that has to be detected between the black card and the targets; the profiles show the same tendency both vertically (line 4) and horizontally (line 5). Part (c) shows, with greater detail, the temperature difference between the card and the aluminium sheet forming the targets for three different individual targets.

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