DE10045052A1 - Verfahren zur Erkennung von Münzen in einem Münzautomaten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen von Münzen in einem Münzautomaten. Die Erkennung erfolgt abhängig von einem aufgezeichneten Höhenbild der Münze in einer effektiven und robusten Weise. Zur Erzeugung eines Echt- oder Falschsignals für die zu erkennende Münze wird das Höhenprofil bei unterschiedlichen relativen Winkelorientierungen gegenüber einem Referenz-Höhenprofil entlang einer Kreisbahn ermittelt und der Extremwert bei unterschiedlicher relativer Winkelorientierung ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Münzen in einem Münz­ automaten.

Bei Münzautomaten, zum Beispiel bei Münzprüfern, kommt es darauf an, die echten Münzen zu diskriminieren. Hierzu ist eine Reihe von Verfahren bekannt geworden, von denen einige das Prägebild der zu erkennenden Münze verwenden.

Aus DE 35 26 378 A1 ist bekannt, eine zu prüfende Münze durch zwei Polymer­ walzen zu führen, die piezoelektrische Eigenschaften haben. Entsprechend der Präge­ tiefe wird ein Stromsignal erzeugt, mit dem das Prägebild erkannt werden kann.

Aus DE 43 40 733 A1 ist bekannt, Licht senkrecht auf eine Prägefläche zu werfen. In einem 2π-Raumwinkel um die beleuchtete Stelle sind optische Fasern angeordnet, welche das von der Prägefläche reflektierte Licht zu einem fotografischen Wandler leiten.

Aus GB 2 248 333 ist bekannt, eine Münze im Münzprüfer rotieren zu lassen und die Reflektion von Bildpunkten zu messen und mit abgespeicherten Sollwerten zu ver­ gleichen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch die Bandbreite der Reflektion bei Verschleiß und Verschmutzung. Ein weiteres Problem ergibt sich durch das Münz­ material. So lassen sich Münzen, die nicht aus CuNi25 hergestellt sind, teilweise nicht oder nur schwer identifizieren. Auch verursacht die Programmierung des Münzprüfers mit diesem Messverfahren einen hohen Aufwand zur Erzeugung der Sollbandbreiten, um für das Spektrum der Umlaufmünzen eine hohe Akzeptanz zu justieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum optischen Prüfen von Münzen anzugeben, mit dem Münzen in zuverlässiger Art und Weise erkannt werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zeichnet eine Messeinrichtung ein Höhen­ profil der zu erkennenden Münze auf. Ein solches Höhenprofil kann beispielsweise aus dem aufgenommenden Bild der Münzoberfläche konstruiert werden. Das Höhen­ profil ordnet einem Stützpunkt einen Wert für die in diesem Punkt auftretende Höhe der Münzoberfläche zu. Die Stützpunkte können beispielsweise in regelmäßigen Abständen als Gitter verteilt vorliegen. Mit Hilfe einer Datenverarbeitung wird erfin­ dungsgemäß in einem ersten Schritt aus dem Höhenprofil die Lage des Mittelpunkts der Münze bestimmt und eine Winkelorientierung des Höhenprofils in der Ebene der Münzoberfläche festgelegt. Zusätzlich zum Mittelpunkt der Münze wird eine Win­ kelorientierung in dem Höhenprofil festgelegt. Die Festlegung kann hierbei willkür­ lich erfolgen. In einem anschließenden Erkennungsschritt wird das Höhenprofil der zu erkennenden Münze mit einem Höhenprofil einer Referenzmünze verglichen. Bei dem Vergleich werden unterschiedliche relative Winkelorientierung zwischen den beiden Höhenprofilen gewählt. Für den Vergleich sind beide Höhenprofile bezüglich eines gemeinsamen Mittelpunkts der Münzen ausgerichtet. Die Werte der Höhenprofile werden entlang einer Kreisbahn auf der Münze mit einem vorbestimmten Radius ver­ glichen. Die so ermittelten Vergleichswerte geben die Ähnlichkeit der Höhenprofile bei einer bestimmten Winkelorientierung der Münzen zueinander an. Diese Ver­ gleichswerte werden für mehrere Winkelorientierungen bestimmt. In einem daran anschließenden Schritt wird der Extremwert der Vergleichswerte, der die maximale Ähnlichkeit zwischen aufgezeichnetem Höhenprofil der zu erkennenden Münze und dem Höhenprofil der Referenzmünze angibt, bei unterschiedlicher Winkelorientierung ermittelt. Der Extremwert dient zur Erzeugung eines Echt- und Falschsignals. Für das erfindungsgemäße Verfahren wird lediglich der Mittelpunkt der zu erkennenden Münze bestimmt. Ausgehend von diesem Mittelpunkt wird bei einem gegebenen Höhenprofil der Vergleichswert (Korrelation) mit einem Referenzmuster entlang einem Kreis betrachtet. An dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorteilhaft, dass das Vergleichsergebnis zwischen zu erkennender Münze und der Referenzmünze rota­ tions- und translationsinvariant ist. Indem der relative Winkel zwischen den Höhen­ profilen variiert wird, wird erreicht, dass zur Beurteilung der Ähnlichkeit entlang der Kreisbahn die Winkellage mit der besten Übereinstimmung gefunden wird. Da nur der Mittelpunkt der zu erkennenden Münze bestimmt werden muss, ist das erfindungs­ gemäße Verfahren vergleichsweise robust gegenüber bei der Messung auftretenden Fehlern.

In einer vorteilhaften Weiterführung des Verfahrens wird als Vergleichswert zwischen den Höhenprofilen der Abstand als Absolutbetrag der Differenz zwischen den Höhenwerten verwendet. Ein solcher Vergleichswert eignet sich insbesondere für eine schnelle Berechnung, da lediglich eine Differenzbildung erfolgt.

Bevorzugt wird der Mittelpunkt geometrisch durch die Festlegung des Randes der Münze bestimmt. Ist der Rand aus dem Höhenprofil der Münze bekannt, so liefert die Lösung der entsprechenden Ellipsengleichungen den Durchmesser und den Mittel­ punkt der zu erkennenden Münze.

Alternativ hierzu ist es möglich, den Mittelpunkt der zu erkennenden Münze arith­ metisch durch eine Mittelwertbildung der Koordinaten zu erhalten. Als vorteilhaft hat es sich herausgestellt, die mit dem Höhenprofil der zu erkennenden Münze gewichte­ ten Mittelwerte (center of gravity) für den Mittelpunkt der Münze zu setzen.

Zweckmäßigerweise erfolgt eine Datenvorverarbeitung mit einer Kantenextraktion aus dem Höhenprofil.

Um bessere Vergleichswerte mit dem Höhenprofil der Referenzmünze zu erzielen, wird das Höhenprofil der zu erkennenden Münze in ein Höhenprofil einer in einer vorbestimmten Lage befindlichen Münze errechnet, wobei die vorbestimmte Lage der Lage der Referenzmünze entspricht. Ist also beispielsweise die zu erkennende Münze geneigt, so weist das Höhenprofil an seinem hochgeneigten Ende höhere Höhenwerte auf als an seinem gegenüberliegenden Ende. Derartige Höhenunterschiede können beispielsweise durch einfache Umrechnung der Höhenprofile ausgeglichen werden.

Um die Erkennungsgenauigkeit zu erhöhen, ist es möglich, die Vergleichswerte für unterschiedliche Radien zu ermitteln und so aufgrund mehrerer Extremwerte der Ver­ gleichswerte ein Echt- oder Falschsignal zu erzeugen.

Eine vorteilhafte Ausführung des Verfahrens wird anhand des nachfolgenden Bei­ spiels und der einzigen Figur erläutert.

Die einzige Figur zeigt vier Aufnahmen von Münzen mit ihren jeweiligen Mittelpunkten M1 bis M4, ihren Drehwinkeln θ1 bis θ4 und den Gebieten T1 bis T4. Muster P1 und P3 sind seitlich neben den Münzen zum Vergleich mit den Gebieten T1 bzw. T3 dargestellt.

Das Verfahren zur Erkennung der Münze geht aus von einem aufgezeichneten Präge­ bild der Münze. Das Prägebild liegt für ein vorbestimmtes Feld von Stützstellen in der X-, Y-Ebene vor. Zweckmäßigerweise sind die Daten des Prägebilds als eine NxM- Matrix abgelegt, wobei N die Anzahl der Stützstellen in X- und M die Anzahl der Stützpunkte in Y-Richtung bezeichnet. Ausgehend von diesen Messdaten kann zunächst eine Datenvorverarbeitung stattfinden. Zur Datenvorverarbeitung eignet sich insbesondere ein sogenanntes Region Growing-Verfahren, bei dem ausgehend von einem beliebigen Messpunkt innerhalb der Münze stets Nachbarmesspunkte gesucht werden, die aufgrund der Höhenwerte ebenfalls als zu der Münze gehörend bewertet werden. Auf diese Art und Weise können für das vorgegebene Höhenprofil diejenigen Stützstellen erkannt werden, die zu der Münze gehören. Hieran anschließend wird eine rechnerische Lagekorrektur der Münze durchgeführt. Insbesondere werden bei bewegten Münzen Verzerrungen in dem aufgezeichneten Höhenprofil auftreten, die durch die Addition einer NxM-Regressionsmatrix mit der gemessenen Matrix eliminiert wird. Hieran anschließend können Messwerte durch die Verwendung von Band­ passfiltern geglättet werden, ebenso werden fehlende Messwerte durch Mittelwert­ filter angeglichen werden. Gleichzeitig wird kann eine Kantenextraktion vorgenom­ men, um das Gesamtbild der Münze und insbesondere des Münzrandes durch die Vorverarbeitung nicht zu verwaschen. Ausgehend von einem so vorverarbeiteten Bild, bei dem auch geeignete Transformationen wie beispielsweise Wavelet- und Laplace­ transformationen sowie Transformationen nach Hough, Hadamar, Slant oder Prewitt- Sobel eingesetzt werden, erfolgt eine Prägebilderkennung.

Zur Prägebilderkennung wird entlang einer Kreisbahn das vorbearbeitete Bild der zu erkennenden Münze um das Münzzentrum mit einer Referenzmünze verglichen. Es sei P(r, ϕ) das gemessene und vorverarbeitete Münzprofil und M(r, ϕ) das Referenz­ profil. Aus Zwecken der besseren Übersicht wurde die Darstellung der Funktionen in Polarkoordinaten gewählt. Für einen Verdrehwinkel El zwischen dem Münzprofil und dem Musterprofil ergibt sich der Vergleichswert zu:

Die Größe S (r, θ) gibt die Ähnlichkeit zwischen dem Münzprofil und dem Muster­ profil bei einem vorgegebenen Radius r und einem Winkel θ an. Da die Orientierung zwischen den beiden Profilen nicht bekannt ist, wird ein Verdrehwinkel θ zwischen 0 und 2π angenommen.

Um die Ähnlichkeit zwischen den Profilen entlang der Kreisbahn zu bestimmen, wird in einem nachfolgenden Schritt das Minimum W(r) für die Vergleichswerte bestimmt:

W(r) = min|θS(r,θ)

Die Größe W(r) ist ein Maß für den mittleren Abstand zwischen den Höhenprofilen entlang der Kreisbahn mit dem Radius r bei bestmöglicher Übereinstimmung der Höhenprofile.

Das Verfahren ist jedoch keineswegs auf eine Differenzbildung als Abstandsfunktion oder gar auf eine Darstellung in Polarkoordinaten beschränkt. Bei hinreichend vielen Stützpunkten für das Höhenprofil kann eine Fourier- bzw. eine diskrete Cosinus- oder Sinustransformation bezüglich des Drehwinkels vorgenommen werden. Bei einer sol­ chen Darstellung der Höhenprofile bietet es sich an, eine Faltung der Funktionen P und M zur Bestimmung des Vergleichswerts heranzuziehen.

Bei bestimmten Referenzmünzen erweist es sich als Vorteil, den Vergleich für meh­ rere verschiedene Radien durchzuführen, die besonders gut zur Diskriminierung der entsprechenden Münze geeignet sind.

Ist aufgrund der Art des Münzautomaten nur die Erkennung bezüglich einer Münz­ sorte erforderlich, so kann anhand der Größe W(r) entschieden werden, ob eine hinrei­ chende Ähnlichkeit vorhanden ist. Für die Entscheidung kann beispielsweise ein Schwellwert definiert werden. Liegt W(r) unterhalb des Schwellwerts bzw. bei Ver­ wendung der Faltung oberhalb eines Schwellwerts, wird ein Echtsignal erzeugt, ansonsten kann ein Falschsignal ausgegeben werden. Zusätzlich zu dem so bestimm­ ten Ähnlichkeitsmaß W(r) können weitere Ähnlichkeitsmaße hinzugezogen werden, die die Erkennungswahrscheinlichkeit erhöhen.

Neben dem Ähnlichkeitsmaß W(r) wird der Drehwinkel θ bestimmt. Aus dem Drehwinkel und der Münzmitte kann jeder Ort auf einer Münze genau bestimmt werden. Damit kann gezielt im Münzprägebild nach einem hinterlegten Muster gesucht werden. Wird, wie beispielsweise in der einzigen Figur gezeigt, ein 5 DM Stück erwartet und ist der Drehwinkel (θ) und die Mitte (M) bekannt, kann in einem Gebiet (T) gezielt nachgeschaut werden, ob ein Muster (P) darin enthalten ist.

Dieser Vergleich kann sowohl im Orts- als auch im Frequenzraum erfolgen. Hierbei kann ein einfacher Mustervergleich ("template matching") stattfinden oder eine 2D Konvolution berechnet werden. Im Frequenzraum bietet es sich an, die dominierenden Frequenzen in X- und Y-Richtung hinsichtlich der Deckung zu vergleichen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Erkennung von Münzen in einem Münzautomaten, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
mit Hilfe einer Messeinrichtung wird ein Höhenprofil der Münze aufgezeich­ net,
mit Hilfe einer Datenverarbeitung wird aus dem Höhenprofil die Lage des Mittelpunkts der Münze bestimmt und eine Winkelorientierung des Höhen­ profils in der Ebene der Münzoberfläche festgelegt,
in einem anschließenden Erkennungsschritt wird das Höhenprofil der zu erkennenden Münze mehrfach mit einem Höhenprofil einer Referenzmünze bei einem gemeinsamen Mittelpunkt und unterschiedlicher relativer Winkel­ orientierung gegeneinander derart verglichen, dass
aus den Werten der Höhenprofile entlang einem Kreis mit vorbestimm­ tem Radius ein Vergleichswert ermittelt wird, der die Ähnlichkeit der Höhenprofile bei gegebener Winkelorientierung angibt, und
ein Extremwert, der eine maximale Ähnlichkeit angibt, unter den Ver­ gleichswerten bei unterschiedlichen Winkelorientierungen ermittelt wird, und
der Extremwert zur Erzeugung eines Echt- und Falschsignals dient.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Vergleichswert der Absolutbetrag der Differenz der Höhenprofile bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Extremwert das Minimum der Vergleichswerte bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Höhenprofil der Mittelpunkt geometrisch aus der Lage des Randes der Münze bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Höhenprofil der Mittelpunkt der Münze durch eine gewichtete Mittelwert­ bildung der Koordinaten entlang von zwei nicht parallelen Achsen bestimmt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Datenvorverarbeitung mit einer Kantenextraktion durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Höhenprofil der Münze in ein Höhenprofil einer in einer vorbestimmten Lage befindlichen Münze umgerechnet wird, wobei die Lage der Münze der Lage der Referenzmünze entspricht.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Extremwerte für unterschiedliche Radien ermittelt werden.