DE102006060741A1

DE102006060741A1 - Verfahren und Vorrichtung zur optischen Prüfung von Objekten

Info

Publication number: DE102006060741A1
Application number: DE102006060741A
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dieter Herberg; Martin Dr. Käsemann; Stefan Dr. Strathmann; Michael Moser; Marek Twardochlib
Original assignee: Henkel AG and Co KGaA
Current assignee: Henkel AG and Co KGaA
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2008-06-26
Also published as: WO2008077680A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung eines Objekts auf Abweichungen zu mindestens einem Referenzobjekt. Digitale Bilder des Objekts und des Referenzobjekts werden in eine Vielzahl von Bildbereichen unterteilt. Für die Bildbereiche wird nach einem Prüfkriterium jeweils mindestens ein Referenz- bzw. Prüfwert ermittelt, die zur Ermittlung von Abweichungen miteinander verglichen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur optischen Prüfung von Objekten.
Die Herstellung großer Mengen von Konsumgüterartikeln findet üblicherweise mit Hilfe von Fließbändern statt. Auf diesen werden die Konsumgüterartikel hergestellt oder verpackt, um sie anschließend in den Handel zu bringen. In den Abfüll- und Verpackungsanlagen wird dabei beispielsweise eine große Anzahl gleicher Behälter bzw. Produkte mit hoher Geschwindigkeit befüllt, verschlossen, etikettiert und anschließend in weiteren Verpackungen verpackt oder gesammelt.
Zur Verringerung fehlerhaft produzierter Artikel werden diese während, üblicherweise jedoch mindestens am Ende der Produktion einer Kontrolle unterzogen, um fehlerhafte Artikel aus dem weiteren Produktionsprozess auszustoßen beziehungsweise nicht in den Verkauf gelangen zu lassen.
Eine Kontrolle aller produzierten Artikel durch eine Person, die beispielsweise alle Artikel betrachtet und visuell auf Fehler prüft, ist bei hohen Produktionsgeschwindigkeiten ausgeschlossen. Bei höheren Produktionsgeschwindigkeiten hätte eine Person zum einen nur einen Bruchteil einer Sekunde Zeit zur Betrachtung eines Artikels, zum anderen würde die Person aufgrund der monotonen Tätigkeit schnell ermüden.
Maschinelle Systeme können hingegen mit neuen Technologien an die hohen Produktions- und Verarbeitungsgeschwindigkeiten angepasst werden. Zur visuellen Prüfung werden dabei Bilderkennungs- und Bildverarbeitungsverfahren eingesetzt. Der zu prüfende Artikel wird dabei an einer Kamera vorbeigeführt, die ein Abbild des Artikels erzeugt, welches dann weiterverarbeitet wird. Mittels einer CCD-Kamera können dabei Bilder erzeugt werden, die in einfacher Weise an ein Datenverarbeitungssystem übermittelt werden können. Das Datenverarbeitungssystem prüft das Bild dann beispielsweise auf Abweichungen gegen ein Referenzbild. Überschreiten die ermittelten Abweichungen dabei einen vordefinierten Grenzwert, so kann das Datenverarbeitungssystem eine vordefinierte Aktion auslösen, um beispielsweise den als fehlerbehaftet erkannten Artikel aus der Produktion herauszunehmen.
In solchen maschinellen Erkennungssystemen werden zur Verarbeitung der Bilder unterschiedliche Verfahren der digitalen Bildverarbeitung verwendet. Beispielsweise werden Verfahren zur Muster- oder Farberkennung verwendet, um die richtige Platzierung oder Farbe von Merkmalen auf den Artikeln zu prüfen. Derartige Verfahren sind dabei in einem Softwareprogramm implementiert, welches in dem Datenverarbeitungssystem für jedes erzeugte Bild durchlaufen wird.
So beschreibt beispielsweise die WO 01-09820 ein Verfahren zur digitalen Bildverarbeitung, bei dem innerhalb eines Bildes rechteckige Bereiche erkannt werden, in denen vordefinierte Operationen ausgeführt werden sollen. Diese vordefinierten Operationen sind beispielsweise eine Größenanpassung an eine vordefinierte Größe, eine Farb- oder Gammakorrektur. Anschließend wird für jeden identifizierten Bereich geprüft, ob in diesem vordefinierte Merkmale vorhanden sind, beispielsweise Merkmale, die als Vorhandensein oder Fehlen von Merkmalen interpretiert werden können. Bei dieser Prüfung werden die für das zu prüfende Bild ermittelten Merkmale mit einer Referenz verglichen, um so Abweichungen bzw. Übereinstimmungen zu ermitteln.
Die WO 2005/043141 A1 beschreibt ein System zur Prüfung von Material, beispielsweise Netzen, und insbesondere zur Optimierung des Prüfverfahrens. Bei diesem Prüfverfahren werden die Netze an Kameras vorbeigeführt und Bilder von beiden Seiten des Netzes erzeugt, die in einer Datenverarbeitungsanlage weiterverarbeitet werden. Aus den erzeugten Bildern werden beispielsweise einzelne charakteristische Werte errechnet, beispielsweise der Grauwert, der mit einem zuvor ermittelten Referenzgrauwert verglichen wird. Die Referenzwerte werden dabei als Mittelwert aus einer großen Anzahl von Einzelwerten, die jeweils anhand von möglicherweise auch fehlerbehafteten Teststücken ermittelt wurden. Eine Abweichung eines Wertes eines Einzelstücks wird bei Überschreitung eines statistisch ermittelten Grenzwertes als Fehler interpretiert. Außer dem genannten Grauwert können andere charakteristische Merkmale ermittelt und geprüft werden. Dieses Verfahren wird zur Verringerung von fälschlicherweise als Fehler erkannten Abweichungen dadurch optimiert, dass eine Person die ausgewerteten Referenzbilder überprüft und mit den ermittelten Fehlern vergleicht. Bilder, auf denen ein Fehler abgebildet ist, werden dann entfernt und es werden aus der Sequenz der fehlerfreien Bilder neue Referenzwerte ermittelt. Schwellwerte, deren Über- bzw. Unterschreiten als Fehler interpretiert wird, können weiterhin manuell verändert werden.
Ein Nachteil der oben beschriebenen Verfahren ist der mit diesen jeweils verbundene Rechenaufwand, der bei begrenzten Rechenressourcen maßgeblich die Zeitdauer bestimmt, die zur Prüfung eines Bildes und damit eines Artikels benötigt wird. Die Erfindung beschreibt daher ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur schnellen und zuverlässigen Prüfung von Artikeln.
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Prüfung eines Objekts auf Abweichungen zu mindestens einem Referenzobjekt, mit folgenden Verfahrensschritten:

A. Erzeugen mindestens eines digitalen Referenzbildes von dem mindestens einen Referenzobjekt und eines entsprechenden digitalen Abbildes von dem Objekt;
B. Ermitteln mindestens eines statistischen Referenzwertes nach mindestens einem Prüfkriterium anhand des Referenzbildes und eines entsprechenden Prüfwertes für das Abbild;
C. Vergleichen des mindestens einen ermittelten Referenzwertes mit dem mindestens einen, entsprechenden Prüfwert zur Ermittlung von Abweichungen zwischen dem Abbild und dem mindestens einen Referenzbild, und
D. Bewertung der aufgefundenen Abweichungen, dadurch gekennzeichnet, dass
E. mindestens ein Teil des Referenzbildes und ein entsprechender, gleicher Teil des Abbildes in mehrere Bildbereiche aufgeteilt werden, und dass für jeden Bildbereich des Referenzbildes mindestens ein Referenzwert und für jeden entsprechenden Bildbereich des Abbildes ein entsprechender Prüfwert ermittelt wird.

Im Folgenden werden das Verfahren sowie die entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen
1 eine schematische Aufsicht auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
2 eine schematische Darstellung eines zu prüfenden Objekts
3 eine schematische Darstellung des Objektbildes in einem ersten Verfahrensschritt
4 eine schematische Darstellung einer Einteilung eines Bildes in erste Bildbereiche
5 eine schematische Darstellung einer Einteilung eines Bildes in erste und zweite Bildbereiche
1 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Vorrichtung 110 zur Durchführung des Verfahrens. Die zu prüfenden Objekte 120 werden auf einem Transport- bzw. Fließband 130 an einer ersten und einer zweiten Kamera 140, 141 in Richtung des Pfeils vorbei bewegt. Der Grundkörper der Objekte ist dabei so ausgerichtet, dass dieser in einer definierten Ausrichtung an den Kameras vorbeibewegt wird. In dem dargestellten Beispiel weisen die Objekte einen ovalen Grundkörper auf, dessen kurze Achse 121 auf die Kameras zeigt. Die Ausrichtung dient dabei zur Ausrichtung des Objekts, so dass sichergestellt werden kann, dass eine bestimmte Seite des Objekts mit dem nachfolgenden Verfahren betrachtet wird. Die Ausrichtung kann dabei über ein beliebiges Merkmal erfolgen, beispielsweise anhand der äußeren Form oder bei einem Objekt runder Grundfläche beispielsweise über eine Einkerbung im Boden, wie es von Flaschen bekannt ist.
Die Kameras erzeugen von einem vorbeibewegten Objekt jeweils ein Bild vor einem definierten Hintergrund 150, 151, wobei die erste Kamera 140 ein Bild von einer Seite und die zweite Kamera 141 ein Bild von der gegenüber liegenden Seite des Objekts erzeugt. Das Erzeugen eines Bildes wird dabei mittels einer geeigneten Auslöseeinrichtung 160, 161 ausgelöst, wenn das Objekt an dieser vorbeibewegt wird. Eine solche Auslöseeinrichtung kann beispielsweise eine Lichtschranke oder ein mechanischer Schalter sein. Bei der Erzeugung der Bilder können zur gleichmäßigen und definierten Ausleuchtung des Objekts Blitzvorrichtungen 170, 171, vorzugsweise mit LED Leuchten, verwendet werden.
Die Kameras, beispielsweise CCD Kameras, erzeugen digitale Bilder, die jeweils aus einer endlichen Menge von Bildpunkten zusammengesetzt sind. Ein Bildpunkt, ein sogenanntes Pixel, kann dabei die Farbe des abgebildeten Objekts in Farbe oder schwarzweiß wiedergeben, wobei im Falle einer schwarzweiß Wiedergabe die Farbwerte als Graustufenwerte wiedergegeben werden. Die Pixel sind in Zeilen und Spalten angeordnet, so dass ein Bild eine Matrix von Pixeln ist. In der hier beschriebenen Vorrichtung wurden CCD-Kameras mit einer Auflösung von 1392×1040 Farbpixeln verwendet, so dass das gesamte von der Kamera erzeugte Bild 1392×1040 = 1.447.680 Bildpunkte aufweist. Grundsätzlich ist die Verwendung von Kameras mit hiervon abweichenden Auflösungen möglich, wobei eine höhere Auflösung die Wiedergabe kleinerer Details des abgebildeten Objekts ermöglicht beziehungsweise die Verwendung einer geringeren Auflösung mit weniger Pixeln die Wiedergabe des Objekts auf gröbere Details beschränkt. Da in der Zukunft Kameras mit höherer Auflösung und Datenverarbeitungsanlagen mehr Rechenleistung verfügbar sein werden, wird die Verwendung von Kameras mit höherer Auflösung möglich werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist hinsichtlich einer höheren Auflösung nicht beschränkt.
Vom jedem zu prüfenden Objekt werden damit Bilder erzeugt, die von den Kameras in Form von Bilddateien an eine Datenverarbeitungsanlage 180 übertragen werden. Die Übertragung der Bilddateien wird bevorzugt von einer Kamera initiiert, so dass unmittelbar nach dem Erzeugen einer Bilddatei diese an die angeschlossene Datenverarbeitungsanlage übertragen wird, um anschließend möglichst schnell verarbeitet zu werden. Zur Übertragung der Bilddateien können die Kameras über eine bekannte Schnittstelle mit der Datenverarbeitungsanlage verbunden sein, beispielsweise mittels einer firewire – IEEE 1394 – Schnittstelle. Die Bilddatei kann dabei in einem beliebigen Format, beispielsweise zur Verringerung der zu übertragenden Datenmenge in einem gepackten Format wie z. B. "jpg" oder in einem ungepackten Format wie z. B. "bmp" oder in einem proprietären Format, welches beispielsweise ein spezifisches Format des Kameraherstellers sein kann, übertragen werden. Die Formatumwandlung in ein für die Verarbeitung der Daten geeignetes Format findet dann in der Datenverarbeitungsanlage statt.
Die Datenverarbeitungsanlage 180 kann dabei ein sogenannter Personal Computer PC, insbesondere ein Laptop sein. Die Kameras sowie die Vorrichtung zum Ausstoß eines als fehlerhaft erkannten Objekts können über die an der Datenverarbeitungsanlage üblicherweise vorhandenen Standardschnittstellen 190 angeschlossen, werden.
2 zeigt ein – hier schematisch dargestelltes – Bild 200 eines Objekts 210 vor einem Hintergrund 220, wie es von einer Kamera an die Datenverarbeitungsanlage übertragen wird. Die in der Zeichnung gestrichelte Linie 201 gibt dabei die äußeren Abmessungen des Bildes wieder. Das hier schematisch als Strichzeichnung dargestellte Bild wird tatsächlich als Farbbild an die Datenverarbeitungsanlage übertragen, so dass alle Farben wiedergegeben werden.
Alternativ zur einer farbigen Abbildung kann das Bild auch ein schwarz-weiß Bild sein, wobei die Farben als Graustufen wiedergegeben werden.
Der Hintergrund 220 kann dabei mindestens einen vertikalen Kontrastsprung aufweisen, so dass verschiedene Objekte sich zumindest von einem der Kontraste deutlich abheben und so die äußere Kontur ermittelbar ist. Der Hintergrund des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels weist hierzu in seinem oberen und unteren Bereich jeweils einen hellen und einen dazwischen platzierten dunklen Bereich auf.
In dem hier gezeigten Beispiel ist das Objekt 210 ein – schematisch dargestelltes – flaschenförmiges Gefäß, welches in Frontalansicht abgebildet ist. Das Objekt weist an seinem oberen Ende einen Verschluss 230 und auf seiner Frontseite ein Etikett 240 auf. Das Gefäß und das Etikett können in handelsüblicher Weise farbig gestaltet sein; dies ist in der Zeichnung jedoch nicht dargestellt.
Bei der Prüfung der Objekte werden verschiedene, bei der Prüfung eines einzelnen Objekts ermittelte Werte mit Referenzwerten verglichen. Diese Referenzwerte müssen daher für jede Art von Objekten, die geprüft werden sollen, bei der Durchführung des Verfahrens vorliegen, so dass diese vor der eigentlichen Prüfung von Objekten zu ermitteln sind.
Die Ermittlung der Referenzwerte findet anhand von Musterobjekten statt, die keine Fehler oder Abweichungen beziehungsweise nur zulässige Abweichungen aufweisen. Eine Anzahl dieser Musterobjekte wird dabei mittels des Prüfverfahrens verarbeitet, wobei die Musterobjekte nicht auf Abweichungen geprüft werden, sondern zur Ermittlung von Referenzwerten dienen.
Die im Folgenden beschriebenen Verfahrensschritte werden sowohl bei der Ermittlung der Referenzwerte als auch bei der Prüfung der Objekte durchlaufen.
3 veranschaulicht einen ersten Verfahrensschritt der Verarbeitung des Bildes 300 eines Musterobjekts. In diesem ersten Verfahrensschritt wird die Mittelachse 310 des Objekts 320 bzw. der Abbildung des Objekts ermittelt. Dazu wird zunächst jeweils innerhalb einer Fläche 330 bzw. 331 von außen nach innen, also vom Bildrand in Richtung zur Bildmitte, der erste vertikale Kontrastsprung ermittelt. Dazu kann ein in der Bildverarbeitung an sich bekanntes Verfahren verwendet werden, welches beispielsweise die Farbwerte horizontal nebeneinander liegender Pixel vergleicht. Die Flächen 330, 331 sind dabei so platziert, dass diese sowohl ein Stück des hellen Hintergrunds als auch des dunklen Hintergrunds erfassen, so dass für ein Objekt mit heller Farbe der Kontrastsprung gegenüber dem dunklen Hintergrund und für ein Objekt dunkler Farbgebung der Kontrastsprung gegenüber dem hellen Hintergrund ermittelt werden kann.
Die ermittelten Kontrastsprünge werden jeweils als Außenkante des Objekts 320 interpretiert. Die Mittelachse 310 der Abbildung des Objekts lässt sich nun mathematisch einfach ermitteln und wird von denjenigen Pixeln gebildet, die in der Mitte zwischen den ermittelten Außenkanten liegen.
Wie in 4 dargestellt wird anschließend ein – gedachtes – Gitter 410 auf die Abbildung 400 des Objekts gelegt, wobei das Gitter größer als die Objektabbildung ist und die Gitterform der Form der Objektabbildung grob angepasst ist. Das Gitter kann dabei an der zuvor ermittelten Mittelachse ausgerichtet werden, so dass das gedachte Gitter immer gleich positioniert ist.
Analog zur Ermittlung einer hier vertikalen Mittelachse kann auch eine horizontale Mittelachse ermittelt werden, die entsprechend zur vertikalen Ausrichtung des gedachten Gitters herangezogen werden kann.
Die Felder des Gitters sind dabei so geformt, dass sie eine Fläche lückenlos abdecken, ohne sich dabei zu überlappen. Dementsprechend weisen die Gitterfelder eine dreieckige, sechseckige oder bevorzugt eine viereckige Form auf. Die Form des Gitters ist so gewählt, dass die Abbildung des Objekts vollständig durch das Gitter abgedeckt ist.
Die Gitterfelder definieren damit Bildbereiche 420, 430. Für die Pixel eines jeden Bildbereichs werden nachfolgend statistische Werte ermittelt, die als Referenzwerte für Merkmale eines Bildbereichs gespeichert werden. Diejenigen Bildbereiche – beispielhaft mit 420 bezeichnet –, die zumindest teilweise den Hintergrund abbilden, sind von der weiteren Verarbeitung, ausgenommen. Dadurch wird ausgeschlossen, dass Teile des Hintergrunds geprüft werden und als fehlerhaft gewertet würden, obwohl das Objekt selbst fehlerfrei ist. Dementsprechend werden in den nachfolgenden Verarbeitungsschritten nur diejenigen Bildbereiche – beispielhaft mit Bezugszeichen 430 bezeichnet – verarbeitet und geprüft, die ausschließlich das Objekt abbilden.
Die Größe der Bildbereiche ist dabei sinnvoll zu wählen, wobei verschiedene Faktoren zu berücksichtigen sind. So muss die Anzahl der Bildbereiche klein genug sein, dass deren Verwaltung in der Datenverarbeitungsanlage nicht unverhältnismäßig viel Zeit beansprucht. Andererseits dürfen die Bildbereiche nicht zu groß sein, damit durch das Ausschließen der Bildbereiche 420 nicht ein zu großer Anteil des Objekts unberücksichtigt bleibt. Die Anzahl der Pixel pro Bildbereich ist wiederum so zu wählen, dass eine statistische Auswertung über die Pixel eines Bildbereichs statistisch sinnvoll oder signifikant ist. Weiterhin ist die Auflösung der Kamera (in Pixeln), also die Anzahl der Pixel des gesamten Bildes zu berücksichtigen. Für das hier beschriebene Ausführungsbeispiel hat sich bei einer Kameraauflösung von 1392×1040 Pixeln und einer Objektgröße von ca. 70 mm × 320 mm eine Anzahl von 5.000 bis 8.000 Bildbereichen bewährt.
Mit
Z = Anzahl der Pixel in einem Bildbereich;
N = Pixelanzahl des Gesamtbildes, entspricht Pixel d. Kamera;
H = Größe des Objekts in Millimetern; und
0,1 ≤ f ≤ 10 bevorzugt 0,6 ≤ f ≤ 3,5;
kann die Anzahl der Pixel pro Bildbereich bestimmt werden zu Z = N/(H·f),wobei dieser Wert eine Richtgröße darstellt, die in Abhängigkeit von der zur Verfügung stehenden Rechenleistung der Datenverarbeitungsanlage, der Kameraauflösung und der gewünschten Verarbeitungsgeschwindigkeit variiert werden kann.
Für die Ermittlung der Referenzwerte kann optional die Anzahl der in die Ermittlung eines Wertes eingehenden Pixel für einen Bildbereich vergrößert werden, wobei die Anzahl der zu berücksichtigenden Bildbereiche und deren Lage unverändert bleibt, in dem bei der Ermittlung der bzw. eines Referenzwertes eines Bildbereichs Pixel der angrenzenden Bildbereiche berücksichtigt werden. Beispielsweise können für die Ermittlung der Referenzwerte für den Bildbereich 431 jeweils die angrenzenden beiden Reihen beziehungsweise Spalten von Pixeln der benachbarten Bildbereiche herangezogen werden, so dass für die Ermittlung der Referenzwerte mehr Pixel herangezogen werden als der Bildbereich selbst aufweist. In der Praxis hat sich gezeigt, dass diese Vorgehensweise die Sicherheit bei der Ermittlung der Referenzwerte erhöht, wobei die Menge der außerhalb eines Bildbereichs liegenden Pixel einstellbar ist.
Für jeden Bildbereich 430 können nun jeweils mehrere Referenzwerte ermittelt und gespeichert werden, wobei für unterschiedliche Objekte verschiedene unterschiedliche Referenzwerte zunächst ermittelt, gespeichert und bei der tatsächlichen Prüfung herangezogen werden können.
Ein Referenzwert kann beispielsweise auf die Farbwerte der Pixel in einem Farbraum abstellen. Dazu wird die Standardabweichung der Rot-Grün-Blauwerte der Pixel bestimmt, so dass sich für jede Farbe jeweils ein Wert für den Mittelwert und die Streuung um diesen Mittelwert ergibt.
Ein weiterer Referenzwert kann mittels des Sobel-Operators ermittelt werden, der ein Maß für die Rauhigkeit eines Bildbereichs liefert. Der an sich bekannte Sobel-Operator ermittelt dabei Helligkeitssprünge zwischen den Pixeln, die als Kanten interpretiert werden können. Für jedes Pixel wird mittels des Sobel-Operators ein Wert errechnet, der wiederum zur Berechnung eines Mittelwertes und der Standardabweichung herangezogen wird.
Weiterhin können die von der Kamera gelieferten Rot-Grün-Blau Werte (RGB) zur Berechnung der Farbsättigung, Intensität und Helligkeit in andere. Farbräume, beispielsweise den HSV- oder HLS-Farbraum transformiert werden, um den Mittelwert und die zugehörige Standardabweichung der Farbsättigung und -intensität und die Helligkeit zu ermitteln.
Auf diese Weise können für jeden Bildbereich für verschiedene Merkmale, also z. B. die Mittelwerte und Standardabweichung der Farben, des Sobel-Operators sowie der Farbsättigung und -intensität Werte ermittelt werden. Neben den hier beispielhaft aufgezählten Merkmalen können verschiedene andere, an sich bekannte Merkmale einer Matrix zusammenhängender Pixel als Merkmale zur Prüfung herangezogen werden.
Eine bestimmte Anzahl von – als gut befundenen – Musterobjekten wird nun zur Generierung der Referenzwerte verarbeitet. Für jeden Bildbereich eines jeden Musterobjekts werden die ermittelten Mittelwerte und Standardabeichungen gespeichert, so dass für jeweils für jeden Bildbereich und jedes Merkmal entsprechend der Anzahl der Musterobjekte eine Anzahl von ermittelten Mittelwerten und dazugehörigen Standardabweichungen vorliegt.
Sollen beispielsweise k verschiedene Merkmale M bei der Prüfung eines Objekts berücksichtigt werden, und entsprechende Referenzwerte anhand einer Anzahl l Musterobjekten ermittelt werden, so werden zu jedem Bildbereich für jedes Merkmal M der Mittelwert und die zugehörige Standardabweichung ermittelt:
M₁ = [M₁₁, ..., M_1l]
...
...
M_k = [M_k1, ..., M_kl]
Nachdem die ermittelten Referenzwerte und Standardabweichungen ermittelt sind, werden die Werte in den Intervallen M_l, ..., M_k der Größe nach sortiert. Aus diesen zu jedem Bildbereich und jedem Merkmal ermittelten Werten wird nun der Median, also der mittlere Wert eines Intervalls als Referenzwert für das jeweilige Merkmal M bestimmt. Die Auswahl des jeweiligen Medians sorgt dabei dafür, dass Extremwerte keinen Einfluss auf die Referenzwerte haben.
Die ausgewählten Referenzwerte werden anschließend dauerhaft gespeichert, so dass diese bei einem Neustart des Systems bzw. der Datenverarbeitungsanlage nur geladen werden müssen, um zugehörige Objekte sofort prüfen zu können. Ebenso können Referenzwerte für verschiedene Typen oder Arten von Objekten gespeichert werden, so dass die Vorrichtung für das Testen entsprechender Objekte durch Laden der entsprechenden Referenzwerte sehr schnell eingerichtet werden kann.
Nachdem die Referenzwerte für die einzelnen zu prüfenden Merkmale für die Bildbereiche jeweils ermittelt wurden, kann die Prüfung der Objekte beginnen. Dazu wird wie bei der Ermittlung der Referenzwerte für jede zu prüfende Ansicht eines Objekts von den Kameras ein Bild erzeugt und an die Datenverarbeitungsanlage transferiert.
In der Datenverarbeitungsanlage werden auf die transferierten Bilder bzw. Bilddateien dieselben Verfahrensschritte angewendet, wie zur Ermittlung der Referenzwerte, wobei die nun zu den Bildbereichen ermittelten Werte nicht als Referenzwerte dienen, sondern die zu prüfenden Werte – die Prüfwerte – sind.
Dementsprechend wird nach dem oben beschriebenen Verfahren in einem ersten Schritt die Mittelachse des jeweils abgebildeten Objekts bestimmt. An dieser wird ein – gedachtes – Gitter ausgerichtet, welches die Objektabbildung in Bildbereiche aufteilt. Für jeden der Bildbereiche werden anschließend für die gleichen Merkmale oder, sofern dies entsprechend in der Software der Datenverarbeitungsanlage konfiguriert wurde, nur für einige der Merkmale die Werte ermittelt, wobei wiederum diejenigen Bildbereiche nicht berücksichtigt werden, die zumindest einen Teil des Hintergrunds abbilden.
Für jeden Merkmalswert eines Bildbereichs wird anschließend geprüft, ob dieser in einem vorbestimmten Wertebereich liegt. Die Grenzen des Wertebereichs sind dabei zunächst durch die Standardabweichung des Referenzwertes vorgegeben, können jedoch manuell verändert werden, so dass größere oder kleinere Abweichungen gegenüber dem jeweiligen Referenzwert als tolerierbar eingestellt werden können.
Ergibt die Prüfung, dass der Wert des Merkmals innerhalb der zulässigen Grenzen liegt, so wird dies als "gut" gewertet. Anderenfalls, wenn also der für einen Bildbereich ermittelte Merkmalswert außerhalb der zulässigen Grenzen liegt, so wird dies als "fehlerhaft" gewertet und ein Fehlerzähler wird inkrementiert. Dieser Fehlerzähler wird beispielsweise immer dann um 1 inkrementiert, wenn für einen Bildbereich mindestens ein Merkmalswert außerhalb des vorgegebenen Intervalls liegt, für einen Bildbereich jedoch höchstens einmal, so dass im Falle mehrerer Abweichungen innerhalb eines Bildbereichs der Fehlerzähler nur einmal inkrementiert wird. Der Fehlerzähler gibt damit die Anzahl der Bildbereiche an, in denen mindestens ein Wert eines Merkmals außerhalb des jeweils zulässigen Intervalls liegt.
Ob ein geprüftes Objekt als fehlerhaft zu bewerten und dementsprechend auszustoßen ist wird anhand des Fehlerzählers getroffen. Weist ein Bild zu viele Bildbereiche mit Abweichungen auf, das heißt der Fehlerzähler weist einen entsprechend hohen Zählerstand auf, so wird das zu dem Bild gehörige, geprüfte Objekt mittels einer geeigneten Vorrichtung, die mit der Datenverarbeitungsanlage verbunden ist, aus der weiteren Produktion herausgenommen oder ausgestoßen.
Zur Prüfung eines Bildausschnitts der Objektabbildung kann ein solcher in zweite Bildbereiche aufgeteilt werden. In der Praxis hat sich gezeigt, dass zu prüfende Objekte beispielsweise mit Etiketten beklebt werden. Die Etiketten werden dabei in einem separaten Produktionsprozess hergestellt und anschließend von einer Rolle mittels eines geeigneten Automaten aufgeklebt. Dabei kann die Position des Etiketts auf dem Objekt in horizontaler und/oder in vertikaler Richtung variieren und somit von derjenigen auf den Referenzobjekten abweichen. Weist ein Etikett beispielsweise einen Farbkontrast zu der Farbe des Untergrunds auf und weicht die Position eines Etiketts beispielsweise in horizontaler Richtung ab, so dass beispielsweise der vertikale Rand des Etiketts in eine andere Spalte von ersten Bildbereichen fällt, so würden diese bei der Prüfung fälschlicherweise als fehlerhaft bewertet werden.
Zur Prüfung eines solchen Ausschnitts, hier des Etiketts, innerhalb der Abbildung des Objekts kann damit in vorteilhafter Weise ein zweites – gedachtes – Gitter über den Bildausschnitt gelegt werden, so dass dessen Gitterfelder den Ausschnitt in zweite Bildbereiche aufteilen, die mit den oben beschriebenen Verfahrensschritten separat geprüft werden.
Wie in 5 dargestellt wird dazu ein – zweites gedachtes – Gitter 510 so über dem Etikett 540 platziert, dass die durch das zweite Gitter 510 definierten zweiten Bildbereiche das Etikett vollständig abdecken. Die zweiten Bildbereiche können dabei die gleiche Größe wie die ersten Bildbereiche aufweisen oder größer oder kleiner sein. Die Größe der Bildbereiche kann auch so gewählt sein, dass der Bildausschnitt, dessen geometrische Abmessungen auf der Abbildung in vielen Fällen bekannt sind, genau in zweite Bildbereiche aufgeteilt wird, so dass die Kanten des zweiten Gitters auf der Kante des Bildausschnitts oder gerade innerhalb der Kanten liegt.
Zur genauen Platzierung des zweiten Gitters können beispielsweise eine Mittellinie des Ausschnitts ermittelt und herangezogen werden oder es können ein oder zwei Bezugspunkte oder Bezugszeichen 550 herangezogen werden, welche auf jedem Etikett an der gleichen Stelle aufgedruckt sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist dies die Silhouette des Kopfes 550. Zur Ausrichtung des Gitters wird nun innerhalb eines Bereichs, in dem die Silhouette üblicherweise platziert ist, mit einem in der Bildverarbeitung konventionellen Algorithmus die genaue Platzierung der Silhouette ermittelt. Da die Platzierung des Bezugszeichens relativ zu dem Etikett bekannt ist, kann nun das zweite – gedachte – Gitter exakt platziert werden.
Überragen die Außenmaße des zweiten Gitters die Außenmaße des Etiketts, wenn also das zweite Gitter größer als das Etikett gewählt ist, so überlappen sich zweite Bildbereiche mit ersten Bildbereichen zumindest teilweise. Diese zweiten Bildbereiche werden bei der nachfolgenden Verarbeitung nicht berücksichtigt, sondern werden aus der Verarbeitung und damit aus der Prüfung herausgenommen. Dadurch wird verhindert, dass bei einem ungenau platzierten Etikett Teile des Flaschenkörpers mitgeprüft werden. Da diese zweiten Bildbereiche aufgrund der ungenauen Platzierung jeweils wechselnde Abschnitte des Flaschenkörpers abbilden, würde eine Prüfung dieser zweiten Bildbereiche fälschlicherweise zu einer hohen Fehleranzahl führen.
Analog werden erste Bildbereiche, die ganz oder zumindest teilweise mit zweiten Bildbereichen überlappen bei der Verarbeitung der ersten Bildbereiche nicht berücksichtigt. Damit wird entsprechend verhindert, dass bei der Prüfung dieser ersten Bildbereiche aufgrund der ungenauen Platzierung des Etiketts die ersten Bildbereiche von Objekt zu Objekt stark unterschiedliche Abschnitte des Etiketts abbilden und fälschlicherweise zu einer hohen Fehleranzahl führen würden.
Ebenso wie für die ersten kann für die zweiten Bildbereiche eine Gruppe von Bildbereichen manuell mittels des auf der Datenverarbeitungsanlage ablaufenden Softwareprogramms bestimmt werden, die von der Prüfung ausgenommen werden. So kann beispielsweise die Gruppe derjenigen zweiten Bildbereiche, die den Schriftzug 560 zumindest teilweise abbilden, von der Prüfung ausgenommen werden.
Die Prüfung der zweiten Bildbereiche findet analog zu der Prüfung der ersten Bildbereiche statt. Dementsprechend wird für die Pixel eines jeden Bildbereichs zunächst für mindestens ein zu prüfendes Merkmal ein Referenzwert anhand von Musterobjekten und nach oben beschriebenem Verfahren ermittelt. Daran anschließend wird für jeden der zu bearbeitenden Bildbereiche der Wert für jedes zu prüfende Merkmal ermittelt und mit dem Referenzmerkmalswert verglichen. Ergibt ein Vergleich zwischen einem für einen Bildbereich und dem entsprechenden Merkmalsreferenzwert eine Abweichung über den zulässigen Bereich hinaus, so wird ein entsprechender Zähler erhöht.
Der Zähler kann dabei derjenige sein, der bei der Prüfung der ersten Bildbereiche erhöht wurde, oder es kann ein weiterer, separater Zähler geführt werden. Im Falle separater, unabhängiger Zähler können entsprechende Grenzwerte für die für ein Objekt und/oder ein Gebiet maximal zulässige Fehleranzahl unabhängig voneinander definiert und ausgewertet werden, bevor das zu einem zu prüfenden Gebiet gehörige Objekt als fehlerhaft aus der weiteren Produktion ausgestoßen wird.
In analoger Weise können mehrere, über- oder auch nebeneinanderliegende Gitter zur Definition entsprechender weiterer Bildbereiche verwendet werden, die in oben beschriebener Art und Weise geprüft werden.
Das Verfahren kann auch so ausgestaltet sein, dass einzelne Bildbereiche aus den ersten oder weiteren Bildbereichen von der Prüfung ausgeschlossen werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein Bild eines Musterobjekts mit zugehöriger Aufteilung in Bildbereiche auf einem Monitor der Datenverarbeitungsanlage dargestellt wird und manuell eine Gruppe von Bildbereichen oder einzelne Bildbereiche markiert werden können, so dass für diese keine Prüfung durchgeführt wird. Auf diese Weise können beispielsweise diejenigen Bereiche eines Bildes aus der Prüfung herausgenommen werden, in den ein veränderlicher Schriftzug, beispielsweise ein Datumsstempel, angebracht ist. Ein solcher veränderlicher Schriftzug würde in vielen Fällen, beispielsweise bei Anwendung des Sobel-Filters, zu immer unterschiedlichen Werten führen, die fälschlicherweise als Fehler gewertet würden.
Während die oben beschriebene Prüfung von Bildern ausgeht, die mit Lichtwellen in sichtbarem Bereich aufgenommen wurden, können auch Infrarotbilder oder Bilder bearbeitet werden, die UV-Licht abbilden.
Das beschriebene Verfahren ermöglicht damit die schnelle, zuverlässige Prüfung von Objekten auf sichtbare Abweichungen von Musterobjekten, mit denen zuvor die Referenzwerte für die jeweiligen Merkmale ermittelt wurden. Dabei bietet die automatisierte Generierung von Referenzwerten anhand von Musterobjekten eine flexible Anpassung an unterschiedliche Objekte, so dass das Verfahren und die entsprechende Vorrichtung schnell und ohne großen Aufwand an die Prüfung verschiedener Objekte angepasst werden kann. Ebenso ermöglicht die Speicherung einmal gewonnener und in der Praxis bewährter Referenzwerte die Einhaltung gleichbleibender Produktqualität, wobei die Empfindlichkeit des Verfahrens durch manuelle Änderung der Intervallgrenzen für einen Referenzwert die schnelle und flexible Anpassung an eine gewünschte Produktqualität.

Claims

Verfahren zur Prüfung eines Objekts 120 auf Abweichungen zu mindestens einem Referenzobjekt, mit folgenden Verfahrensschritten: A. Erzeugen mindestens eines digitalen Referenzbildes 400 von dem mindestens einen Referenzobjekt und eines entsprechenden digitalen Abbildes 400 von dem Objekt 120; B. Ermitteln mindestens eines statistischen Referenzwertes nach einem Prüfkriterium anhand des Referenzbildes und eines entsprechenden Prüfwertes für das Abbild 400; C. Vergleichen des mindestens einen ermittelten Referenzwertes mit dem mindestens einen entsprechenden Prüfwert zur Ermittlung von Abweichungen zwischen dem Abbild und dem mindestens einen Referenzbild, und D. Bewertung der ermittelten Abweichungen, dadurch gekennzeichnet, dass E. mindestens ein Teil des Referenzbildes und ein entsprechender, gleicher Teil des Abbildes in mehrere Bildbereiche 420, 430 aufgeteilt werden, und dass für jeden Bildbereich 420, 430 des Referenzbildes mindestens ein Referenzwert und für jeden entsprechenden Bildbereich des Abbildes 400 ein entsprechender Prüfwert ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Aufteilung des Teils des Referenzbildes und des entsprechenden Teils des Abbildes 400 diese in aneinander angrenzende Bildbereiche 420, 430 unterteilt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Größe der Bildbereiche 420, 430 in Bildpunkten ermittelt wird zu Z = N/(H·f) mit Z = Anzahl der Pixel in einem Bildbereich; N = Pixelanzahl des Gesamtbildes; H = Größe des Objekts in Millimetern; und 0,1 ≤ f ≤ 10 bevorzugt 0,6 ≤ f ≤ 3,5;
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Referenzobjekt und das Objekt mindestens einen Bezugspunkt 550 aufweisen und die Bildbereiche relativ zu dem Bezugspunkt 550 platziert werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zur Platzierung des in Bildbereiche 420, 431 aufzuteilenden Teils des Referenzbilds und entsprechend des Abbilds eine vertikale oder horizontale Mittelachse 310 der Abbildung des Referenzobjekts oder entsprechend des Objekts ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei zur Erzeugung des Referenzbildes das Referenzobjekt und entsprechend zur Erzeugung des Abbildes 400 das Objekt vor einem Hintergrund 150, 151 abgebildet werden, der mindestens einen horizontalen und/oder vertikalen Kontrastsprung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei zur Ermittlung der horizontalen/vertikalen Mittelachse die horizontal/vertikal verlaufenden Außenkanten des Referenzobjekts in einem Bildbereich 330, 331 ermittelt werden, der die horizontalen/vertikalen Außenkanten des Referenzobjekts oder entsprechend des Objekts und mindestens einen vertikalen/horizontalen Kontrastsprung des Hintergrunds 150, 151 aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zur Ermittlung des mindestens einen Referenzwertes ein jeweiliger Wert für mehrere Referenzobjekte ermittelt wird und aus den mehreren Werten der Median als Referenzwert gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in Schritt C geprüft wird, ob der Prüfwert innerhalb eines vordefinierten Werteintervalls um den Referenzwert liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Grenzen des Werteintervalls von Hand veränderbar sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zur Ermittlung der Anzahl abweichender Bildbereiche 430 ein Zähler inkrementiert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Bildbereiche, die zumindest teilweise den Hintergrund 150, 151 abbilden, nicht geprüft werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zur Prüfung eines Ausschnitts der Objektabbildung dieser in zweite Bildbereiche 510 aufgeteilt wird und diese entsprechend der Prüfung der ersten Bildbereiche geprüft werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei diejenigen zweiten Bildbereiche 510, die mit ersten Bildbereichen 420, 430 überlappen oder den Hintergrund 150, 151 abbilden, nicht geprüft werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei diejenigen ersten Bildbereiche 430, die zumindest teilweise mit ersten Bildbereichen überlappen, nicht geprüft werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Referenzwerte für die Bildbereiche des Referenzobjekts und die Prüfwerte für die entsprechenden Bildbereiche 430 des Abbilds 400 jeweils als Mittelwert über alle Bildpunkte des jeweiligen Bildbereichs ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei bei der Ermittlung eines Referenzwertes für einen Bildbereich zusätzlich Bildpunkte benachbarter Bildbereiche berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Prüfkriterium eine Grundfarbe oder die Helligkeit oder die Farbsättigung in einem Farbraum oder der Wert des Sobel-Operators ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die ermittelten Referenzwerte auf einem Datenträger gespeichert und von einem Datenträger geladen werden können.
Vorrichtung zur Prüfung eines Objekts auf Abweichungen zu mindestens einem Referenzobjekt mit mindestens einer Kamera zur Erzeugung digitaler Bilder von dem Objekt und dem Referenzobjekt und einer mit der Kamera verbundenen Datenverarbeitungsanlage zur Verarbeitung der Bilder, wobei die Datenverarbeitungsanlage mittels eines Softwareprogramms zur Verarbeitung der Bilder nach einem der vorstehenden Ansprüche eingerichtet ist.