DE10051009A1 - Verfahren zur Erkennung eines Prägebilds einer Münze in einem Münzautomaten - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Erkennung eines Prägebilds einer Münze in einem Münzautomaten mit den folgenden Schritten: DOLLAR A - die Münze wird zu einem Bildempfänger und zu einer Lichtquelle bewegt, wobei die Lichtquelle zwei oder mehr Beleuchtungsabschnitte zur Beleuchtung eines Objektfeldes auf der Münzoberfläche aus jeweils einer anderen Richtung aufweist, DOLLAR A - der Bildempfänger zeichnet mindestens zwei Aufnahmen des Objektfeldes auf, bei denen das Objektfeld jeweils von einem der Beleuchtungsabschnitte aus einer anderen Richtung beleuchtet wird, DOLLAR A - aus den Aufnahme wird ein Differenzbild ermittelt, DOLLAR A - mit Hilfe einer Daten- und Bildverarbeitung wird das ermittelte Differenzbild mit vorgegebenen Bilddaten verglichen, zur Erzeugung eines Echt- oder Falschsignals.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Prägebilds einer Münze in einem Münzautomaten.

Bei Münzautomaten, z. B. bei Münzprüfern werden beispielsweise bis zu acht Mün­ zen innerhalb von einer Sekunde diskriminiert. Hierzu ist eine Reihe von Verfahren bekannt geworden. Ein häufiges Unterscheidungskriterium ist das Münzmaterial, das mit verschiedenen Sonden ermittelt wird. Bei bekannten weltweiten Währungssy­ stemen werden jedoch häufig gleiche oder fast gleiche Rohlinge benutzt. Die fertigen Münzen unterscheiden sich dann nur noch in Dicke und Durchmesser. Ein wichtiges Unterscheidungskriterium ist jedoch das Prägebild der Münze.

Aus der Offenlegungsschrift DE 23 06 187 ist ein opto-elektronischer Münzprüfer be­ kannt, bei dem die zu prüfende Münze zwischen sich drehenden Antriebsrollen ange­ ordnet wird. Das von einer Lichtquelle ausgehende Licht wird durch eine Linse auf eine durch die Antriebsrollen gedrehte Münze als kleiner Punkt abgebildet. Der re­ flektierte Teil des auftreffenden Lichts wird durch eine weitere Linse auf eine Foto­ diodenanordnung projiziert. Abhängig von auf der Münze befindlichen Erhebungen und Vertiefungen ändert sich der Abstand zu der Reflektionsfläche, was zu einer Ver­ schiebung des Lichtflecks an der Fotodiodenanordnung führt. Die Bewegung des Lichtflecks kann zur Erkennung des Prägebilds verwendet werden. Nachteilig hierbei ist, daß die Münze zwischen den Antriebsrollen angeordnet werden muß, was mecha­ nisch aufwendig ist.

Aus dem Artikel "Photometric method for determining surface orientation from mul­ tiple images" von Robert J. Woodham in Optical Engineering 1980, Vol. 19 No. 1, S. 139ff ist es bekannt, zur Untersuchung von Oberflächen die Richtung der einfallenden Beleuchtung zwischen aufeinanderfolgenden Bildern zu variieren, während die Blick­ richtung für die Aufnahmen konstant gehalten wird. Die so gewonnenen Bilder ent­ halten ausreichend Information, um die Oberflächenorientierung in jedem Punkt zu berechnen. Nachteilig an dem von Woodham vorgeschlagenen Verfahren ist, daß zur Berechnung der Oberflächenorientierung aufwendige Rechnungen notwendig sind, die zur Erkennung eines Prägebildes nicht geeignet sind.

Aus der europäischen Offenlegungsschrift EP 0 898 163 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Inspektion von sich bewegenden Oberflächen bekannt. Hierbei wird die zu inspizierende Oberfläche aus drei unterschiedlichen Richtung an­ geleuchtet. Die Lichtquellen besitzen jeweils eine andere charakteristische Farbe. Eine Zeilenkamera nimmt das Farbbild der sich bewegenden Oberfläche auf und analysiert es auf die physikalischen Eigenschaften der Oberfläche. Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist, daß dieses Verfahren nicht bei hoch reflektierenden Oberflächen, wie sie bei der Münzprüfung auftreten, eingesetzt werden kann. Auch ist es nicht für sich bewegende, geprägte Umlaufmünzen eignet. Ebenfalls ist das Verfahren derart auf­ wendig, daß die notwendigen Rechnungen für beispielsweise 260 000 Bildpunkte nicht innerhalb einer vorgegebenen Zeit durchgeführt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, daß ein zu­ verlässiges und schnelles Aufnehmen des Prägebilds einer Münze gestattet, ohne daß das Verfahren durch das Foto eines Prägebildes sich täuschen ließe.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren läuft in mehreren Schritten ab. In einem ersten Schritt wird die Münze zu einem Bildempfängern und zu einer Lichtquelle bewegt, die zwei oder mehr Beleuchtungsabschnitte zur bevorzugten parallelen Beleuchtung eines Objektfeldes auf der Münzoberfläche aus jeweils einer Richtung aufweist. Die Beleuchtungsabschnitte beleuchten das Objektfeld vorzugsweise auf der Münzober­ fläche mit parallelem Licht aus einer Richtung. Hierzu kann das Objektfeld von der Lichtquelle direkt oder indirekt diffus beleuchtet werden. Objektfeld der Münze kann ein Ausschnitt des Prägebildes oder die gesamte Münzoberfläche sein. Die parallele Beleuchtung stellt sicher, daß eine Erhebung auf der Münzoberfläche mit parallelem Licht beleuchtet werden und somit deren Schatten auf der Münzoberfläche nicht di­ vergieren, sondern parallel verlaufen kann. Der Bildempfänger zeichnet bei dem er­ findungsgemäßen Verfahren mindestens zwei Aufnahmen des Objektfeldes gleichzei­ tig oder nacheinander auf. Es werden also aus einer Richtung mehrere Aufnahmen des Prägebilds gemacht. Bei diesen Aufnahmen ist das Objektfeld jeweils mit einem ande­ ren Beleuchtungsabschnitt aus einer anderen Richtung ausgeleuchtet. Es werden also Aufnahmen mit mindestens zwei unterschiedlichen Beleuchtungen gemacht, so daß zwei Bilder mit unterschiedlichem Schattenwurf entstehen. Von den Aufnahmen wird erfindungsgemäß ein Differenzbild ermittelt. Differenzbild bedeutet hierbei, daß die Helligkeitswerte der Bilder voneinander subtrahiert werden. Durch die Differenzbil­ dung zwischen den Bildern werden die Bildbereiche, die bei beiden Aufnahmen trotz unterschiedlicher Beleuchtung gleich hell sind, weg subtrahiert, während die Bildbe­ reiche, die in beiden Bildern eine unterschiedliche Helligkeit besitzen, in dem Diffe­ renzbild zutage treten. Mit Hilfe einer Daten- und Bildverarbeitung wird das ermittelte Differenzbild mit vorgegebenen Bilddaten verglichen zur Erzeugung eines Echt- oder Falschsignals. Wird das erfindungsgemäße Verfahren mit einem Foto eines Prägebildes ausgeführt, so tritt kein Schattenwurf bei der unterschiedlichen Beleuchtung auf, sondern es entsteht ein gleichmäßig helles Differenzbild.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Objektfeld für die Aufnahme im wesentlichen mit einfarbigem Licht beleuchtet. Bevorzugt werden bei der Beleuchtung mit einfarbigem Licht mehrere Aufnahmen hintereinander gemacht. Jede der Aufnahmen zeigt das Prägebild im Bereich des Objektfeldes aus einer ande­ ren Richtung beleuchtet. Die parallele Beleuchtung stellt sicher, daß Licht nur von Orten auf der Münzoberfläche in Richtung Kamera reflektiert wird, an dem die Stei­ gung einem bestimmten Wert entspricht.

In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Objekt­ feld mit Beleuchtungsabschnitten unterschiedlicher Farbe für die Aufnahme beleuch­ tet. Beispielsweise kann eine Beleuchtung mit rotem, grünem und blauem Licht erfol­ gen. Bei dieser Beleuchtung entstehen auf dem Objektfeld farbige Schatten, die sich durch Farbsubtraktion des Lichtes ergeben, das im Schattenbereich fehlt. Ein so ent­ standenes Farbbild wird durch einen Farbbildempfänger aufgenommen, der beispiels­ weise das Farbbild in drei einzelne Bilder zerlegen kann. Auch ist es möglich, den Bildempfänger mit einem entsprechenden Satz von Filtern zu versehen, um andere Farben für den Bildempfänger verwenden zu können. Bei der Verwendung von farbi­ gem Licht und einem entsprechenden Bildempfänger wird bevorzugt nur eine Auf­ nahme des ausgeleuchteten Objektfeldes gemacht und diese eine Aufnahme in mehrere Aufnahmen mit unterschiedlicher Ausleuchtung zerlegt. Es ist ebenfalls möglich, anstelle von farbigem Licht mit polarisiertem Licht zu arbeiten.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bewegt sich die Münze entlang einem Münzlauf und löst dabei ein Signal zur Betätigung des Bild­ empfängers und der Lichtquelle aus.

Alternativ hierzu kann die Münze auch in Ihrem Ruhezustand aufgenommen werden. Dies ist vorteilhaft aber keineswegs unbedingt erforderlich, wenn in der einfarbigen Ausgestaltung mehr als eine Aufnahme des Prägebilds gemacht wird.

In einer besonders bevorzugten Ausführung wird das Objektfeld durch alle Beleuch­ tungsabschnitte zusammen im wesentlichen kreisförmig ausgeleuchtet. Die Beleuch­ tungsabschnitte sind beispielsweise als Kreissegmente ausgeführt, wobei bevorzugt das Licht aus jedem Kreissegment parallel auf das Objektfeld trifft.

Zweckmäßigerweise erfolgt die Beleuchtung durch jeden Beleuchtungsabschnitt unter einem konstanten Winkel gegenüber der Flächennormalen des Objektfeldes. Diese Ausleuchtung bewirkt, daß die jeweils entstehenden Schatten eine gleiche Größe be­ sitzen und somit im gleichen Maße in das Differenzbild eingehen.

Die Helligkeitswerte des erzeugten Differenzbildes werden mit einem Schwellwert verglichen und abhängig davon, ob sie kleiner oder größer als der Schwellwert sind, werden sie zu null bzw. eins oder umgekehrt gesetzt. Das so digitalisierte Differenz­ bild enthält schwarze und weiße Flächen, die einen Vergleich mit den Referenzdaten vereinfachen.

Alternativ zu der Verwendung eines Schwellwertes ist es ebenfalls möglich, diejeni­ gen Bildpunkte mit einem Helligkeitswert auf null oder eins zu setzen, die innerhalb eines vorgegebenen Intervalls von Helligkeitswerten liegen. Die verbleibenden Bild­ punkte werden entsprechend anders gesetzt, so daß Linien konstanter Helligkeit ent­ stehen. Die Linien konstanter Helligkeit können als Höhenlinien des Prägebildes auf­ gefaßt werden. Da diesen Linien jeweils eine konstante Steigung des Flächenelements in dem Punkt zugrunde liegt, wird dieser Verfahrensschritt von der Anmelderin auch als selektives stereo Gradientenverfahren bezeichnet.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1: die Reflektion von parallel einfallendem Licht an unterschiedlich ge­ neigten Flächenelementen.

Fig. 2: das Prinzip der Differenzbildung zweier Aufnahmen mit anschließender Reskalierung der Helligkeit.

Fig. 3: das Prägebild einer 1,00 DM Münze bei der Verwendung von vier Auf­ nahmen.

Fig. 4: eine rollende Münze auf einem schrägen Münzlauf

Fig. 5A, B: eine schematische Darstellung von Kamera und einer ringförmigen Be­ leuchtung.

Ein Objekt 10 mit einer strukturierten Oberfläche reflektiert einfallende Lichtstrahlen 12 und 14 je nach Ausrichtung der Flächennormalen 16 und 18 im Reflektionspunkt unterschiedlich stark. Das heißt, bei einer vorgegebenen Beobachtungsrichtung 20 auf das Objekt 10 wird der einfallende Lichtstrahl 12 stärker reflektiert als der einfallende Lichtstrahl 14. Die unterschiedliche Helligkeit eines aufgenommenen Bildes beinhal­ tet also Informationen über die Struktur der reflektierenden Oberfläche.

Fig. 2 zeigt wie ein Objekt 22 aus unterschiedlicher Richtung 24 und 29 beleuchtet wird. Je nach Richtung der Beleuchtung wird Licht unterschiedlicher Bereiche 26 bzw. 28 reflektiert. Eine Kamera 30 nimmt bei derselben Kameraposition im wesent­ lichen die mit A und B gekennzeichneten Bilder auf. Das Bild A besitzt an seiner linken Seite, die der Lichtquelle 24 zugewandt ist, einen deutlich sichtbaren Bereich, während dieser in Bild B auf der rechten Seiten liegt. Bild C in Fig. 2 zeigt das Diffe­ renzbild der Bilder A und B, wobei die diffusen Helligkeitswerte durch die Anwen­ dung eines Schwellwertes unterdrückt wurden.

Fig. 3 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren angewendet auf eine 1-DM Münze, die aus vier unterschiedlichen Richtungen B1-B4 beleuchtet wurde. Das Differenzbild ist groß als Bild D dargestellt. Die vier mit D' gekennzeichneten Bereiche des Randes zeigen an, daß in diesen Bereichen die Beleuchtungsintensität der unterschiedlichen Beleuchtungsabschnitte aus der selben Richtung erfolgten und somit bei der Diffe­ renzbildung sich zu Null ergeben.

Zum Vergleich dazu zeigt E ein helles Bild. Hier wurde das Foto einer Münze - also ein planes Bild - aus vier unterschiedlichen Richtung B1-B4 beleuchtet und die vier Aufnahmen voneinander subtrahiert. Da das Foto eines Prägebildes keinen Schatten wirft und keine Bereiche unterschiedlicher Helligkeit abhängig von der Beleuchtung aufweist, ist dieses Bild hell und gestattet zuverlässig die Unterscheidung eines tat­ sächlichen Prägebilds von dem Foto eines Prägebildes.

Fig. 4 zeigt schematisch die Anordnung der Kamera 32 relativ zu dem Einwurfschacht 34 und dem Münzlauf 36 eines Münzautomaten. Je nach Integrationszeit der Kamera kann die Münze im Fallen oder während des Abrollens auf dem Münzlauf 36 aufge­ nommen werden.

Fig. 5A und B zeigen zwei bevorzugte Aufbauten für die Beleuchtung eines Objekt­ feldes der Münze. Hierbei ist als Objektfeld die gesamte Münzoberfläche gewählt. Die Lichtquelle 38 ist ringförmig und besitzt 3 Beleuchtungsabschnitte 40, 42 und 44, die in den Farben rot, grün und blau das Prägebild der Münze beleuchten. Die Kamera 30 besitzt einen Farbsensor, der gleichzeitig ein RGB-Signal erzeugt. Dieses Signal kann zerlegt werden und ergibt so drei Aufnahmen der Münzoberfläche. Die Helligkeits­ werte dieser Aufnahmen werden voneinander subtrahiert, um das Differenzbild zu er­ zeugen. Die Beleuchtung in jedem der Leuchtabschnitte 40, 42 und 43 erfolgt durch eine Kette mit Leuchtdioden (vgl. Fig. 5B), die jeweils die Münzoberfläche über einen Winkelbereich von 120° ausleuchten. Bei dieser Beleuchtung entsteht ein rotationsin­ variantes Bild. Anstatt mit farbigem Licht kann auch mit polarisiertem Licht gearbei­ tet werden, wobei der Bildempfänger dann mit entsprechenden Polarisationsfiltern ausgestattet ist, um die Beleuchtung selektiv aufzeichnen zu können.

Claims (18)

1. Verfahren zur Erkennung eines Prägebilds einer Münze in einem Münzauto­ maten mit den folgenden Schritten:

• - die Münze wird zu einem Bildempfänger und zu einer Lichtquelle bewegt, wobei die Lichtquelle zwei oder mehr Beleuchtungsabschnitte zur Be­ leuchtung eines Objektfeldes auf der Münzoberfläche aus jeweils einer an­ deren Richtung aufweist,
• - der Bildempfänger zeichnet mindestens zwei Aufnahmen des Objektfeldes auf, bei denen das Objektfeld jeweils von einem der Beleuchtungsab­ schnitte aus einer anderen Richtung beleuchtet wird,
• - aus den Aufnahmen wird ein Differenzbild ermittelt,
• - mit Hilfe einer Daten- und Bildverarbeitung wird das ermittelte Differenz­ bild mit vorgegebenen Bilddaten verglichen, zur Erzeugung eines Echt- oder Falschsignals.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektfeld von jedem Beleuchtungsabschnitt mit parallelem Licht beleuchtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt­ feld für die Aufnahmen im wesentlichen mit einfarbigem Licht beleuchtet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmen nacheinander aufgenommen werden, jeweils bei Beleuchtung mit einem der Beleuchtungsabschnitte.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt­ feld für die Aufnahmen von den Beleuchtungsabschnitten mit jeweils unter­ schiedlich farbigem Licht beleuchtet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmen mit einem Bildempfänger gemacht werden, der für sämtliche Farben der Beleuch­ tungsabschnitte empfindlich ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Bildempfänger eine Farbkamera verwendet wird und die Beleuchtungsabschnitte auf die Farb­ kamera abgestimmt farbiges Licht erzeugen derart, daß eine Farbaufnahme in mehrere Ausnahmen mit einer Beleuchtung jeweils eines anderen Beleuch­ tungsabschnitts zerlegt werden kann.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmen gleichzeitig gemacht werden, indem eine Farbaufnahme in die durch die unter­ schiedlichen Beleuchtungsabschnitte beleuchteten Aufnahmen zerlegt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt­ feld für die Aufnahme mit unterschiedlich polarisiertem Licht beleuchtet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildpixel des Bildempfängers mit Polarisationsfiltern versehen sind, mit denen die Auf­ nahme in ihre polarisationsabhängigen Anteile zerlegt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Münze entlang einem Münzlauf ein Signal zur Betätigung des Bildemfän­ gers und der Lichtquelle auslöst.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Münze sich im Ruhezustand während der Aufnahmen befindet.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Münze sich während der Aufnahme in Bewegung befindet, insbesondere die Münze frei fällt, abrollt oder an einer Fläche entlang gleitet.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektfeld durch die Beleuchtungsabschnitte insgesamt im wesentlichen kreisförmig angeleuchtet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung durch jeden Beleuchtungsabschnitt unter einem im wesentlichen konstanten Winkel gegenüber der Flächennormalen erfolgt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Helligkeitswerte des erzeugten Differenzbildes mit einem Schwellwert ver­ glichen werden und abhängig davon, ob sie kleiner oder größer als der Schwellwert sind, zu null bzw. eins oder umgekehrt gesetzt werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Differenzbild aus den Intensitätswerten benachbarter Pixel bereits durch den Bildsensor erzeugt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Helligkeitswerte des erzeugten Differenzbildes, die innerhalb eines vorbe­ stimmten Wertebereichs liegen, auf null oder auf eins gesetzt werden, während die übrigen Helligkeitswerte auf eins bzw. auf null gesetzt werden.