Software de Pos-Procesamiento de Imágenes Termográficas

Resumen: T-038
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDEST E
Comunicaciones Científicas y Tecnológicas 2006
Software de Pos-Procesamiento
de Imágenes Termográficas
1
Krenzinger, Arno - Vera, Luis Horácio
1-2
1.Universidad Nacional de Nordeste, Departamento de Ingeniería Mecánica, Av. Las Heras nº 727, Resistencia, Chaco,
Argentina, Teléfono: +54-3722-420076, Email: [email protected]
2.Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Laboratório de Energia Solar - PROMEC, Rua Sarmento Leite nº 425,
Porto Alegre, Rio Grande do Sul, Brasil, Telefone: +55-51-3316-6841
Resumen. La termografía es una técnica muy poderosa para medir campos de temperatura en innumeras aplicaciones.
Los equipamientos modernos producen imágenes digitales a partir de sensores dispuestos sobre una matriz plana que
recibe la radiación térmica del objeto focalizado. El flujo de radiación, asumiendo conocida la emisividad de la
superficie, permite la determinación de la temperatura del objeto. Después de registrada la imagen, hay mucha
información a ser analizada a través de un microcomputador y de programas de pos-procesamiento. Estos programas
además de ser muy caros, no siempre poseen todas las herramientas necesarias para el análisis deseado. Con el objetivo
de perfeccionar el proceso de análisis y de proporcionar una herramienta de uso más accesible, fue desarrollado en el
PROMEC/UFRGS un programa computacional para el procesamiento de las imágenes generadas por termógrafos, a
partir de la exportación en formato jpeg de las imágenes adquiridas en escala de grises, y de pocas informaciones
adicionales. Este trabajo presenta los algoritmos utilizados y los recursos proporcionados por el programa, como ser:
capacidad de exportación matricial, trazado de perfil térmico y de corrección de imágenes por zonas de diferentes
características ópticas.
Palabras claves: Termografía, Procesamiento de imágenes, Termometría.
Introducción
Las imágenes termográficas pueden suministrar innumeras informaciones detalladas sobre o campo de temperaturas de
una superficie o de un conjunto de objetos. Para analizar estas informaciones de forma adecuada son necesarios
software’s que reúnen una cantidad de herramientas que permiten este estudio. Estos software’s permiten realizar
promedios de temperaturas, analizar áreas de la imagen de forma separada, búsqueda de puntos de temperaturas
máxima y mínima, etc..
Cámaras termográficas son siempre comercializadas con, por lo menos, un software funcional. Algunas funciones más
avanzadas son disponibles apenas en versiones comercializadas a un precio bastante elevado. Además de esto
determinadas funciones personalizadas, interesantes para aplicaciones específicas, a veces simplemente no están
disponibles.
Con esta preocupación y debido al uso sistemático de un equipo de adquisición de imágenes termográficas, se decidió
desarrollar un software propio, capaz de producir imágenes con posibilidad de exportación matricial de dados y análisis
avanzados.
Principio de Funcionamiento de una Cámara Termográfica.
La luz visible emitida por una fuente luminosa, se refleja en los objetos y es capturada por el ojo humano. En el ojo, la
luz que penetra por la pupila es proyectada por el cristalino (una lente natural) en la retina, cuyas células generan
impulsos nerviosos al nervio óptico. Una cámara fotográfica digital funciona de forma similar. La luz que pasa por el
diafragma es proyectada en el plano focal a través de los lentes del objetivo. Una asociación de minúsculos sensores
(cada sensor es un píxel), en plano focal, son sensibilizados por la intensidad luminosa incidente produciendo una
pequeña señal eléctrica y, por medio de un sistema de barredura electrónica, descargando en una memoria digital la cual
acabará por informar, para cada píxel, la irradiáncia recibida en un determinado intervalo de tempo.
Una cámara termográfica, a su vez, también es similar a una cámara fotográfica digital. Utiliza lentes para proyectar una
imagen en un plano focal, donde una asociación de minúsculos sensores registra la irradiáncia. La diferencia es el
intervalo de respuesta espectral de los sensores y de la transmitáncia de los lentes. Filtros especiales o los propios lentes
cortan la luz visible, dejando apenas parte del espectro infrarrojo llegar a los sensores. La energía radiante para
longitudes de onda largas es oriunda de cualquier cuerpo, no solo de las fuentes luminosas de luz visible, como
lámparas o la luz del día. La cámara recibe la radiación procedente de los cuerpos presentes en el campo de visión de
sus lentes, tanto por reflexión de otras fuentes como por la emisión del propio cuerpo, o sea, todos los objetos en el
campo de visión de los lentes son simultáneamente objetos luminosos e iluminados.
Si un objeto que absorbe la radiación incidente (consecuentemente refleja poco) está en el campo de visión de una
cámara fotográfica, su imagen visible registrará una región oscura. El mismo objeto frente a una cámara termográfica
también no reflejara la energía radiante del entorno, pero irá emitir radiación propia, proporcional a su temperatura
absoluta a la cuarta potencia. Equipamientos de registro de imágenes termográficas permiten de esta forma realizar
observaciones de objetos sin la presencia de luz, contando apenas con las radiaciones térmicas emitidas por los propios
cuerpos en observación.
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Radiación Térmica.
Radiación térmica es emitida por la superficie de cualquier material que tenga una temperatura encima del cero
absoluto. El movimiento de las cargas eléctricas de las partículas del material emite radiación electromagnética en un
amplio espectro que varia desde el ultravioleta (λ=0,1 µm) hasta el final del infrarrojo (λ=1000 µm). El flujo de energía
irradiado por un cuerpo depende de su temperatura a la cuarta potencia e de las características de su superficie. La
calidad de la radiación emitida también depende de la temperatura del cuerpo. El emisor ideal, llamado cuerpo negro,
limita el máximo flujo de radiación térmica que pode ser emitido por una superficie, conforme definido (Sparrow y
Cess, 1978) por la ecuación de Planck, Eq. (1):
Eb (λ , T ) =
2πhc 2
λ5 [exp(hc / λkT ) − 1]
(1)
donde h es la constante de Planck, k es la constante de Boltzmann, c es la velocidad de la luz, T es la temperatura
absoluta y λ es la longitud de onda.
La potencia emisiva total de un cuerpo negro es dada por la ecuación de Stefan-Boltzmann:
∞
Eb = ∫ Eb (λ , T )dλ = σT 4
(2)
0
donde σ es la constante de Stefan-Boltzmann.
Un cuerpo real tiene una potencia emisiva menor que un cuerpo negro. La razón entre la potencia emisiva
monocromática de la superficie de un cuerpo y potencia emisiva monocromática de un cuerpo negro a la misma
temperatura es llamada emitáncia monocromática ε(λ) y el cociente entre la potencia emisiva total de la superficie y la
potencia emisiva total de un cuerpo negro es llamada emitáncia hemisférica o simplemente emitáncia.
∞
∫ ε (λ ) E (λ ,T )dλ
b
ε=
0
(3)
σT 4
Existe una alta complejidad en el estudio de la distribución espacial de la radiación térmica, ya que es posible que la
superficie tenga emitáncia variable con la dirección, además de la dependencia con la longitud de onda. Para poder
generalizar un procedimiento único, se asume que todas las superficies tienen un comportamiento "lambertiano", esto
es, emiten y reflejan radiación difusa en todas las direcciones de forma proporcional al coseno del ángulo formado con
la normal de la superficie.
Suponiendo que el sensor responda apenas a radiaciones con longitudes de onda entre λ1 e λ2, la fracción de la
radiación de un cuerpo negro que es captada es dada por Mb, conforme la ecuación (4):
λ2
∫ E ( λ , T ) dλ
b
Mb =
(4)
λ1
∞
∫ E ( λ , T ) dλ
b
0
y, en esta banda, la emitáncia efectiva será definida por la Eq. (5) donde el sobrescrito "E" indica la limitación de la
banda espectral y el subscrito "X" irá indicar el objeto al cual se refiere la propiedad en cada ecuación.
λ2
∫ ε (λ ) E (λ ,T )dλ
b
ε =
E
X
(5)
λ1
∞
∫ E (λ ,T )dλ
b
0
Definiendo K como la fracción de la radiación que llega al sensor por perdidas en el sistema de lentes y ángulo sólido,
se puede decir que la irradiáncia Ip recibida por un determinado píxel del sensor será dado por la ecuación (6), donde el
subscrito T (target) representa el objeto analizado y el subscrito S (surround) representa los objetos del entorno que
están siendo reflejados de forma difusa en el objeto.
[
I p = M .K ε TE σTT4 + (1 − ε TE )ε SE σTS4
]
(6)
Las fracciones M y K pueden ser consideradas iguales para todos los píxeles. El sensor matricial tendrá la temperatura
de cada píxel afectada por la irradiáncia correspondiente. A cada barredura determina la relación entre la temperatura
individual de los píxeles y la media del plano focal, y también compara con sensores de temperatura internos de la
cámara. Teniendo un punto como referencia, la radiosidad es transformada en temperatura por la ecuación (7),
considerando que los valores de εES TS sean informados al software de la cámara por el usuario.
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Ip
TT =
4
M .K
− (1 − ε TE )ε SEσTS4
(7)
ε TEσ
Una matriz de datos es almacenada en la memoria del equipamiento y normalizada según la amplitud establecida por el
usuario, siendo finalmente transformada en una imagen con resolución de 8 bits, que puede atribuir una tonalidad de
gris para cada valor de temperatura. Esta imagen con hasta 256 niveles de grises puede ser transformada en una imagen
colorida presentando todo el campo visual de la cámara como campo de temperaturas de las superficies focalizadas.
Software de Pos-Procesamiento de Imágenes
Para trabajar con los datos adquiridos con la cámara termográfica fue necesario en primer lugar identificar las
temperaturas a partir de la imagen, para realizar este proceso se opto por utilizar el lenguaje de programación Visual
Basic (VB) para crear la herramienta computacional que realice el procesamiento de estas imágenes. El lenguaje VB
cuenta con una función que retorna la información de color de un determinado punto de la pantalla de video del
computador. Esto permite realizar una lectura de la imagen exhibida por el programa y transformar la imagen en una
matriz numérica. Evidentemente se debe informar la escala de tonalidades de grises correspondiente, a partir de estos
datos, a través de una transformación linear, todas as informaciones sobre o campo de temperaturas registradas pela
imagen resultan accesibles. Estos valores son luego utilizados para suministrar datos a los diferentes algoritmos. Para
facilitar a inserción de imágenes de diferentes orígenes y tamaños (porque diferentes cámaras termográficas pueden
tener diferentes resoluciones de imagen) fue preparada una interfase donde el usuario escoge, con uso del mouse, una
imagen completa, o, alternativamente, selecciona apenas una región de cada imagen. En ambos casos la región
seleccionada es redimensionada para la resolución escogida para la matriz, que es de 360 x 240 puntos. El valor del
nivel de gris de cada intervalo (o media de los niveles de grises de los píxeles encerrados en aquel intervalo) es
convertido en un valor numérico de temperatura por la escala especificada.
La forma de almacenar los datos correspondientes a este campo de temperatura fue de ordenar en un archivo de texto en
forma secuencial las informaciones de y de la temperatura, gravando un archivo en formato de una línea para cada
ponto. Este formato es fácilmente reconocido en un gran número de programas de computador para diseño de gráficos
tridimensionales.
Además de este trabajo de conversión de la imagen en matriz numérica, lo cual en si ya envuelve una gran ayuda para
analizar los datos, el software desarrollado (PROIR) posee también una serie de otros recursos, entre los cuales se
encuentran: la transferencia linear, la busca por máximos y mínimos, el cálculo de datos estadísticos por área
seleccionada, la transformación de imágenes térmicas en imágenes de radiosidad, la asignación de paletas de color en
las imágenes y la corrección del factor de reflexión especular.
Ejemplo de Aplicación del Software
Para demostrar la capacidad de análisis del sistema de procesamiento de imágenes desenvolvió, a seguir se presentada
una imagen que fue capturadas con una cámara termográfica, gravada en escala de grises y examinada utilizando el
programa PROIR.
En la Figura 1a) se aprecia la imagen de un módulo fotovoltaico obtenida por medio de la cámara termográfica. Para
lograr una matriz de valores de temperatura, obtenidos del procesamiento de la imagen fotografiada, fue utilizado el
programa desarrollado y, para una mejor visualización, los valores generados fueron llevados a un diseño por medio de
un programa comercial para gráficos, como pode ser visto en la Figura 1b.
La posibilidad de gravar los dados da matriz generada con la imagen demuestra ser una importante herramienta para su
posterior análisis. Mismo que el propio programa desarrollado ya posea un análisis estadístico y diseñe gráficos, los
dados obtenidos pueden ser exportado hacia otros software’s especializados para el tratamiento y representación de
datos, obteniéndose gráficos en tres dimensiones como el mostrado en la Figura 2.
a)
b)
Figura 1. a) Imagen de una parte de un módulo fotovoltaico obtenido con una cámara termográfica, b) Mapa de
distribución de temperaturas, formada a partir de la matriz generada sobre la figura 1a.
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Se escogió como ejemplo un módulo fotovoltaico, ya que en el Laboratorio de Energía Solar de la UFRGS está siendo
llevada a cabo una investigación que tiene como objetivo analizar como afecta al desempeño de los módulos
fotovoltaicos la variación de temperatura entre las células que lo conforman.
La Figura 2 permite visualizar la distribución espacial de temperaturas en el dispositivo fotovoltaico, imagen que
permite tener mejor visualización de los puntos de mayor y menor temperatura con su correspondiente posición.
Figura 2. Superficie que muestra la distribución de temperaturas para o la región fotografiada del módulo fotovoltaico.
Para verificar el comportamiento del sistema de análisis desarrollado, fueron comparados los valores obtenidos con
PROIR con los valores obtenidos con el software VISIR_PC (2006), que es una versión limitada del programa
Thermonitor Report System (Thermoteknix, 2001). La Tabla 1 muestra esta los valores obtenidos de esta comparación
en la cual o subscrito “p” indica valores obtenidos por el programa realizado y el subscrito “v” indica valores
suministrados por el software comercial.
Tabla 1.- Valores obtenidos a través de imágenes procesadas para: temperatura mínima (Tmin), temperatura máxima,
(Tmax), temperatura media (Tm ) y o desvío padrón de los valores.
Imagen
Tmin [°C]
Tmax [°C]
Tm [°C]
Desvío Padrón [°C]
Módulop (PROIR)
17,7
39,9
31,1
3,9
Módulov (VISIR)
17,6
39,9
31,0
4,0
Conclusiones
A partir da emisión de radiación térmica de los cuerpos, es posible a través de sensores en el plano focal de un sistema
óptico apropiado, obtener imágenes proporcionales a la radiosidad de un determinado campo de visión. La radiosidad
puede ser transformada en valores de temperatura a través de cálculos bastante simples, dando origen a imágenes
termográficas. Fue desarrollado no PROMEC/UFRGS un software (PROIR) para procesar imágenes termográficas
exportadas de cualquier sistema de captura en formato de escala de grises. El programa está basado en la linealidad de
la información de temperatura con el valor que representa cada tonalidad de gris, y su calibración depende de
informaciones adicionales, como limites de temperatura, emisividad de los objetos y temperatura del entorno del campo
de visión. Recursos gráficos y estadísticos extienden la aplicabilidad del software realizado para el análisis de campos
de temperatura. La posibilidad de exportar datos de temperatura en la forma matricial permite la representación de los
campos de temperatura en gráficos de isolineas y gráficos 3D. Los valores estadísticos obtenidos en las imágenes
después de procesadas por PROIR fueron considerados consistentes cuando comparados con similares valores
obtenidos por un software comercial.
Referencias
Thermoteknix, 2001. Thermonitor Reporter System User Manual. Thermoteknix Systems Ltd. Cambridge, UK
Dereniak e Boreman, 1996. “Infrared Detectors and Systems”, John Wiley & Sons, New York, USA
.Sparrow, E. M. e Cess, R. D., 1978. “ Radiation Heat Transfer”, Hemisphere Publ.Co., Washington, USA.
VISIR-PC, 2006. http://www.thermoteknix.com/content/english/ products/infraredcameras/infrared/cameras/
visir/software.html, acesso em abril de 2006.