DD226985A1 - METHOD FOR DETERMINING THE POSITION OF A LINE MARK MARK - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur objektiven Bestimmung der Lage einer optischen Strichkreuzmarke in drei Freiheitsgraden durch Abbildung der Marke auf einen x-, y-adressierbaren Bildsensor. Gegenueber bekannten Loesungen wird eine wesentliche Einsparung von Verarbeitungszeit und erforderlicher Speicherkapazitaet in den Bildverarbeitungseinheiten erzielt. Dies ist moeglich, indem unter Verwendung einer Bildfeldauswahlschaltung aus dem Bildfeld des Sensors zwei Zeilen im Abstand u und zwei Spalten im Abstand v ausgewaehlt werden. Auf diese Zeilen und Spalten wird die Strichkreuzmarke so abgebildet, dass vier Schnittpunkte entstehen, aus denen man mit Hilfe der Geradengleichung die Lage des Schnittpunktes der Striche der Marke sowie aus dem Anstieg einer der Geraden die Kippung der Marke bestimmen kann. Ein Anwendungsgebiet der Erfindung waere z. B. die Justierung von optischen und mechanischen Bauelementen mittels einer optischen Marke.The invention relates to a method for objectively determining the position of an optical bar code mark in three degrees of freedom by imaging the mark on an x, y-addressable image sensor. Compared to known solutions, a substantial saving of processing time and required storage capacity is achieved in the image processing units. This is possible by selecting from the image field of the sensor two lines at a distance u and two columns at a distance v using a picture field selection circuit. On these lines and columns, the crosshairs mark is displayed so that four intersections arise from which one can determine the position of the intersection of the lines of the mark with the help of the line equation and the tilt of the mark from the rise of one of the lines. An application of the invention would be z. B. the adjustment of optical and mechanical components by means of an optical mark.
Description
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Verfahren zur Ermittlung der Lage einer StrichkreuzmarkeMethod for determining the position of a bar code mark
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur objektiven Bestimmung der Lage einer optischen Strichkreuzmarke in drei Freiheitsgraden durch Abbildung der Marke auf einen x-,y- adressierbaren Bildsensor. Mit dem Begriff "Strichkreuzmarke" wird in diesem Zusammenhang jede optische Marke bezeichnet, die aus zwei sich unter einem beliebigen Winkel kreuzenden Strichen Gl, G2 besteht.The invention relates to a method for the objective determination of the position of an optical bar code mark in three degrees of freedom by imaging the mark on an x-, y-addressable image sensor. In this context, the term "crosshair mark" denotes any optical mark which consists of two lines G 1, G 2 crossing each other at an arbitrary angle.
Als x-, y- adressierbaren Bildsensor könnte eine Videobild-Abtastkamera, wie beispielsweise eine Vidiconkamera, oder eine Festkörperkamera mit Matrixanordnung der Lichtsensorelemente in Verbindung mit einer Bildsignalvorverarbeitungseinheit zur Aufbereitung der Bildsignale, zur Digitalisierung, zur Formatierung und zur Auswahl von relevanten Bilddaten und eine Bildsignalverorbeitungseinheit zur Berechnung der Lage der optischen Marke zum Einsatz kommen. Eine Anwendung wäre z.B. die Justierung von optischen und mechanischen Bauelementen mittels einer optischen Marke.As the x-, y-addressable image sensor, a video image scanning camera such as a vidicon camera or a solid-state camera with matrix arrangement of the light sensor elements may be used in conjunction with an image signal preprocessing unit for conditioning the image signals, digitizing, formatting and selecting relevant image data, and an image signal processing unit used to calculate the position of the optical mark. An application would be, for example, the adjustment of optical and mechanical components by means of an optical mark.
Es sind verschiedene Verfahren zur optischen Messung der Lage von z.B. optischen Marken bekannt.Various methods of optically measuring the location of e.g. known optical brands.
Für die Lagebestimmung eines in einer Ebene angeordneten Gegenstandes kann eine Vorrichtung verwendet werden, die gekennzeichnet ist durch eine Abbildungsoptik zur reellenFor determining the position of an object arranged in a plane, it is possible to use a device which is characterized by imaging optics for the real one
Abbildung des Gegenstandes und mindestens zwei nicht parallele Photodiodenzeilen (DE-OS 2543545). Die beschriebene Vorrichtung ermöglicht eine rasche und selbsttätige Messung. Nachteilig ist die Verwendung von mehreren räumlich getrennten Photodiodenzeilen und die damit verbundenen Schwierigkeiten der Lagestabilität der Photodiodenzeilen zueinanderIllustration of the object and at least two non-parallel rows of photodiodes (DE-OS 2543545). The described device enables rapid and automatic measurement. The disadvantage is the use of several spatially separated photodiode rows and the associated difficulties of the positional stability of the photodiode rows to each other
In einer anderen bekannten Lösung (DE-AS 20591Q6) werden Strukturen gemessen mit Hilfe einer Vorrichtung, die auf der Laufzeitmessung des Videosignals beruht. Dazu werden die Strukturen auf eine Bildaufnahraeröhre abgebildet und in den Strahlengang auf optischem Wege Meßmarken eingeblendet. Nachteilig ist hier der hohe optische und mechanische Aufwand zum Einblenden der Meßrnarken in den Strahlengang und die bekannten Nachteile einer Bildaufnahmeröhre, wie Geometriefehler, geringer Dynamikbreich, Nachzieheffekte, Einlaufzeit, mechanische Empfindlichkeit, Lebensdauer etc In another known solution (DE-AS 20591Q6) structures are measured by means of a device based on the propagation time measurement of the video signal. For this purpose, the structures are imaged onto an image pickup tube and optically inserted into the beam path measuring marks. The disadvantage here is the high optical and mechanical effort for the Einbrenner in the beam path and the known disadvantages of an image pickup tube, such as geometry error, low Dynamikbreich, Nachzieheffekte, break - in time, mechanical sensitivity, life, etc
Weiterhin sind Lösungen bekannt, die gekennzeichnet sind dadurch, daß zweidimensionale Bildaufnehmer (z.B. Vidiconröhren) das Bild abtasten, digitalisieren und die kompletten Bildinformationen in einem Bildspeicher ablegen. (z.B. DE-OS 3111027). Eine Auswerteeinheit, wie z.B. ein Digitalrechner ermittelt dann aus den abgespeicherten Bilddaten die benötigten Größen. Nachteilig ist hier der Speicheraufwand für eine Komplettbildabspeicherung und der erforderliche Verarbeitungszeitaufwand. Furthermore, solutions are known which are characterized in that two-dimensional imagers (e.g., vidicon tubes) scan the image, digitize and store the complete image information in an image memory. (e.g., DE-OS 3111027). An evaluation unit, such as a digital computer then determines the required sizes from the stored image data. The disadvantage here is the memory overhead for a Komplettbildabspeicherung and the required processing time.
Ziel der Erfindung ist es, die Bestimmung der Position einer auf einen Sensor abgebildeten optischen Strichkreuzmarke in drei Freiheitsgraden objektiv, schnell, mit hoher Genauigkeit und großem Fangbereich durchzuführen.The aim of the invention is to carry out the determination of the position of an optical crosshairs mark imaged on a sensor in three degrees of freedom objectively, quickly, with high accuracy and a large capture range.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Arbeitsablauf in einem zur objektiven Ermittlung der Lage einer Strichkreuzmarke verwendeten Lageerkennungssystem, welches im wesentlichen aus Bildaufnahmeeinrichtung mit x-, y- adressierbarem Bildsensor, Bildvorverarbeitungseinricntung und Bildverarbeitungseinrichtung besteht, so zu gestalten, daß eineThe invention has for its object to make the workflow in a used for objectively determining the location of a bar code position detection system, which consists essentially of image pickup device with x-, y-addressable image sensor, Bildvorverarbeitungseinricntung and image processing device so that a
wesentliche Einsparung von Verarbeitungszeit und erforderlicher Speicherkapazität erzielt wird. Dies ist nur möglich, wenn zur Bestimmung der Lage der Marke nur die Bilddaten einbezogen werden, die für die Erkennung der Lage relevant sind. Zu diesem Zweck werden unter Verwendung einer Bildfeldauswahlschaltung aus dem Bildfeld des Sensors zwei Zeilen im Abstand u und zwei Spalten im Abstand ν ausgewählt, auf die die Strichkreuzmarke so abgebildet wird, daß vier Schnittpunkte der Marke mit den ausgewählten Zeilen und Spalten entstehen. Aus diesen Schnittpunkten werden die Geradengleichungen der Teile Gl, G2 des Strichkreuzes berechnet. Durch Schnittpunktbestimmung der beiden Geradengleichungen läßt sich die Lage des Schnittpunktes der Strichkreuzmarke in x- und y- Richtung berechnen. Die Kippung der Marke in der Bildfeldebene um die z-Achse ergibt sich aus dem Anstieg einer der Geraden. Der Vorteil des Verfahrens ist in der Minimierung an Speicher- und Verarbeitungszeitaufwand zu sehen. Die grollte Genauigkeit der Lagebestimmung wird erreicht, wenn die Randzeilen und Randspalten des Bildsensors ausgewählt werden. Durch eine geeignete Dimensionierung der Strichkreuzmarke kann man den Fangbereich über die aktive Fläche des Bildsensors hinaus erweitern. Der größte Fangbereich wird erreicht, wenn die Länge der Marke in x- Richtung ein Bildelement kleiner ist als die doppelte Breite des Sensors und die Länge der Marke in y- Richtung ein Bildelement kleiner als die doppelte Höhe des Sensors ist, wobei die Abmessungen der Marke generell zwischen der einfachen und der doppelten Breite bzw. einfachen und doppelten Höhe des Bildsensors liegen sollte. Bei Verwendung einer Abbildungsoptik ist der Abbildungsmaßstab bei der Dimensionierung der iVlarke zu beachten.significant savings in processing time and required storage capacity is achieved. This is only possible if only the image data relevant for the recognition of the situation is included to determine the location of the mark. For this purpose, two lines at distance u and two gaps at distance ν are selected using an image field selection circuit from the image field of the sensor, to which the crosshair mark is imaged such that four intersections of the mark with the selected lines and columns are produced. The straight line equations of the parts Gl, G2 of the crosshairs are calculated from these intersections. By determining the intersection of the two straight line equations, the position of the intersection of the crosshairs in the x and y directions can be calculated. The tilting of the mark in the image field plane about the z-axis results from the rise of one of the straight lines. The advantage of the method is to be seen in the minimization of storage and processing time. The gross accuracy of the orientation is achieved when the fringes and margins of the image sensor are selected. By suitably dimensioning the crosshair mark, it is possible to expand the capture area beyond the active area of the image sensor. The largest capture range is achieved when the length of the mark in the x direction is one pixel smaller than twice the width of the sensor and the length of the mark in the y direction is one pixel smaller than twice the height of the sensor, where the dimensions of the mark should generally be between the single and double width or single and double height of the image sensor. When using imaging optics, the magnification of the dimensioning of the iVlarke must be taken into account.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend am Beispiel eines Lageekennungssystems mit CCD-Matrix-Sensor nach Fig. 1 und einer optischen Marke in For-ni eines Strichkreuzes zur Justierung von optischen Bauelementen nach Fig. 2 erläutertThe method according to the invention is explained below using the example of a position detection system with a CCD matrix sensor according to FIG. 1 and an optical mark in form of a reticule for adjusting optical components according to FIG. 2
Das Lageerkennungssystem besteht aus einer Bildaufnahmeeinrichtung 0, die' den Bildsensor 1 einschließlich der Ansteu- The position detection system consists of an image pickup device 0, which 'the image sensor 1 including the drive
erelektronik enthält, einer Bildprozeßsteuerschaltung 2, einer Bildaufbereitungsschaltung 3, einem Monitor 4,- einer Digitalisierschaltung 5, einer Forraatierungsschaltung 6, einer Schaltung für den direkten Speicherzugriff 7, einer Bildfeldauswahlschaltung S, einer Verarbeitungseinrichtung 9, einer Speicherschaltung 10 und einem Steuermodul 11. Die Lage der auf dem Bildsensor abgebildeten optischen Marke wird im Koordinatensystem nach Fig. 2 bestimmt. Der Bildsensor besteht aus ra mal η Bildelementen BE, die auf ihm matrixförmig angeordnet sind. Dabei ist m die Breite des Bildsensors in Bildelementen und η die Höhe des Bildsensors in Bildelementen. Ein Bildelement besitzt die Abmessungen BEx mal BEy . Zu Vergrößerung des Fangbereiches des Lageerkennungssystems ist es günstig, die Abmessungen der optischen Marke in der Bildebeneelectronics, an image processing control circuit 2, an image processing circuit 3, a monitor 4, a digitizing circuit 5, a fora dating circuit 6, a direct memory access circuit 7, an image field selection circuit S, a processing device 9, a memory circuit 10 and a control module 11. The situation the optical mark imaged on the image sensor is determined in the coordinate system of FIG. The image sensor consists of ra times η picture elements BE, which are arranged in a matrix on it. Where m is the width of the image sensor in pixels and η is the height of the image sensor in pixels. A picture element has the dimensions BE x times BEy. To increase the capture range of the position detection system, it is convenient, the dimensions of the optical mark in the image plane
a = (2ra-l)BEx b = (Zn-)a = (2ra-l) BE x b = (Zn)
zu wählen. Der Fangbereich kann sich dadurch auf ein Mehrfaches der Sensorfläche vergrößern, da die an die vier Seiten des Bildsensors angrenzenden Flächen eine grobe Lagebestimmung der optischen Marke ermöglichen. Diese Lagebestimmung besteht jedoch zunächst nur in der Bestimmung einer der vier angrenzenden Flächen, in der sich der Schnittpunkt der optischen Marke befindet. Es ist somit eine erste 3ustierbewegung in Richtung der Sensorfläche und ggf. v/eitere Oustierbewegungen notwendig, bis die optische Marke derart auf der Sensorfläche abgebildet wird, daß die 1. und ro-te Spalte, sowie die 1. und n-te Zeile des Bildsensors durch die Strichkreuzmarke geschnitten werden. Mit den sich ergebenden vier Schnittpunktkoordinaten χ,/,κ^ΎνΎζ lassen sich die Geradengleichungen Q-1 und gz der beiden Teile Gl und G2 der Strichkreuzmarke ermitteln. Aus den Geradengleichungen g und g lassen sich durch Schnittpunktbestimmung die Lage des Schnittpunktes der optischen Marke in x- und in y- Richtung und die Kippung der optischen Harke um die . z- Achse in bekannter Weise bestimmen. Die Koordinaten X0 , y0 des Schnittpunktes P der beiden Geraden Gl, G2 bestimmen sich zu:to choose. The capture area can thereby increase to a multiple of the sensor area, since the adjacent to the four sides of the image sensor surfaces allow a rough orientation of the optical mark. However, this orientation is initially only in the determination of one of the four adjacent surfaces in which the intersection of the optical mark is located. It is thus a first 3ustierbewegung in the direction of the sensor surface and possibly v / eitere Oustierbewegungen necessary until the optical mark is so imaged on the sensor surface, that the 1st and ro-th column, as well as the 1st and nth line of Image sensor are cut by the crosshairs brand. With the resulting four intersection coordinates χ, /, κ ^ ΎνΎζ, the straight line equations Q -1 and g z of the two parts Gl and G2 of the bar code mark can be determined. From the linear equations g and g can be determined by intersection determination, the position of the intersection of the optical mark in the x and y direction and the tilt of the optical rake to the. Determine z-axis in a known manner. The coordinates X 0 , y 0 of the intersection P of the two straight lines Gl, G 2 are determined to be:
Cy1- ΌCy 1 - Ό
(η - DBE„ *" w ^ ^ ö(η - DBE "*" w ^ ^ ö
(η - 1)BE(η - 1) BE
α-1 )ΒΞχ α-1) ΒΞ χ
y2 - 1λ y 2 - 1λ
0 (m1)BE ° 0 (m1) BE °
Der Kippwinkel *f bestimmt sich zuThe tilt angle * f is determined to be
f = arctanf = arctane
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