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

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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3.2. Verificación de cámara termográfica  / 

Camera verification

Los Modelos 3D del artefacto estándar desarrollado con los calibración de dos conjuntos son evaluados para obtener la precisión y repetibilidad de las metodologías de dos calibración (calibración automática con una emissivitybased calibración calibración de rejilla y semiautomática con una cuadrícula de calibración configurado de bombilla). La exactitud se estudió a través de la evaluación de los resultados obtenidos en los modelos 3D para la distancia entre los centros de las esferas, que se compararon con los resultados reales de la máquina de medición de coordenadas. Estas distancias se calcularon gracias a que se habían pintados plata objetivos en las esferas, como las coordenadas de estos puntos fueron obtenidas con precisión y luego se utilizó para estimar las coordenadas de los centros de las esferas usando un ajuste por el método de mínimos cuadrados. Nombres como lo primero, la primera a la derecha (Figura 7), distancias reales y calculados se muestran en la tabla 4.

Thermographic 3D models of the standard artefact developed with the two calibration sets are evaluated to obtain (a) (b) the accuracy and repeatability of the two calibration methodologies (automatic calibration with an emissivitybased calibration grid and semi-automatic calibration with a

light bulb configured calibration grid). 

Accuracy was studied through the evaluation of the results obtained in the 3D models for the distance between the centres of the spheres, which were compared with the real results obtained from the coordinate’s measurement machine. These distances were calculated thanks to the fact that silver targets had been painted on the spheres, as the coordinates of these points were accurately obtained, and then used to estimate the coordinates of the centres of the spheres using an adjustment by the least-squares method. 

Naming as the ‘first sphere’ the first on the right (figure 7), re

al and calculated distances are shown in table 4.

e

Figure 12. Error obtained in the calculation of the decentering distortion parameters with the two calibration grids studied. On the left (a), error in decentering distortion in the x axis is shown, while the graph on the right (b) represents the error in decentering distortion in the y axis.

Figure 13. Differences between real distance between spheres and distance obtained from the thermographic 3D models processed with both calibration methods under study.

Figure 14. Repeatability of the results obtained in 3D modelling in both calibration methodologies under study. The graph shows that repeatability is better for the model processed using the camera calibration developed with the calibration grid based on emissivity, with a maximum difference of 12 μm between results for corresponding points.

Como se muestra en la tabla 4, la precisión disminuye cuando aumenta la distancia entre las esferas, pero con un valor mucho menor para el modelo que se procesaron utilizando la calibración obtenida con la red de calibración descrita en este documento. Este hecho se observa fácilmente en la figura 13, que la repetibilidad de los resultados se analizaron a través de la longitud del vector de precisión dada por software Photomodeler, utilizado en el proceso de modelado, que da la expansión esperada de cada valor de posición del punto sobre su valor estimado. Para hacer esta comparación posible, los puntos correspondientes de los dos modelos recibieron los mismos nombres de usuario. Como se muestra en la figura 14, resultados de repetibilidad eran muy similares en ambos casos, aunque la calibración se realiza con la red de calibración de emisividad demostrada para tener un poco mejores resultados de repetibilidad, con un valor de máxima extensión de 0.000 747 m, en comparación con el valor de la extensión máxima de 0.000 759 m obtenido con la red de calibración de la bombilla.

As shown in table 4, the accuracy decreases when the distance between spheres increases, but with a much lower value for the model processed using the calibration obtained with the calibration grid described in this paper. This fact is easily noticed in figure 13.

What is more, the repeatability of results is analysed through the precision vector length given by Photomodeler software, used in the modelling process, which gives the expected spread of each point position value about its estimated value. In order to make this comparison possible, corresponding points in the two models were given the same user names. As shown in figure 14, repeatability results were very similar in both cases, although calibration carried out with the emissivity calibration grid proved to have slightly better repeatability results, with a maximum spread value of 0.000 747 m, compared with the maximum spread value of 0.000 759 m obtained with the light bulb calibration grid.

4. Conclusiones / Conclusion

La geometría es un atributo importante a tener en cuenta al realizar una encuesta de termografía, dado que completa la información térmica adquirida directamente por la cámara termográfica. Termógrafos son imágenes en el infrarrojo medio parte del espectro, pueden ser tratados de manera similar a las imágenes en el espectro visible, y por lo tanto información geométrica puede lograrse de termógrafos si se conoce el comportamiento interno de la cámara termográfica adquirieron con, que significa que la cámara termográfica debe calibrarse geométricamente. Al hacerlo, la optimización de estudios termográficos se logra obtener valores de temperatura y de la información de la geometría del mismo conjunto de imágenes. Dado que la termografía puede ser aplicada en muchos campos diferentes, la portabilidad es una característica fundamental para la red de calibración. Este papel presenta una cuadrícula de calibración fiable y de bajo costo con luz y fácil de encontrar materiales, por lo que es portable y fácil de manejar. Además de portabilidad, el cuadrante de calibración propuesto permite la automatización del proceso de calibración entero utilizando software Photomodeler, porque la manipulación de materiales permite la inclusión de objetivos cifrados entre circular común. Este hecho permite valores más exactos de la calibración a obtenerse, como ha quedado demostrado en este trabajo a través de la comparación con los valores obtenidos con una cuadrícula de calibración realizada utilizando bombillas como objetivos. Un artefacto estándar también se utiliza para evaluar la exactitud y repetibilidad en las mediciones geométricas realizadas con la cámara termográfica. Estos resultados mostraron que los valores obtenidos con la rejilla de la propuesta de calibración son más constantes que los obtenidos con la red anterior basada en bulbos

Geometry is an important attribute to take into account when performing a thermographic survey, given that it completes the thermal information directly acquired by the thermographic camera. As thermographs are images in the mid-infrared part of the spectrum, they can be treated in a similar way to images in the visible spectrum, and consequently geometric information can be achieved from thermographs if the internal behaviour of the thermographic camera they are acquired with is known, which means that the thermographic camera has to be geometrically calibrated. Doing this, the optimization of thermographic surveys is achieved obtaining temperature values and geometry information from the same set of images. 

Given the fact that thermography can be applied in many different fields, portability is a fundamental characteristic for the calibration grid. This paper presents a low cost and reliable calibration grid made with light and easy-to-find materials, so that it is portable and easy to handle. In addition to portability, the proposed calibration grid allows the automation of the whole calibration process using Photomodeler software, because materials’ handling allowed the inclusion of coded targets among common circular ones. This fact allowed more accurate calibration values to be obtained, as has been demonstrated in this paper through the comparison with the values obtained with a calibration grid made using light bulbs as targets.

A standard artefact is also used to evaluate accuracy and repeatability in the geometric measurements carried out with the thermographic camera; these results showed that values obtained with the proposed calibration grid are more consistent than those obtained with the previous grid based on bulbs. 

Acknowledgments

The authors would like to thank Conseller´ıa de Economíıa e Industria (Xunta de Galicia) and Ministerio de Ciencia e Innovación (Gobierno de España) for the financial support given: human resource programmes (IPP055-EXP44, FPU AP2009-1144) and projects (INCITE09 304 262 PR, INCITE 10TMT 011CT and BIA2009-08012). All programmes are cofinanced by the Fondo Europeo para el Desarrollo Regional (FEDER).

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