Calibration and verification of thermographic cameras for geometric measurements / Calibración y verificación de cámaras termográficas para mediciones geométricas

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)

Realizado por: Performed by: S. Lagüela, H. González-Jorge, J. Armesto, P. Arias

Resumen / Abstract

La termografía infrarroja es una técnica con un creciente grado de desarrollo y aplicabilidad. La evaluación de la calidad en las mediciones realizadas con las cámaras térmicas se debe lograr a través de la calibración, metrología y verificación. Las cámaras de infrarrojos adquieren la temperatura y la información geométrica, aunque los procedimientos de calibración y verificación son sólo habitual para datos térmicos. Para este propósito se utiliza el "cuerpo negro". Por otra parte, la información geométrica es importante para muchos campos como la arquitectura, la ingeniería civil y la industria. 

Este trabajo presenta un procedimiento de calibración que permite la restitución fotogramétrica y un artefacto portátil para verificar la exactitud geométrica, la repetibilidad y la deriva de cámaras termográficas. Estos resultados permiten la incorporación de esta información en los procesos de control de calidad de la industria. Una red basada en lámparas encendidas se utiliza para la calibración geométrica de cámaras termográficas. El artefacto diseñado para la verificación geométrica consiste en cinco esferas de delrin y siete cubos de diferentes tamaños. 

La metrología del artefacto se obtiene de una máquina de medición de coordenadas. Dos conjuntos de objetivos con distinta reflectividad se fijan a las esferas y cubos para hacer el procesamiento de datos y la restitución fotogramétrica. La reflectividad fue la conveniencia de material elegido debido a la capacidad de las cámaras termográficas y visuales para detectarlo. 

Dos cámaras termográficas de Flir y Nec, y una cámara visible desde Jai han sido calibradas, verificadas y comparadas mediante rejillas de calibración y el artefacto estándar. El sistema de calibración basado en lámparas encendidas muestra su capacidad para llevar a cabo la orientación interna de las cámaras térmicas. 

Los resultados de la verificación muestran repetibilidad mejor que 1 mm para todos los casos, siendo mejor que 0,5 mm para el visible. Como es de esperar, también aparece precisión mayor en la cámara visible, y la comparación geométrica entre cámaras termográficas muestra resultados ligeramente mejores para la cámara Nec.

Infrared thermography is a technique with an increasing degree of development and applications. Quality assessment in the measurements performed with the thermal cameras should be achieved through metrology calibration and verification. Infrared cameras acquire temperature and geometric information, although calibration and verification procedures are only usual for thermal data. Black bodies are used for these purposes. Moreover, the geometric information is important for many fields as architecture, civil engineering and industry.

This work presents a calibration procedure that allows the photogrammetric restitution and a portable artefact to verify the geometric accuracy, repeatability and drift of thermographic cameras. These results allow the incorporation of this information into the quality control processes of the companies. A grid based on burning lamps is used for the geometric calibration of thermographic cameras. The artefact designed for the geometric verification consists of five delrin spheres and seven cubes of different sizes.

Metrology traceability for the artefact is obtained from a coordinate measuring machine. Two sets of targets with different reflectivity are fixed to the spheres and cubes to make data processing and photogrammetric restitution possible. Reflectivity was the chosen material propriety due to the thermographic and visual cameras ability to detect it.

Two thermographic cameras from Flir and Nec manufacturers, and one visible camera from Jai are calibrated, verified and compared using calibration grids and the standard artefact. The calibration system based on burning lamps shows its capability to perform the internal orientation of the thermal cameras.

Verification results show repeatability better than 1 mm for all cases, being better than 0.5 mm for the visible one. As it must be expected, also accuracy appears higher in the visible camera, and the geometric comparison between thermographic cameras shows slightly better results for the Nec camera.

1.- Introducción / Introduction

La termografía es la técnica de producir una imagen de la radiación infrarroja que todos los cuerpos emiten debido a sus condiciones térmicas [1]. Esta técnica tiene un desarrollo cada vez mayor, con una amplia variedad de aplicaciones, tales como la inspección de edificios, tanto nuevos como históricos [2-4], estructuras lineales [5,6], electricidad y mantenimiento mecánico [7,8], las energías renovables [9], el monitoreo de procesos [10], la medicina humana y veterinaria [11-14], y la detección de los animales [15]. 

Las cámaras termográficas son calibradas y verificadas con el fin de garantizar una medición precisa de la temperatura. Estas calibraciones y verificaciones se basan en cuerpos negros, que evitan la reflectividad radiación espontánea, y generan condiciones de temperatura controlada a la referencia Kelvin. Las calibraciones y verificaciones sobre la base de los cuerpos negros son un servicio de metrología que es ofrecido por muchos laboratorios de todo el mundo. 

La información geométrica de cámaras termográficas obtenida de restituciones fotogramétricas podría ser muy importante en muchos campos (estudios de eficiencia energética en la arquitectura, posicionamiento geométrico de patologías concretas en ingeniería civil, supervisión de procesos de moldeo por inyección y mecanizado, la predicción desgaste mecánico, detección de fallo eléctrico, etc ). Por otra parte, la calibración geométrica y verificación de cámaras termográficas apenas se encuentran en la bibliografía [16], en comparación con la calibración métrica de cámaras fotográficas visibles que es muy común [17,18]. 

La importancia de la combinación de datos térmicos y geométricos de las cámaras y la necesidad de integrar la instrumentación de los sistemas de gestión de calidad de las empresas hacen necesario el desarrollo de los procedimientos de calibración y artefactos estándar para la verificación geométrica de estos sistemas. Este trabajo muestra un procedimiento de calibración y un bajo costo, sistema portátil para verificar los parámetros geométricos, como la precisión, repetibilidad y la deriva, de cámaras termográficas. Tal procedimiento y artefacto se utilizan para establecer la calibración geométrica y la verificación de dos cámaras termográficas FLIR P640 y NEC TH9260, tanto con sensores de 640x480 píxeles, y una cámara visible semi-métrica, Jai BB500GE.

Thermography is the technique of producing an image from the infrared radiation that all the bodies emit due to their thermal conditions [1]. This technique has an increasing development, with a wide variety of applications, such as building inspection, both new and historic [2–4], linear structures [5,6], electric and mechanic maintenance [7,8], renewable energies [9], process monitoring [10], human and veterinary medicine [11–14], and animal detection [15]. 

Thermographic cameras are typically thermally calibrated and verified in order to guarantee an accurate temperature measurement. These calibrations and verifications are based on black bodies, which avoid spurious radiation reflectivity, and generate controlled temperature conditions with traceability to the national reference, Kelvin. Calibrations and verifications based on black bodies are a mature metrological service that is offered by many laboratories around the world. 

Geometric information of thermographic cameras obtained from photogrammetric restitutions could be very important in many fields (energy efficiency studies in architecture, geometrical positioning of concrete pathologies in civil engineering, process  monitoring in injection mould and machining, mechanical wear prediction, electrical failure detection, etc.). Moreover, geometric calibration and verification of thermographic cameras is scarcely found in the bibliography [16], in comparison with the metric calibration of photographic visible cameras which is very common [17,18].

The importance of combining thermal and geometric data from the cameras and the necessity to integrate the instrumentation in the quality management systems of the companies make it necessary to develop calibration procedures and standard artefacts for the geometrical verification of these systems. This work shows a calibration procedure and a low-cost, portable system to verify the geometric parameters, such as accuracy, repeatability and drift, of thermographic cameras. Such procedure and artefact are used to establish the geometrical calibration and verification of two thermographic cameras, Flir P640 and NEC TH9260, both with sensors of 640 x 480 pixels, and a semi-metric visible camera, Jai BB500GE.

2. Experimental 2.1. Cámaras  / Cameras

Se dispone de dos cámaras termográficas de diferentes fabricantes  pero de similares características . Se analizan en este documento sus características técnicas (que se muestran en la tabla 1), y una imagen de en las figuras 1a y b. 

La cámara visible semi-métrica utilizada fue una Jai BB500GE, con 8 mm de la lente. Sus especificaciones técnicas se muestran en la Tabla 2, junto con una imagen de él (. Fig 1c). 

Two thermographic cameras from different manufacturers but similar characteristics are analyzed in this paper. Their technical characteristics are shown in Table 1, and an image of them is shown in Fig. 1a and b.

The semi-metric visible camera used was a Jai BB500GE, with 8 mm lens. Its technical specifications are shown in Table 2, together with an image of it (Fig. 1c).

Figure 1

2.2. Calibración de la cámara / Camera calibration

La calibración de la cámara es un aspecto clave para obtener información geométrica mediante la restitución fotogrametría. La calibración da los parámetros internos de la cámara como la distancia focal, punto principal o distorsión de la lente. Para ambas cámaras semi-métricas y termográficas, la calibración se realiza por un método de ajuste de paquete auto-calibración [17,18], tomando varias imágenes de una cuadrícula de calibración. Los archivos de calibración de cada cámara se utilizarían en el proyecto de restitución del modelo. Tanto la calibración y proyectos de restitución del modelo fueron desarrolladas utilizando software Photomodeler, que es una estación fotogramétrica que permite la obtención de la posición tridimensional de puntos sobre la superficie de los objetos desde un mínimo de tres fotografías de la misma. 

Camera calibration is a key aspect to obtain geometrical information through photogrammetry restitution. Calibration gives the internal parameters of the camera as the focal length, principal point or lens distortion. For both semi-metric and thermographic cameras, calibration is performed by a self-calibration bundle adjustment method [17,18], by taking several images of a calibration grid. The calibration files from each camera would be used in the model’s restitution project. Both calibration and model’s restitution projects were developed using Photomodeler software, which is a photogrammetric station which allows obtaining the three-dimensional position of points on the surface of objects from a minimum of three photographs of it.

2.2.1. Calibración de la Cámara fotogramétrica / Photogrammetric camera’s calibration

La cámara Jai BB500GE fue calibrado usando software Photomodeler y rejilla de calibración. Este método se utiliza ampliamente en la calibración de la cámara visible [19-21] y se muestra a continuación, con el siguiente procedimiento: 

1.  Selección de tipo y tamaño de la cuadrícula de calibración utilizado (. Fig 2). 
2. Captura de ocho fotografías de la cuadrícula de calibración, de diferentes puntos de vista, que debe garantizar buenas intersecciones ray. Por lo tanto, las imágenes deben ser tomadas perpendicularmente y oblicuamente a la red de calibración, con una rotación relativa de 90º alrededor del eje óptico [22]. 
3. Procesamiento Photomodeler: objetivos automáticos de marcado, algoritmo de calibración. 
4. Generación de un archivo que incluye los parámetros de calibración, que son la longitud focal, tamaño de formato, punto principal y distorsión radial y descentrado de la lente. Los valores de estos parámetros para Jai cámara se muestran en la Tabla 5.

The Jai BB500GE camera was calibrated using Photomodeler software and calibration grid. This method is extensively used in visible camera calibration [19–21] and is shown next, with the following procedure:

1. Selection of type and size of the calibration grid used (Fig. 2).
2. Capture of eight photographs of the calibration grid, from different points of view, which must ensure good ray intersections. Therefore, images should be taken perpendicularly and obliquely from the calibration grid, with a relative rotation of 90  around the optical axis [22].
3. Photomodeler processing: automatic fiducial targets marking, calibration algorithm.
4. Generation of a file including the calibration parameters, that are focal length, format size, principal point and radial and decentering distortion of the lens. Values of these parameters for Jai camera are shown in Table 5.

2.2.2. Calibración de cámaras termográficas / Thermographic cameras’ calibration

Las cámaras termográficas se calibran térmicamente con el fin de proporcionar información precisa de la temperatura [23], pero no hay mucha información acerca de su calibración métrica para fines geométricas. Se ha diseñado un elemento de calibración con el objetivo de servir de apoyo a la calibración termográfica. Este elemento consiste en un tablón de madera, con una superficie de 1 m2, con 64 lámparas encendidas, elegidas por su idoneidad para ser detectadas por la cámara termográfica cuando se enciende. las lámparas están dispuestos en una matriz de 8x8 [24], como se muestra en la figura. 3. 

La metodología de calibración fue idéntica para la cámara Jai utilizando el software Photomodeler.

Thermographic cameras are thermally calibrated in order to provide accurate temperature information [23], but there is not much information about their metric calibration for geometrical purposes. A calibration field was designed with the objective of serving as a calibration field for thermographic cameras. This field consists of a wooden plank, with a surface of 1 m2, with 64 burning lamps, chosen due to their suitability for being detected by the thermographic camera when turned on. Burning lamps are disposed in an 8 8 matrix [24], as shown in Fig. 3.

The calibration methodology carried out was identical to the one explained for the Jai camera, also using the Photomodeler software.

2.3. Artefacto estándar para la verificación geométrica  / Standard artefact for geometric verification

La verificación de los sistemas metrológicos en metrología dimensional se realiza generalmente a través de artefactos físicos que materializan una cierta longitud. Por ejemplo bloques patrón o esferas se utilizan para la verificación de medición de coordenadas máquinas, pinzas o micrómetros [25-27]. Para el propósito de la verificación geométrica de las cámaras termográficas se desarrolló un artefacto estándar. 

El artefacto estándar consta de un bloque de aluminio, con siete cubos de aluminio de dimensiones descendente y cinco esferas delrin ensambladas con pegamento epoxi a la parte superior del bloque. Todos los componentes, menos la esfera se mecanizan por un sistema CNC. 

El diámetro nominal de las esferas es de 100 mm, y la longitud de los bordes de los cubos son 100 mm, 80 mm, 60 mm, 40 mm, 30 mm, 20 mm y 10 mm respectivamente. Una imagen del artefacto se muestra en la figura. 4. 

La calibración del artefacto y la trazabilidad a la referencia nacional de la longitud fue dado por una máquina de medición de coordenadas Mitutoyo Euroc Apex 12010 bajo condiciones ambientales controladas: 20 ± 2 C de temperatura, 50 ± 10% de humedad relativa. 

Las mediciones se realizaron en el Centro Tecnológico Aimen (ENAC laboratorio acreditado). Los resultados obtenidos en esta medición se utilizan como una referencia para los resultados de las cámaras, y se muestran en las Tablas 3 y 4. 

La superficie del artefacto estaba cubierto por objetivos negros con 6 mm de diámetro y un espesor inferior a 50 lm, con el fin de facilitar la restitución fotogramétrica y la comparación dimensional. Estos objetivos se han alcanzado correctamente por la cámara visible en todas las situaciones, tanto para las esferas de delrin como en los cubos de aluminio. Sin embargo, sólo podrían ser detectados en las partes de aluminio las cámaras termográficas. Las esferas de delrin y objetivos negros muestran una baja reflectividad y alta emisividad, por lo que a la misma temperatura no hay diferencias en el contraste que puedan medir las cámaras termográficas. El problema se resolvió utilizando objetivos de pintura de plata, que es muy reflectante y por lo tanto presenta menos emisividad de delrin. 

Verification of metrological systems in dimensional metrology is usually performed through physical artefacts which materialize a certain length. For example gauge blocks or spheres are used for the verification of coordinate measuring machines, callipers or micrometers [25–27]. For the purpose of geometric verification of thermographic cameras a standard artefact was developed. Spheres assembled with epoxy glue to the top of the block. Every component but the sphere was machined by a precise CNC system.  The nominal diameter of the spheres is 100 mm, and the length of  the edges of the cubes are 100 mm, 80 mm, 60 mm, 40 mm,  30 mm, 20 mm and 10 mm respectively. An image of the artefact  is shown in Fig. 4. 

The calibration of the artefact and traceability to the national  

reference of length was given by a coordinate measuring machine 

Mitutoyo Euroc Apex 12010 under controlled environmental con 

ditions: 20 ± 2 C of temperature, 50 ± 10% of relative humidity. 

Measurements were performed in Aimen Technological Centre (ENAC accredited laboratory). The results obtained in this measurement are used as a reference for the cameras’ results, and are shown in Tables 3 and 4.  The surface of the artefact was covered by black targets with 6 mm diameter and a thickness lower than 50 lm, in order to facilitate the photogrammetric restitution and the dimensional comparison. These targets were correctly detected by the visible camera in all situations, both on the delrin spheres and on the aluminium cubes. However, they could be detected only on the aluminium parts by the thermographic cameras. Delrin spheres and black targets both show low reflectivity and high emissivity, so at the same temperature no differences in contrast can be measured by thermographic cameras. The problem was solved using targets of silver paint, which is very reflective and therefore presents less emissivity than delrin. Fig. 5 exhibits a thermography image of the standard artefact, where targets (black stickers and silver paintings) are correctly detected. In addition, some lines were painted on the spheres to improve the location of the targets

Figura 3. Tabla de calibración 3. para cámaras termográficas.   

Figure 3. Calibration field for thermographic cameras.

Figura 4. Artefacto estándar y de referencia del sistema de coordenadas. Se asigna un código a cada esfera (S1.. .S5) y cubo (C1.. .C7). Los objetivos pintados se pueden detectar visualmente.Fig. 4. Standard artefact and reference coordinate system. A code is assigned to each sphere (S1. . .S5) and cube (C1. . .C7). Painted targets can be visually detected.

Figura 5. La termografía y la imágenes del artefacto con la cámara Flir. Los objetivos se detectan fácilmente debido a su diferencia de emisividad con el bloque de aluminio y las esferas de delrin.Fig. 5. Thermography and visible images of the artefact from Flir camera. Targets are easily detected due to their difference of emissivity with the aluminium block and the delrin spheres.

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