Problematiche sulla calibrazione del sensore di una camera termica

Le camere termiche a infrarossi sono usate ampiamente come strumenti qualitativi e quantitativi d’ispezione radiometrica. Tipicamente, i dati termografici e la loro trasformazione numerica sono rappresentati nel sistema di riferimento dell'immagine che può essere anche influenzato da alte deformazioni geometriche. In questo caso, le immagini termiche devono essere raddrizzate, e quindi è necessaria la conoscenza dei parametri di calibrazione della termocamera (distanza principale, posizione del punto principale e distorsione della lente). L’approccio comunemente adoperato nella calibrazione delle immagini termiche è analogo a quello adoperato con le camere digitali, il calcolo preliminare dell’orientamento delle immagini partendo da valori approssimati dei parametri d’orientamento interno. Da lavori in letteratura (Gianinetto M. et al., 2005), le problematiche maggiormente riscontrate sull’adozione dei sensori termici, sono originate principalmente: (i) dalla

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grande distorsione della lente, (ii) dalle grandi dimensioni dei pixel, (iii) dal piccolo formato dell’immagine, (iv) dall’elevata sensibilità alle variazioni di temperatura superficiale, e dalla bassa sensibilità alle variazioni di riflettività della superficie radiometrica, (v) dalla presenza di autofocus, dispositivo che non può essere disattivato, (vi) e a volte anche dalla ridotta informazioni sulla geometria del sensore interno. Normalmente nelle specifiche tecnica di una termocamera non è fornita alcuna informazione sulla dimensione del sensore,e così per superare questo inconveniente al sensore si possono dare delle dimensioni arbitrarie in millimetri, scalando gli altri parametri rispetto a queste. Per i valori approssimati dei parametri di calibrazione della camera si possono fare le seguenti valutazioni: la distanza principale può essere calcolata per resezione o space resection, misurando alcune distanze tra i punti di controllo nell'immagine nadirale; il punto principale viene scelto al centro del sensore, mentre vengono posti nulli i valori dei coefficienti della distorsione indicati nell’equazione 3.1 al paragrafo 3.2.3, del capitolo 3, riconducendo il problema al caso ideale di camera stenopeica (Gianinetto et al., 2005).

4.3.1 Approssimazione dei parametri con un software di fotogrammetria digitale

Il programma PhotoModeler richiede l’introduzione di valori approssimati solo per il calcolo dei parametri d’orientamento interno, senza dovere definire i parametri d’orientamento esterno.

Il modello geometrico implementato si basa sulla seguente serie di parametri: • la distanza principale (c) ;

• le coordinate (y0, y0) del punto principale;

• I coefficienti (K1, K2) per compensare la distorsione ottica radiale;

• I coefficienti (P1, P2) per compensare la distorsione tangenziale della lente.

La stima di questi parametri aggiunge quindi sette incognite al calcolo del bundle adjustment . L'algoritmo implementato in PhotoModeler, per questocalcolo, ha bisogno di almeno 8 punti di controllo (come indicato al paragrafo 3.2.6), che possono essere misurati su tutte le immagini del blocco.

4.3.2 Esempio di procedura di calibrazione del sensore termico con reticolo di

calibrazione spaziale, eseguendo una self-calibration.

Costruito un reticolo di calibrazione, ad esempio costituito da una tavoletta di legno con sopra posti dei chiodi come target, ed utilizzato un set di punti di controllo ben distinguibili sulla scena di

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coordinate note, dopo una fase di coregistrazione delle immagini, viene eseguito con PhotoModeler il calcolo dell’orientamento esterno per space resection, ed infine per bundle adjustment vengono stimati i parametri di calibrazione del blocco fotogrammetrico. Da studi di calibrazione di immagini, in particolare termiche, tratti da letteratura (Gianinetto et al., 2005), e condotti lavorando col software di calibrazione di immagini PhotoModeler, le operazioni da compiere per l’orientamento dei fotogrammi, in ordine sono:

1.avvio del software e creazione di un nuovo progetto : -importazione delle coordinate dei punti di controllo;

-assegnazione di valori iniziali per i parametri di calibrazione della camera; -selezione delle immagini da utilizzare nel progetto.

2. misurazione manuale delle coordinate immagine dei punti di controllo: il centro di ogni target utilizzato come punto di controllo deve essere ricercato mediante una collimazione manuale dall’utilizzatore del software (purtroppo la misurazione dei punti di controllo, non può avvenire mediante l’applicazione di procedure automatiche, perché introdurrebbero delle distorsioni nella misurazione). In questa fase, le coordinate immagine dei punti di controllo vengono misurate, ma senza alcuna etichettatura degli stessi;

3. Etichettatura manuale dei punti di controllo sulle immagine selezionate: al fine di calcolare un primo orientamento stabile di tutto il blocco di immagini importate in fase 1, vengono individuati su tutte le immagini di riferimento un insieme di punti di controllo, di geometria nota e ben distribuiti sul reticolo spaziale.

4. Calcolo di un iniziale orientamento esterno : ogni immagine viene orientata per space resection, basandosi sul set di punti di controllo etichettati al punto 3, in una seconda fase un primo bundle adjustment viene calcolato senza includere la stima dei parametri di calibrazione.

5. Etichettatura automatica dei punti di controllo rimanenti: grazie all’orientamento calcolato al punto 3, tutti gli altri punti di controllo, vengono ora etichettati sfruttando i vincoli epipolari; la ricerca dei punti corrispondenti, richiede in fase di progettazione iniziale la definizione di una soglia, che dipende dall’accuratezza dell’orientamento stimato; nel poligono di calibrazione spaziale i punti di controllo vengono posizionati abbastanza lontani tra loro per evitare errate corrispondenze; infine per perfezionare l’orientamento alcuni punti mancanti vengono inseriti manualmente.

6. Bundle adjustment del blocco con la stima dei parametri di calibrazione: l'orientamento finale viene calcolato in due passi, il primo senza comprendere i parametri di calibrazione, per rilevare eventuali errori grossolani nelle misure del punto immagine, il secondo viene calcolato anche per ottenere la stima dei parametri di calibrazione.

84 Fig.4.3.2-1 Reticolo di calibrazione con sopra riportate le posizioni dei punti di controllo