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

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)

Autores: S Lagüela (1), H Gonzáalez-Jorge (1), J Armesto (1) and J Herráaez (2)
(1) ETSE Minas, University of Vigo. Rúa Maxwell s/n, Campus Lagoas-Marcosende, 36310 Vigo, Spain
(2) Universidad Politécnica de Valencia, Cartographic Engineering School, Valencia, Spain
Received 15 April 2011, in final form 11 November 2011
Published 9 December 2011
Online at stacks.iop.org/MST/23/015402

Resumen / Abstract

La calibración de métrica de cámaras termográficas haría posible la adquisición de datos geométricos si se siguen los principios de la fotogrametría. Los efectos de distorsión introducidos en las imágenes por la lente y el efecto de perspectiva pueden corregirse si se conocen los parámetros de calibración. Este papel presenta una cuadrícula de calibración que permite la calibración automática de métrica de cámaras termográficas. Esta rejilla de calibración está compuesta de materiales ligeros y fácil de encontrar para garantizar su portabilidad y manejo. Los parámetros de calibración obtenidos con la rejilla de calibración presentados son verificados y comparados con los obtenidos con una cuadrícula de calibración de temperatura a través de la evaluación de la exactitud

The metric calibration of thermographic cameras would make possible the acquisition of geometric data if the principles of photogrammetry are followed. Both the distortion effects introduced in the images by the lens and the perspective effect can be corrected if the calibration parameters are known. This paper presents a calibration grid that allows the automatic metric calibration of thermographic cameras. This calibration grid is made of light and easy-to-find materials to guarantee its portability and handling. The calibration parameters obtained with the presented calibration grid are verified and compared with those obtained with a temperature-based calibration grid through the evaluation of the accuracy and repeatability in the modelling of a standard artefact previously certified.

Introduction

La termografía infrarroja es la técnica de medición de la radiación infrarroja emitida por organismos, proporcionalmente depende de la temperatura de su superficie [1]. Gracias a esto, termografía infrarroja muestra una amplia gama de aplicaciones [2], como medida de las pérdidas de calor, humedad y aire fugas en edificios [5]; sobrecargas y fallas eléctricas en cables en las líneas eléctricas [6]; las sobrecargas y fricción en motores y otras maquinarias mecánicas [7]; bloqueos de sangre e inflamaciones en la ciencia de la medicina y Veterinaria [8, 9]. Cámaras termográficas típicamente están calibradas en simuladores de cuerpo negro [10] o sistemas de termopar [11], por lo que la incertidumbre en la medición de la radiación infrarroja y la temperatura posterior está certificada. Así, el objeto de la mayoría de las encuestas de termografía se limita a la adquisición de imágenes y análisis térmico [12-14], no teniendo en cuenta la información geométrica que puede obtenerse en la termografía, si se siguen los principios de la fotogrametría.
Con el fin de explotar la información métrica de Termografía y por lo tanto, completar el estudio de los cuerpos, es esencial conocer los parámetros de calibración de la cámara termográfica utilizado en la encuesta. Estos parámetros caracterizan la orientación interna de las imágenes en la cámara y includeradial y descentrar la distorsión de la lente, coordenadas del punto principal, la distancia principal y el sensor de tamaño [15]. Las coordenadas geométricas del objeto se obtienen de la combinación de los parámetros de calibración y la orientación interior de sus imágenes [16].Dado que las cámaras termográficas medir temperatura corporal de forma indirecta (que registran la radiación emitida, y de este valor calcula la temperatura correspondiente), primera calibración geométrica de cámaras termográficas se basa en rejillas de calibración utilizando bombillas como objetivos. Como bombillas aumentan su temperatura cuando enciende, precisamente son detectados por los sistemas de termografía infrarrojos [17, 18]. Sin embargo, estos sistemas de calibración son generalmente pesados, necesitan una fuente de alimentación externa y presente efectos de difracción debido a la interacción entre las bombillas y los agujeros de la tabla de soporte. Además, el proceso de marcado de los objetivos se realiza manualmente. Este artículo presenta una cuadrícula de calibración de bajo costo para la calibración geométrica automática de cámaras termográficas basado en la combinación  de materiales con valores diferentes de la emisividad.

Infrared thermography is the technique of measuring the infrared radiation emitted by bodies, proportionally dependent on the temperature of their surface [1]. Thanks to this, infrared thermography shows a wide range of applications [2], such as measurement of heat losses, dampness and air leaks in buildings [3–5]; overcharges and electrical failures in cables in electric lines [6]; overloads and friction in engines and other mechanical machinery [7]; blood blockages and inflammations in medicine and veterinary science [8, 9]. Thermographic cameras are typically calibrated in blackbody simulators [10] or thermocouple systems [11], so that the uncertainty in the measurement of infrared radiation and the subsequent temperature is certified. This way, the object of most thermographic surveys is limited to image acquisition and thermal analysis [12–14], not taking into consideration the geometric information that can be obtained from thermography if photogrammetry principles are followed.

In order to exploit the metric information of thermography and therefore completing the study of the bodies, it is essential to know the calibration parameters of the thermographic camera used in the survey. These parameters characterize the inner orientation of the images in the camera, and include radial and decentering distortion of the lens, principal point coordinates, principal distance and sensor size [15]. The geometric coordinates of the object are obtained from the combination of the calibration parameters and the interior orientation of its images [16]. 

Given the fact that thermographic cameras measure body temperature in an indirect way (they register emitted radiation, and from this value they calculate the corresponding temperature), first geometric calibrations of thermographic cameras are based on calibration grids using light bulbs as targets. Since light bulbs increase their temperature when turned on, they are precisely detected by infrared thermographic systems [17, 18]. However, these calibration systems are usually heavy, need an external power supply and present diffraction effects due to the interaction between the light bulbs and the holes of the supporting plank. In addition, the marking process of the targets is manually performed. 

This paper presents a low cost calibration grid for the automatic geometric calibration of thermographic cameras based on the combination ofmaterials with different emissivity values. 

Figure 1. Thermographic camera used for this paper, model NEC TH9260.

Este sistema elimina la necesidad de bombillas y suministro eléctrico externo, por lo que se evita la difracción óptica introducida por ellos en los sistemas anteriores. Por otra parte, los materiales elegidos fácilmente permiten la introducción de objetivos cifrados, con la automatización resultante del proceso de calibración y eliminación de la influencia humana en el proceso. El objetivo de este trabajo es analizar el rendimiento de la red propuesta calibración y comparar sus resultados con los obtenidos mediante el desarrollo de la calibración métrica con una cuadrícula de calibración basada en bombillas (por lo tanto, diferencias de temperatura basedon). Además, la cámara termográfica calibrada se utiliza para la restitución geométrica de un artefacto estándar utilizando los resultados de calibración obtenidos con las dos rejillas de calibración diferente. Así, ambos resultados de calibración se evaluaron mediante la comparación con valores geométricos conocidos y certificados.

This system removes the need for light bulbs and external electrical supply, so that the optical diffraction introduced by them in previous systems is avoided. What is more, the materials chosen easily allow the introduction of coded targets, with the resulting automation of the calibration process and removal of human influence in the process. The aim of this paper is to analyse the performance of the proposed calibration grid and compare its results with those obtained by developing the metric calibration with a calibration grid based on light bulbs (consequently, based on temperature differences). Furthermore, the calibrated thermographic camera is used for the geometric restitution of a standard artefact using the calibration results obtained with the two different calibration grids. This way, both calibration results were evaluated by comparing them with known and certified geometric values.

2. Detalles del experimento / Experimental details

La cámara termográfica NEC, modelo TH9260 (Figura 1) se utilizó en este trabajo para el análisis de calibración y verificación. Esta cámara presenta un tamaño del sensor de 640 × 480, que es uno de los más grandes tamaños comerciales móviles cámaras termográficas; es una matriz de plano focal sin enfriar, lo que significa que elementos de la matriz responden a la radiación infrarroja sin necesidad de operación criogénico [19]. Por otra parte, presenta una sensibilidad térmica de 0.06 ◦C a una temperatura ambiente de 30 ◦C, que es una característica muy importante en este estudio, dado que la rejilla de calibración presentados y el procedimiento están diseñados para cámaras capaces de detectar diferencias de temperatura de diferencias pequeñas de la radiación infrarroja emitida. Características técnicas más puede verse en la tabla 1 para alcanzar la métrica calibración de la cámara termográfica y estudiar la adecuación del campo calibración propuesto, se desarrollaron los siguientes pasos

The thermographic camera from NEC, model TH9260 (figure 1) was used in this paper for the calibration and verification analysis. This camera presents a sensor size of 640 × 480, which is one of the largest commercial sizes for mobile thermographic cameras; it is an uncooled focal plane array, which means that array elements respond to infrared radiation without requiring cryogenic operation [19]. What is more, it presents a thermal sensitivity of 0.06 ◦C at an ambient temperature of 30 ◦C, which is a very important characteristic in this study given that the presented calibration grid and procedure are designed for cameras capable of detecting small temperature differences from small emitted infrared radiation differences. More technical characteristics can be seen in table 1. In order to achieve the metric calibration of the thermographic camera and to study the adequacy of the proposed calibration field, the following steps were developed.

Figure 2. Calibration grid designed for the automatic metric calibration of thermographic cameras, based on emissivity differences.

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