AT7250U1 - Verfahren zum identifizieren, klassifizieren und sortieren von gegenständen, objekten und materialien sowie ein dafür vorgesehenes erkennungssystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Identifizieren, Klassifizieren und Sortieren von Gegenständen, Objekten und Materialien. Dieses Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass simultan mit hoher räumlicher und spektraler Auflösung Spektraldaten betreffend Farbe und/oder chemische Eigenschaften und daraus resultierend Bild- oder Objektdaten betreffend Form, Größe und Lage von sich relativ zu einer Erkennungseinheit bewegten Objekten ermittelt und erfasst werden und dass die so erfassten Gegenstände, Objekte und Materialien anhand dieser Daten klassifiziert und anschließend gegebenenfalls automatisiert sortiert werden, wobei als Detektionseinheit 2 ein bildgebender Spektrograph verwendet wird, welcher quer zur relativen Bewegungsrichtung verlaufende Linien mit Hilfe eines Objektives 8 abbildet und über einen Eintrittsspalt 9 einem Spektrometer 10 zuführt, welches mit einem wellenlängendispersiven Element, vorzugsweise einem Transmissionsgitter 11, zur Extraktion der Spektralinformation aus einem Lichtstrahl ausgerüstet ist, so dass an der Austrittseite des Spektrographen die Lichtstrahlen der abgebildeten Linien spektral zerlegt und auf einer Aufnahmeeinheit 12 abgebildet werden.

Description

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   Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie Erkennungssystem zum Identifizieren, Klassifizieren und Sortieren von Gegenständen, Objekten und Materialien. 



   Es ist bekannt, jegliche Art von Gegenständen per Hand zu sortieren. Dabei wird nach Kriterien wie Farbe, Form und Zusammensetzung der zu sortierenden Gegenstände vorgegangen. Manuelle Sortierverfahren sind allerdings aufwendig durchzuführen und zeitintensiv. Um die Sortierung zu vereinfachen, ist man in der Folge auf automatisierte Systeme übergegangen. Da eine klassische Punktmessung oft nicht ausreicht, um ein Objekt mit Sicherheit zu identifizieren, ist es dabei oft notwendig, auch räumliche Objektinformationen zu erfassen und zu verarbeiten. So wird in DE 19751862 A1 ein automatisiertes Sortierverfahren angegeben, bei welchem die Identifikation der zu sortierenden Gegenstände mit Hilfe von Spektraldatenanalyse durchgeführt wird.

   Je nach Ansteuerung der dem Spektrometer vorgeschalteten Abtasteinrichtung beim Identifiziervorgang werden die Spektraldaten für eine vorgegebene Menge an zu sortierenden Gegenständen ermittelt und für die anschliessende Klassifizierung an eine Rechnereinheit weitergeleitet. Ähnliche Sortie- rungssysteme mit CCD-Kameras und gleichzeitiger Erfassung von Objekteigenschaften werden in der WO 91 04803 A1 sowie US 5 903 341 A beschrieben. Diese Verfahren sind jedoch in Appara- te-technischer Hinsicht aufwendig, da ein derartiges Erkennungssystem aus drei Subsystemen, nämlich Bildanalysesystem, Abtasteinrichtung und NIR (nahes Infrarot)-Spektrometer besteht.

   Eine weitere, dem Stand der Technik entsprechende, Methode ist die Verwendung von Filtersystemen, wahlweise von diskreten Filtern bei Beobachtung weniger, ausgewählter Wellenlängen oder durch Verwendung von durchstimmbaren optischen Filtern zur Erfassung eines multispektralen Bildes, in Kombination mit einer Aufnahmeeinheit, typischerweise einer Kamera. Ein derartiges System unter Verwendung von akustisch durchstimmbaren optischen Filtern wird in US 5 216 484 A angegeben. 



  Die Einschränkung bei Verwendung von Filtersystemen mit mehr als einer beobachteten Wellen- länge ist, dass sich das Messobjekt während der Dauer der Messung relativ zur Messeinrichtung nicht bewegen darf. Bei Auftreten einer Relativbewegung werden eine Reihe von Bildern erhalten, die einzelne Abbilder des Messobjektes bei einzelnen Wellenlängen aber an unterschiedlichen Positionen sind, wodurch kein vollständiges Abbild eines bewegten Messobjektes erhalten werden kann. Durch diese Einschränkung kann die Anforderung der Messung mit hoher Auflösung in beiden ebenen Dimensionen und in Echtzeit ohne Unterbrechung des Prozesses von derartigen Systemen nicht erfüllt werden. 



   Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die aus dem Stand der Technik vorbekannten Verfahren zum Identifizieren und Sortieren von Gegenständen dahingehend zu verbessern, dass in einfacher Weise ein industrieller Einsatz möglich wird, beispielsweise die Sortierung von Abfallstof- fen oder Recycling-Material mit unterschiedlicher Zusammensetzung, wobei die enthaltenen Wert- stoffe identifiziert und gemäss identifizierter Stoffeigenschaften sortiert aus dem Müllstrom entfernt werden können. 



   Erfindungsgemäss wird ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, welches da- durch gekennzeichnet ist, dass simultan mit hoher räumlicher und spektraler Auflösung Spektralda- ten betreffend Farbe und/oder chemische Eigenschaften und daraus resultierend Bild- oder Ob- jektdaten betreffend Form, Grösse und Lage von sich relativ zu einer Detektionseinheit bewegten Objekten ermittelt und erfasst werden und dass die so erfassten Gegenstände, Objekte und Mate- rialien anhand dieser Daten klassifiziert und anschliessend gegebenenfalls automatisiert sortiert werden, wobei als Detektionseinheit ein bildgebender Spektrograph verwendet wird, welcher quer zur relativen Bewegungsrichtung verlaufende Linien mit Hilfe eines Objektives abbildet und über einen Eintrittsspalt einem Spektrometer zuführt, welches mit einem wellenlängendispersiven Ele- ment,

   vorzugsweise einem Transmissionsgitter, zur Extraktion der Spektralinformation aus einem Lichtstrahl ausgerüstet ist, so dass an der Austrittseite des Spektrographen die Lichtstrahlen der abgebildeten Linien spektral zerlegt und auf einer Aufnahmeeinheit abgebildet werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche. 



   Die Erfindung betrifft weiters ein Erkennungssystem, bestehend aus einer Detektionseinheit zum simultanen Ermitteln von Bild- und Spektraldaten, welche vorzugsweise oberhalb der, bei- spielsweise auf einem Förderband, verteilten, zu klassifizierenden Gegenstände und Materialien positioniert ist und einer mit dieser verbundenen Auswerteeinheit zum Auswerten der ermittelten Bild- und Spektraldaten. 



   Die Erfassung der Objektdaten erfolgt erfindungsgemäss linienweise mithilfe einer Detektion- 

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 seinheit aus einem bildgebendem Spektrographen in Kombination mit einer Aufnahmeeinheit. 



   Linien, welche quer zur Richtung der Relativbewegung, wie der Förderrichtung verlaufen, werden darin mit Hilfe eines Objektivs abgebildet und über einen Eintrittsspalt einem bildgebenden Spektrographen zugeführt. Dieser bildgebende Spektrograph ist mit einem wellendispersiven 
Element, vorzugsweise einem Transmissionsgitter, zum spektralen Zerlegen der Linien ausgerüs- tet, so dass an der Austrittsseite des Spektrographen die eingestrahlte Strahlung - unter Erhaltung der räumlichen Position entlang der Linie - spektral zerlegt austritt und in Folge auf eine Aufnah- meeinheit abgebildet wird. Die damit verbundene Auswerteeinheit besteht vorzugsweise aus einer Datenverarbeitungseinrichtung zum Identifizieren und Klassifizieren der erfassten Gegenstände. 



   Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Fig. 1 und 2 erläutert, wobei Fig. 1 eine mögliche Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens und Fig. 2 die für dieser Vorrichtung vorgesehenen Detektionseinheit darstellt. Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens zur Materialsortierung wird in der Folge anhand der beispiel- haften Darstellungen gemäss Fig. 1 und 2 näher erläutert: 
Die zu sortierenden Gegenstände, Objekte und Materialien werden in Richtung des Pfeils 7 auf das Förderband 4 der Vorrichtung 1 gut verteilt aufgebracht. Nach einer kurzen Beschleunigungs- strecke gelangen diese Gegenstände zum Detektionseinheit 2, welche oberhalb des Förderbandes angeordnet ist.

   Der zu betrachtende Bereich des Förderbandes ist durch wenigstens eine Leucht- quelle beleuchtet, welche sich durch eine räumlich und spektral homogene Intensitätsverteilung auszeichnet. In dieser Anordnung ist es möglich, Linien, welche quer zum Förderband verlaufen, durch das Objektiv 8 der Detektionseinheit 2, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, zu erfassen. Diese gelangen über den Eintrittsspalt 9 in einen bildgebenden Spektrographen 10, welcher mit einem Gitter oder einem dispersiven Element 11 ausgerüstet ist, so dass an der Austrittsseite des Spektrometers die Lichtstrahlen der abgebildeten Linien spektral zerlegt austreten und auf einer Aufnahmeeinheit 12 abgebildet werden.

   Diese Aufnahmeeinheit 12 ist vorteilhafterweise ein 2-dimensionales Array, insbesonders eine CCD (charge-coupled device) - oder CMOS (comple- mentary metal-oxide   semiconductorrKamera   oder eine sonstige Kamera, welche für den gewähl- ten Spektralbereich besonders geeignet ist. 



   Bedingt durch den Vorschub des Förderbandes werden sequentiell Linien aufgenommen und mittels Computersoftware wahlweise zu einem mehrdimensionalen Informationsraum zusammen- gesetzt oder sofort ausgewertet und die Klassifikationsergebnisse für die einzelnen Punkte entlang der erfassten Linie weiter verarbeitet. Durch die Auswertung dieser Daten ist es möglich, sowohl Form, Grösse und Lage der zu trennenden Gegenstände als auch simultan dazu ortsaufgelöst Farb- und Materialeigenschaften zu bestimmen. Zwar lassen sich Farben auch mit Hilfe von übli- chen Farbkameras ortsaufgelöst festhalten, jedoch arbeiten diese lediglich mit drei Farbkanälen, so dass das Identifizieren nur mit hohem Aufwand oder aber ungenau erfolgt.

   Erfindungsgemäss wird jedoch eine Spektralzerlegung ermöglicht, welche für 100 bis 200 Wellenlängen typisch ist, so dass ein präzises Identifizieren und Klassifizieren der zu sortierenden Gegenstände gewährleistet ist. 



   Mit dem erfindungsgemässen Erkennungssystem werden somit gleichzeitig zwei Kategorien von Daten erfasst, nämlich Spektraldaten zum Bestimmen der Farbe und der chemischen Eigen- schaften und - aus der Klassifikation dieser Daten resultierend - Bilddaten zur Bestimmung von Form, Lage, Grösse, Verteilung und Struktur der zu untersuchenden Objekte. Beim Bestimmen der Spektraldaten wird im ultravioletten (UV-) und/oder im sichtbaren (VIS-) und/oder im nahen infraro- ten (NIR-) und/oder im infraroten (IR-) Bereich gearbeitet. Die Form der Gegenstände wird dadurch aufgenommen, dass die Linien quer zum Förderband bestimmt und ausgewertet werden. Dabei ist eine laterale Auflösung quer zum Band von 240 oder mehr Punkten möglich.

   Durch den Vorschub des Förderbandes und das sequentielle Aufnehmen der Linien entsteht ein zweidimensionales Bild, wenn man die vorgenannten Linien zusammensetzt. Daraus lassen sich in Folge beispiels- weise Struktur, Form, Kontur und Lage der betrachteten Gegenstände bestimmen. Um das An- wendungsspektrum noch weiter zu erhöhen, kann es vorteilhaft sein, das Erkennungssystem mit zwei oder mehr Detektionseinheiten auszustatten. Dadurch ist es möglich, mehrere Spektralberei- che abzudecken. Die Zuordnung der Objekte ist somit noch eindeutiger zu bestimmen. 



   Die, wie vorstehend erläutert, ermittelten Daten werden in der Folge mit hoher Geschwindigkeit an die Auswerteeinheit 3 übertragen und mit Hilfe eines Computer-Softwareprogramms eingele- sen. Diese Computer-Software beinhaltet eine Reihe von mathematischen Schritten zur Verarbei- 

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   tung der von der/den Detektionseinheit (en) Rohdaten in Echtzeit, wobei beispielswei-   se durch Normalisierung der Spektren, Rauschreduktion und Differentation eine Vorverarbeitung erfolgt und anschliessend die eigentliche Klassifikation durchgeführt wird. Dadurch ist es möglich, die untersuchten Gegenstände präzise zu erkennen, zu klassifizieren und im weiteren beispiels- weise eine entsprechende Sortierung vorzunehmen.

   Ganz allgemein dient die Klassifikation dabei der Zuordnung der erkannten Gegenstände zu Gruppen mit ähnlichen oder vergleichbaren Eigen- schaften, wie im erfindungsgemässen Fall chemische Konstitution, Farbe und/oder Form. 



   Das ermittelte Klassifikationsergebnis kann anschliessend weiterverarbeitet werden, beispiels- weise in einem softwareseitigen Sortiermodul. Das Sortiermodul ist in der Lage, durch Kombination mit Bildverarbeitungsalgorithmen und unter Berücksichtigung zusätzlicher, vorbekannter Informati- onsdaten, wie Sollgrösse, Sollform, etc. zufriedenstellende Entscheidungen insofern zu treffen, dass anwendungsspezifisch betrachtet das gewünschte Sortierergebnis erreicht wird. Die Parameter dieses Moduls bieten genügend Flexibilität um bei geänderter Aufgabenstellung dennoch eine zuverlässige Sortierung zu ermöglichen. Mit diesen Daten (Output-Daten) des Moduls werden beispielsweise entsprechende Komponenten zur automatisierten Sortierung, wie etwa Ausblasdü- sen 5 angesteuert.

   Somit kann nach dem Ermitteln der vorgenannten Daten eine automatisierte Sortierung, zum Beispiel durch Ausblasen oder mittels gesteuerter Klappen, erfolgen, wobei die aussortierten Komponenten, bspw. Über das Querförderband 6, abgetrennt werden können. 



   Zusammenfassend kann gesagt werden, dass das erfindungsgemässe Verfahren zum Identifi- zieren, Klassifizieren und Sortieren von Gegenständen deshalb in einfacher Weise durchführbar ist, da von einer Einheit simultan und mit hoher räumlicher und spektraler Auflösung in Echtzeit räumliche (geometrische) sowie spektrale Daten, beispielsweise betreffend Farbe und/oder chemi- scher Eigenschaften der betrachteten Messobjekte erfasst werden können. Das erfindungsgemässe Verfahren ist dabei besonders relevant bei Messobjekten welche sich aus prozesstechnischen oder sonstigen Gründen relativ zum Erkennungssystem in Bewegung befinden.

   Das erfindungs- gemässe Verfahren lässt sich insbesondere mit Hilfe des erfindungsgemässen Erkennungssystems, bestehend aus einer Einheit zum gleichzeitigen Ermitteln von Bild- und Spektraldaten und einer mit dieser verbundenen Einheit zum Auswerten der ermittelten Bild- und Spektraldaten in einfacher Weise durchführen. Vorzugsweise besteht die Detektionseinheit aus einem bildgebender Spektro- meter mit Aufnahmeeinheit, wodurch Linien, welche quer zur Förderrichtung verlaufen, mit Hilfe eines Objektives abgebildet und über einen Eintrittsspalt einem Spektrographen zugeführt werden, welcher mit einem dispersiven Element zum Zerlegen der eintretenden Lichtstrahlen ausgerüstet ist.

   Die entlang der abgebildeten Linien erfassten Lichtstrahlen werden dadurch unter Erhalt der räumlichen Anordnung spektral zerlegt und an der Austrittsseite des Spektrographen auf einer Aufnahmeeinheit abgebildet. Die Daten werden durch eine Auswerteeinheit in Echtzeit klassifiziert und weiterverarbeitet. Dadurch wird das automatisierte Sortieren unterschiedlicher Gegenstände ermöglicht, so dass eine Sortierung nach Zusammensetzung wie unterschiedlichen Kunststoffen, Metallen und dgl., aber auch nach Umweltschädlichkeit, Verkaufswert oder Brennwert ermöglicht wird. 

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Claims (6)

1. ANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Identifizieren, Klassifizieren und Sortieren von Gegenständen, Objekten und Materialien, dadurch gekennzeichnet, dass simultan mit hoher räumlicher und spekt- raler Auflösung Spektraldaten betreffend Farbe und/oder chemische Eigenschaften und daraus resultierend Bild- oder Objektdaten betreffend Form, Grösse und Lage von sich rela- tiv zu einer Erkennungseinheit bewegten Objekten ermittelt und erfasst werden und dass die so erfassten Gegenstände, Objekte und Materialien anhand dieser Daten klassifiziert und anschliessend gegebenenfalls automatisiert sortiert werden, und dass als Detektion- seinheit (2) ein bildgebender Spektrograph verwendet wird, welcher quer zur relativen Bewegungsrichtung verlaufende Linien mit Hilfe eines Objektives (8) abbildet und über ei- nen Eintrittsspalt (9) einem Spektrometer (10) zuführt,

   welches mit einem wellenlängen- dispersiven Element, vorzugsweise einem Transmissionsgitter (11), zur Extraktion der Spektralinformation aus einem Lichtstrahl ausgerüstet ist, so dass an der Austrittseite des <Desc/Clms Page number 4> Spektrographen die Lichtstrahlen der abgebildeten Linien spektral zerlegt und auf einer Aufnahmeeinheit (12) abgebildet werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bild- oder Objektdaten in Echtzeit ermittelt und erfasst werden, und dass die so erfassten Gegenstände, Objekte und Materialien anhand dieser Daten in Echtzeit klassifiziert werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der genannten Informationen in Echtzeit im UV und/oder im sichtbaren und/oder im nahen Inf- rarot und/oder im mittleren Infrarot erfolgt.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verar- beitung und Auswertung der ermittelten Bild- und Spektraldaten vorzugsweise in Echtzeit mit Hilfe eines computergesteuerten Klassifikationsprogramms in der Detektions- oder Auswerteeinheit erfolgt.
5. 5. Erkennungssystem zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 bestehend aus einer Detektionseinheit (2) zum simultanen Ermitteln von Bild- und/oder Spektraldaten, welche vorzugsweise oberhalb der, beispielsweise auf einem Förderband (4) verteilten, zu klassifizierenden Gegenstände und Materialien positioniert ist, und einer mit dieser verbunden Auswerteeinheit (3) zum Auswerten der ermittelten Bild- und Spekt- raldaten.
6. 6. Erkennungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionssein- heit (2) ein bildgebender Spektrograph ist, welcher quer zur relativen Bewegungsrichtung verlaufenden Linien mit Hilfe eines Objektives (8) abbildet und über einen Eintrittsspalt (9) einem Spektrometer (10) zuführt, welches mit einem wellenlängendispersiven Element, vorzugsweise einem Transmissionsgitter (11 ), zur Extraktion der Spektralinformation aus einem Lichtstrahl ausgerüstet ist.

   HIEZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN