DE10140660A1

DE10140660A1 - Verfahren und Vorrichtung zur optoelektronischen Erfassung von Oberflächen

Info

Publication number: DE10140660A1
Application number: DE10140660A
Authority: DE
Inventors: Juergen Oehlmann
Original assignee: Visolution Systemloesunge GmbH
Current assignee: Visolution Systemloesunge GmbH
Priority date: 2001-08-24
Filing date: 2001-08-24
Publication date: 2003-03-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur optoelektronischen Erfassung von Oberflächen, bei welchem man die Oberfläche mit mindestens einer Farbkamera rastert, die erhaltenen Bilder speichert und auswertet, wobei ein lernfähiges System in der Bildauswerteeinrichtung verwendet wird, und anhand von ausgewählten Bereichen eines gespeicherten Oberflächenbildes betimmte Frabklassen definiert werden und jeder Bildpunkt eines ausgewählten Bereiches über seinen RGB-Wert dieser Farbklasse zugeordnet wird. Danach werden zuverlässige Ausdehnungsbereiche der Farbübergänge auf der zu untersuchenden Oberfläche bestimmt, wobei Grenzparameter festgelegt werden, die Bildpunkten an ausgewählten geometrischen Positionen des zu untersuchenden Objektes entsprechen, wobei die Parameter der Farbklassen und die Grenzparameter abgespeichert und als Refernzdaten für die Auswerteeinheit verwendet werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur optoelektronischen Erfassung von Oberflächen, insbesondere zur Qualitätskontrolle über die Messung von Farbunterschieden auf den zu untersuchenden Oberflächen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Oberflächen von Produkten müssen in der Regel bestimmten Qualitätsanforderungen genügen, so z. B. dürfen keine Unebenheiten, Kratzer oder Risse vorhanden sein. Bei beschichteten Objekten muß eine gleichmäßige Beschichtung gewährleistet sein.
Zur Überprüfung und Qualitätssicherung der Oberflächen werden unter anderem Bildverarbeitungsverfahren eingesetzt.
Probleme bei der Bildverarbeitung ergeben sich bei Materialien mit ähnlicher Farbgebung oder stark reflektierenden Materialien, da die Unterschiede in den Farbinformationen der zu untersuchenden Oberflächenbereiche sehr gering sind, sodaß die Erkennungsleistung abnimmt und die Reject-Rate, d. h. die Rate der unberechtigten Zurückweisungen stark ansteigt.
Insbesondere für die Qualitätssicherung in Endlosprozessen bei bandförmigen Objekten, die mit hoher Geschwindigkeit an dem Prüfsystem vorbeigeführt werden, ist eine hohe Erkennungsleistung für eine zuverlässige Kontrolle unverzichtbar.
Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt ein Verfahren zur optoelektronischen Erfassung von Oberflächen mit hoher Erkennungsleistung bei geringen Farbunterschieden auf der Oberfläche sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung zustellen.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem Verfahren zur optoelektronischen Erfassung von Oberflächen gemäß Anspruch 1, bei welchem man die Oberfläche mit mindestens einer Farbkamera rastert, die erhaltenen Bilder speichert und auswertet, wobei ein lernfähiges System in der Bildauswerteeinrichtung verwendet wird, und anhand von ausgewählten Bereichen eines gespeicherten Oberflächenbildes bestimmte Farbklassen definiert werden und jeder Bildpunkt eines ausgewählten Bereiches über seinen RGB-Wert dieser Farbklasse zugeordnet wird. Danach werden zulässige Ausdehnungsbereiche der Farbübergänge auf der zu untersuchenden Oberfläche bestimmt, wobei Grenzparameter festgelegt werden, die Bildpunkten an ausgewählten geometrischen Positionen des zu untersuchenden Objektes entsprechen, wobei die Parameter der Farbklassen und die Grenzparameter abgespeichert und als Referenzdaten für die Auswerteeinheit verwendet werden.
Darüber hinaus wird die Aufgabe gelöst mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 20 zur Durchführung des Verfahrens, die mindestens eine Farbkamera, die an eine Bildauswerteeinheit angeschlossen ist sowie eine Beleuchtungseinheit umfaßt.
Das lernfähige System der Bildauswerteeinheit stellt sich wie folgt dar. In einem ersten Schritt wird ein Bild der zu untersuchenden Oberfläche aufgenommen und gespeichert. Ein Bereich der Oberfläche mit einer bestimmten Farbe im Originalbild wird ausgewählt anhand dessen eine Farbklassen definiert wird, wobei jeder Bildpunkt des ausgewählten Bereiches über seinen RGB-Wert dieser Farbklasse zugeordnet wird. Sodann wird ein zweiter Bereich der Oberfläche mit einer anderen Farbe im Originalbild ausgewählt und alle in den Bereich fallenden Bildpunkte einer weiteren Farbklasse zugeordnet, usw.
Die Farbklassifikation erfolgt vorzugsweise in Form einer Tabelle, insbesondere einer einspaltigen Tabelle. Jeder zu klassifizierende Bildpunkt bzw. jede Originalfarbe wird über seine/ihre Farbinformation einer Zeile/Reihe der Tabelle zugeordnet, die einer Farbe aus dem RGB-Farbraum entspricht. Die RGB-Werte, d. h. die Farbinformationen in rot, grün und blau, jedes zugehörigen Bildpunktes dienen dabei als Adresse des jeweiligen Bildpunktes. Die Bildpunkte werden beispielsweise bei 8 Bit Informationstiefe pro RGB-Farbe mit 24 Bit adressiert. Da jedes Bit den Wert bis zu 255 annehmen kann, können so bis zu ca. 16 Millionen Zeilen/Reihen (entsprechend ca. 16 Mio. Farben) in der Tabelle adressiert werden.
Die Werte für die Farbklassen werden in die Spalte der Tabelle eingetragen, wobei jedem zu klassifizieren Bildpunkt ein Farbklassenwert zugeordnet wird. Jede Farbklasse hat einen definierten Wert, beispielsweise wird für jede Farbklasse ein Bit in der Tabelle markiert, wobei bei einem 8 Bit-Wert 8 Farbklassen definiert werden können, und jeder Farbklasse ein Bit zugeordnet sein kann, d. h. Farbklasse 1 das Bit 0, Farbklasse 2 das Bit 1, usw.
Je nach der Anzahl der verfügbaren Bits für den Farbklassenwert kann eine entsprechende Anzahl von Farbklassen definiert werden. Allen jeweiligen Bildpunkten der Farbklasse 1 würde im Fall eines 8 Bit-Wertes sich z. B. der Wert 00000001 zugewiesenen, den Bildpunkten der Farbklasse 2 der Wert 0000010, usw.
Vorteilhaft ist die Tabelle zunächst mit einem vorgegebenen Wert, beispielsweise dem Wert 0 bzw. 00000000 komplett ausgefüllt, dem eine vorgegebene Farbe/Farbklasse, beispielsweise schwarz zugeordnet ist. Bei der Klassifikation von ausgewählten Bildpunkten wird dieser vorgegebene Wert ersetzt, während bei allen anderen Bildpunkten der vorgegebene Wert erhalten bleibt. Bei der Darstellung als Farbklassenbild erscheinen dann die Bildpunkte einer Farbklasse in einer entsprechend zugeordneten Farbe, insbesondere Falschfarbe, während die übrigen Bildpunkte schwarz dargestellt werden.
Es kann vorkommen, daß Bildpunkte/Originalfarben mehrfach klassifiziert, d. h. unterschiedlichen Farbklassen zugeordnet werden und somit mehrere Bits in der Tabelle markiert werden. In diesem Falle ist es vorteilhaft vorgesehen, daß bei mehr als einem markierten Bit im Farbklassenwert die entsprechenden Bildpunkte in einer vorgegebenen Farbe, insbesondere Falschfarbe, zum Beispiel weiß dargestellt werden.
Die Klassifikation in Form einer Tabelle bietet den Vorteil, daß beliebige Farbklassen gebildet werden können und jeder Bildpunkt mit nur einem Tabellenzugriff klassifiziert werden kann, was eine sehr hohe Zugriffsgeschwindigkeit ermöglicht.
In einer Ausgestaltung der Erfindung können die RGB-Werte der Bildpunkte zunächst in ein anderes Farbmodell, beispielsweise das HSI- oder das CIELAB-Farbraummodell transformiert werden, wobei die Klassifizierung dann mit diesen transformierten Werten erfolgt.
Zur besseren Übersichtlichkeit werden die Farbspektren der Farbklassen vorteilhaft in Falschfarben dargestellt.
Danach werden zulässige Ausdehnungsbereiche der Farbübergänge auf der zu untersuchenden Oberfläche definiert. Dazu werden Bildpunkte an bestimmten geometrischen Positionen auf der Oberfläche des zu untersuchenden Objektes ausgewählt. Diese Bildpunkte stellen die geometrischen Grenzen der Ausdehnungsbereiche der jeweiligen Farbklassen auf dem zu untersuchenden Objekt dar.
Die Ausdehnungsbereiche der Farbklassen werden vorzugsweise in einem Meßfenster der Auswerteeinheit in Form eines Histogramms dargestellt. Die Grenzparameter werden dann in den seitlichen Randbereichen, z. B. dem rechten und linken Rand des Histogramms, die der flächigen geometrischen Ausdehnung der jeweiligen Farbklasse auf der Oberfläche des zu untersuchenden Objektes entsprechen, festgelegt. Zusätzlich kann auch eine Mindesthöhe des Histogramms der jeweiligen Farbklasse bestimmt werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung können an den Grenzen der Ausdehnungsbereiche der Farbklassen auf der Oberfläche zulässige Abweichungen definiert werden, die über die geometrische Ausdehnung der Farbklasse hinausgehen. Vorteilhaft werden die Toleranzbereiche so festgelegt, daß innerhalb einer bestimmten Anzahl von Bildpunkten die definierte Mindesthöhe im Histogramm erreicht sein muß.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann darüber hinaus auch eine Lücke im Histogramm der Farbklasse festgelegt werden, deren Breite jedoch kleiner als eine durch den Prozeß entstehende Lücke sein muß, damit alle durch den Prozeß entstehenden Fehler sicher erkannt werden können. Eine auf diese Weise definierte Lücke gleicht geringe Reflexionen des Prüfobjektes aus, die aufgrund einer ungenauen Positionierung der Objekte zur Kamera auftreten können.
Die Parameter der Farbklassen und die Grenzparameter der Ausdehnungsbereiche der Farbklassen werden abgespeichert und als Referenzdaten für die Auswerteeinheit zum Vergleich mit zu untersuchenden Objekten verwendet.
Durch die Bestimmung der geometrischen Grenzwerte der jeweiligen Farbklassen wird eine sichere Erkennung dieser Bereiche auf der Oberfläche gewährleistet. Im Ergebnis wird die Reject-Rate stark reduziert.
Vorteilhaft dienen die Referenzdaten als Auswahlkriterien für eine "Gut/Schlecht"- Prüfung der erfaßten Oberflächen, wobei in festgelegten Erwartungsfenstern Referenzdaten bestimmter Farbklassen mit den aktuell aufgenommenen Bilddaten verglichen werden.
In einer Ausgestaltung wird die Farbklassifikation anhand mehrerer gespeicherter Bilder zu untersuchender Objekte durchgeführt. Dadurch können Farbnuancen und Reflexionseffekte durch Abweichungen in den Oberflächenstrukturen aber auch Schwingungen des zu untersuchenden Objektes und dadurch verursachte unterschiedliche Positionen zur Kamera in der Klassifikation berücksichtigt werden.
Besonders vorteilhaft werden die gespeicherten und bereits klassifizierten Bilder in mindestens einem weiteren Prüflauf nochmals in der Bildauswerteeinheit abgerufen, die Klassifikation kontrolliert und ggf. weitere noch nicht klassifizierte Bildpunkte einer Farbklasse zugeordnet.
Insbesondere können Ergebnisse einer "Gut/Schlecht"-Prüfung ggf. der jeweils anderen Klasse (Gut-/Schlecht-Klasse) zugeordnet werden. Dazu können neben den jeweiligen Falschfarben-Bildern auch die Originalbilder zu Vergleichszwecken dargestellt werden.
Im Ergebnis wird ein verbesserter "Lerneffekt" erzielt und die Erkennungsrate gesteigert.
Bevorzugt werden die zu erfassenden Objekte unter der Kamera hinweg- oder an der Kamera vorbeigeführt. Es ist auch möglich, daß die Kamera beweglich angeordnet ist während die zu untersuchenden Objekte positionsfest sind.
In einer weiteren Ausgestaltung wird mit Hilfe einer Sensoreinheit, beispielsweise eines Geschwindigkeitsgebers, vorteilhaft mittels eines Inkrementgebers die Relativbewegung zwischen Kamera und Objekt erfaßt sowie über eine weitere Sensoreinheit, beispielsweise eine Lichtschranke die Position des Objektes bzw. der Objekte zur Kamera ermittelt. Die Lichtschranke ist dabei so ausgeführt, daß ein Signal generiert wird, wenn ein Objekt eine Position zur Kamera erreicht, in der ein neues Bild aufgenommen werden soll.
Die Signale der Sensoreinheiten werden der Auswerteeinheit zugeführt, die ihrerseits Steuersignale für die Kamera und/oder den Bildspeicher generiert. Die Auswerteeinheit ist vorzugsweise so ausgeführt, daß Signale, die durch ein eventuelles Rückwärtszählen des Geschwindigkeitsgebers, welches durch Schwingungen der zu untersuchenden Objekte bedingt sein kann, elektronisch kompensiert wird. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß immer korrekte (Trigger-)Signale zur Kamera und/oder zum Bildspeicher gesendet werden.
Der Bildspeicher ist so gestaltet, daß eine definierte Anzahl von Bildern gespeichert werden kann. Vorteilhaft erfolgt die Speicherung in Wechselpuffertechnik. Für Endlosprozesse, insbesondere bei bandförmigem Objekten erfolgt die Bildspeicherung vorzugsweise ausschließlich im Schreib/Lese-Speicher (RAM), da nur so gewährleistet werden kann, daß kein Verlust an Bilddaten entsteht.
Der Bildspeicher kann so ausgeführt sein, daß ein Fehlersignal generiert wird, wenn vor Abschluß der Prüfung des vorherigen Bildes ein neues Bild abgespeichert werden soll.
Nach der Anlernphase ist das System zur automatischen optoelektronischen Erfassung der Oberflächen bereit.
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist mindestens eine Farbkamera auf, welche an eine Bildauswerteeinheit angeschlossen ist und eine Beleuchtungseinheit, wobei die Bildauswerteeinheit ein lernfähiges System zur Farbklassifikation der zu untersuchenden Oberfläche umfaßt.
In der Bildauswerteeinheit sind vorteilhaft die Parameter der Farbklassen sowie die Grenzparameter der Ausdehnungsbereiche der Farbklassen als Referenzdaten gespeichert.
Die Farbkamera ist bevorzugt als eine 3-Chip-Farbkamera, insbesondere als eine 3-Chip-Farb-Zeilen-Kamera ausgeführt.
Der Beleuchtung der zu untersuchenden Oberflächen kommt besondere Bedeutung zu. Voraussetzung für eine hinreichend genaue Bildverarbeitung ist eine gleichmäßige reflektionsfreie Beleuchtung der zu prüfenden Objekte. Dies wird insbesondere durch stark reflektierende Materialien aber auch durch Reflexionen, die durch eine Verformung des Materials hervorgerufen werden erschwert. Diese Reflexionspunkte enthalten keine Farbinformation und können somit nicht vermessen werden.
Für die notwendige besonders starke Beleuchtung müssen Lichtquellen mit hoher Lux-Zahl, vorzugsweise insgesamt 4000 Lux eingesetzt werden. Bevorzugt werden die Leuchtelemente flutlichtartig in verschiedenen Raumrichtungen angeordnet, sodaß eine gleichmäßige Beleuchtung auch bei komplexen geometrischen Formen erfolgt.
Erfindungsgemäß enthält die Beleuchtungseinheit mindestens einen Reflektor. Die Reflektoren sind so ausgeführt, daß das von den Prüfobjekten reflektierte Licht wieder auf diese zurückgeleitet wird. Dies führt in Verbindung mit der Anordnung der Leuchtelemente zu einer gleichmäßigen und reflektionsfreien Beleuchtung.
In einer Ausgestaltung umfaßt die Vorrichtung eine Sensoreinheit, insbesondere einen Geschwindigkeitsgeber zur Bestimmung der Relativbewegung zwischen Kamera und Objekt. Vorteilhaft ist der Geschwindigkeitsgeber durch das zu prüfende Objekte antreibbar.
In einer weiteren Ausgestaltung umfaßt die Vorrichtung eine weitere Sensoreinheit, insbesondere eine Lichtschranke, besonders bevorzugt eine Gabellichtschranke zur Bestimmung der Position des zu untersuchenden Objektes zur Kamera.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels detailliert erläutert, ohne daß dadurch Einschränkungen des Schutzumfangs beabsichtigt sind.
Das Beispiel betrifft eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Überprüfung von in einem Galvanisierungsprozeß hergestellten aneinanderhängenden Steckerpins, welche aus Kupferbändern gestanzt sind und in einem Tauchverfahren, zunächst mit Nickel und auf der Lötseite mit Zinn beschichtet und zusätzlich in einem Brushverfahren auf der Kontaktseite mit Gold beschichtet werden. Neben den genannten Beschichtungsverfahren können andere Verfahren zur Beschichtung der Steckerpins eingesetzt werden.
Die Figur zeigt schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt eine 3-Chip-Farb-Zeilen-Kamera (1) mit einem Objektiv, welche an eine mikroprozessorgesteuerte Auswerteeinheit (2) angeschlossen ist.
Die Auswerteeinheit ist ihrerseits mit einer Sensoreinheit (3) in Form eines Inkrementgebers verbunden. Dieser wird durch das zu überprüfende Band (4) angetrieben und ermittelt so die aktuelle Bandgeschwindigkeit der Steckerpins.
Durch eine ebenfalls mit der Auswerteeinheit verbundene weitere Sensoreinheit (5), vorliegend als Gabellichtschranke ausgeführt, wird der Aufnahmezeitpunkt jeder einzelnen Bildzeile gesteuert und dadurch die Bilder der einzelnen zu überprüfenden Objekte separiert.
Die vom Inkrementgeber und der Gabellichtschranke generierten Signale werden von der Auswerteeinheit zur Steuerung der Kamera und des Bildspeichers (6), welcher einen Framegrabber umfaßt, über Triggersignale verwendet.
Der Framegrabber dient zur Umwandlung der Bilddaten in Farbbilder und zur Korrektur eines ggf. auftretenden Zeilenversatzes der Kamera.
Die Beleuchtungseinheit (7) umfaßt neben den Leuchtelementen einen Reflektor, der das von den zu untersuchenden Objekten reflektierte Licht wieder auf diese zurückwirft. Der Reflektor ist so gestaltet, daß auch bei unterschiedlichen geometrischen Formen der Oberflächen eine gleichmäßige Beleuchtung ohne Reflektionen erfolgt. Der Reflektor im vorliegenden Fall ist im wesentlichen als eine Halbzylinderschale aus vorzugsweise hochreflexivem Material gestaltet. Die Leuchtelemente sind mehrere unterschiedlich angeordnete, hochfrequent getaktete Warmtonlampen mit einer Leuchtstärke von ca. 4200 Lux, wobei 2 Lampen im wesentlichen quer und 2 Lampen im wesentlichen längs zur Bandrichtung angeordnet sind, sodaß eine flutlichtartige Anordnung erhalten wird.
Das Band mit den zu untersuchenden Steckerpins wird in die Beleuchtungseinheit geführt. Der Inkrementgeber ermittelt die aktuelle relativ Bewegung zwischen Kamera und den Steckerpins. Die Gabellichtschranke ermittelt die Position des zu untersuchenden Objektes zur Kamera. Die Lichtschranke ist so eingestellt, daß ein Signal zum Bildanfang generiert wird, wenn ein neuer Steckerpin die entsprechende Position zur Kamera einnimmt. Dadurch wird erreicht, daß jedes zu untersuchende Objekt vollständig in einem separaten Bild erfaßt wird.
Die Signale des Inkrementgebers und der Gabellichtschranke werden an die Auswerteeinheit gegeben, die ihrerseits ein Triggersignal zur Auslösung der Kamera und ein Triggersignal zur Speicherung der Bilddaten in ein neues Bild für den Bildspeicher/Framegrabber generiert.
Die Sensoreinheiten sind an Objekte mit un#erschiedlichen geometrischen Formen und unterschiedlichen Farben anpaßbar.
Es ist auch möglich die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne zweite Sensoreinheit (Gabellichtschranke) zu betreiben. In diesem Fall wird in der Auswerteeinheit nach einer bestimmten Anzahl von Bildzeilen ein Signal für den Framegrabber generiert, daß ein neues zu überprüfendes Bild erzeugt werden muß.
Zum Anlernen des Systems wird in einem ersten Durchlauf eine definierte Anzahl von Objekten optoelektronisch erfaßt. Die entsprechenden Bilddaten werden im Framegrabber in Farbbilder umgewandelt und im softwaregesteuerten Bildspeicher (Makrorekorder) abgelegt. Aufgrund der hohen Prüfgeschwindigkeit werden die Bilder im Schreib/Lese-Speicher (RAM) abgelegt, da die Speicherung auf einer Festplatte nicht hinreichend schnell ist und zu einem Verlust von Bilddaten führen würde.
Die gespeicherten Bilder werden in einer Ausgabeeinheit (8) der Bildauswerteeinheit angezeigt, wobei vorteilhaft sowohl das Originalbild, als auch das Farbbild nebeneinander dargestellt werden. Zur Definition der Farbklassen können nun Bilddaten, die bestimmten Abschnitten auf der Oberfläche der zu untersuchenden Objekte entsprechen ausgewählt werden. Durch die Definition der Farbklassen anhand einer Vielzahl von Bilddaten können so auftretende Farbnuancen und Reflektionen durch geometrische Abweichungen oder Schwingungen berücksichtigt werden.
Beispielsweise kann hierzu ein Mauscursor verwendet werden, mit dessen Hilfe die gewünschten Bilddaten umrissen werden bzw. der flächig gestaltet ist und alle unter die Fläche fallenden Bildpunkte auswählt.
Mit dem Mauscursor können Bildpunkte die einer bestimmten Farbe, z. B. den vergoldeten Steckflächen der Steckerpins entsprechen, ausgewählt werden. Die ausgewählten Bildpunkte werden einer Farbklasse, z. B. Farbklasse 1 zugeordnet. Von jedem Bildpunkt wird jeweils der RGB-Wert genommen und zur Adressierung in einer Tabelle verwendet. Den Farbklassen wird jeweils ein bestimmter Wert zugeordnet.
Für die Farbklasse 1 wird beispielsweise das Bit 0 als Farbklassenwert in der Tabelle markiert, für Farbklasse 2 das Bit 1, usw.
Die Klassifikation in Form einer Tabelle bietet den Vorteil, daß so beliebige Farbklassen gebildet werden können und jeder Bildpunkt mit nur einem Tabellenzugriff klassifiziert werden kann. Dies verringert erheblich den Rechenaufwand und erhöht die Zugriffsgeschwindigkeit.
Die Farbklassifizierung kann auch derart vorgenommen werden, daß die RGB-Werte der Bildpunkte zunächst in ein anderes Farbmodell, z. B. HSI oder CIELAB transformiert werden. Die Klassifikation kann sodann mit diesen transformierten Werten vorgenommen werden. Insbesondere bei einer Transformation in den CIELAB-Farbraum können zusätzlich die Farbsättigung und Farbintensität der jeweiligen Bildpunkte als weitere Parameter in die Tabelle aufgenommen werden. In diesem Falle werden Farbpunkte mit zu geringer Farbsättigung nicht klassifiziert.
Die CIELAB-Farbwerte können dazu verwendet werden, farbähnliche Werte automatisch einer Farbklasse zuzuordnen. Vorteilhaft kann dies bei deutlich unterschiedlichen Originalfarben der Bildpunkte eingesetzt werden, beispielsweise bei der Unterscheidung von blauem und rotem Kunststoff.
Nach der Farbklassifikation werden die Grenzwerte der geometrischen Ausdehnungsbereiche der Farbklassen auf den Oberflächen der zu untersuchenden Objekte definiert, beispielsweise der linke und rechte Grenzwert der Farbklasse 1 der Goldbeschichtung am Steckerpin, die den geometrischen Grenzen der Farbklasse auf der Oberfläche entsprechen.
Im Meßfenster (9) der Auswerteeinheit wird das Farbklassenbild der Klasse für die Gold-Farbnuancen in Form eines Histogramms dargestellt.
Am linken und rechten Randbereich des Histogramms der Farbklasse werden Werte festgelegt, die den Ausdehnungsbereich in dieser Richtung festlegen. Weiterhin wird eine Mindesthöhe im Histogramm festgelegt. Die Grenzparameter als Referenzdaten für die Auswerteeinheit gespeichert. Werte die innerhalb dieses Bereichs liegen werden als "Gut" und Werte außerhalb dieses Bereichs als "Schlecht" erkannt.
Vorteilhaft können auch Toleranzen an den Grenzen der Ausdehnung Bereiche festgelegt werden. So kann beispielsweise bei einer Ausdehnung von 100 Bildpunkten (Pixeln) eine Toleranz von ± 5 Bildpunkten festgelegt werden, um eine vollständige Erfassung des Bereichs zu gewährleisten. Dabei kann festgelegt werden, daß innerhalb dieses Toleranzbereichs die Mindesthöhe des Histogramms nach einer bestimmten Anzahl von Bildpunkten erreicht sein muß.
Zusätzlich kann eine Lücke im Histogramm in einer festlegbaren Breite definiert werden, z. B. für den Fall daß die Höhe des Histogramms mitten in der Goldbeschichtung kleiner als der vorher definierte Grenzwert ist. Die Lücke muß jedoch kleiner als eine durch den Prozeß entstehende Lücke sein, damit alle durch den Prozeß entstehenden Fehler sicher erkannt werden können. Vorteil einer definierten Lücke ist, daß geringe Reflexionen des Prüfobjektes, beispielsweise aufgrund einer ungenauen Bandführung ausgeglichen werden können. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung der Reject-Rate.
Nach der der Farbklassifizierung und der Bestimmung des geometrischen Ausdehnungsbereichs der Farbklassen können alle durch den Bildspeicher (Makrorekorder) aufgenommenen Bilder nochmals kontrolliert und ggf. nachtrainiert werden. Nach diesem zweiten Durchlauf werden alle überprüften Bilder in "Gut"- und "Schlecht" - Prüfungen eingeteilt.
Der Bildspeicher, insbesondere der Makrorekorder ist so ausgeführt, daß entweder alle Auswertungen, oder nur die "Gut"-Prüfungen oder "Schlecht"-Prüfungen dargestellt werden können. Vorteilhaft werden nur die "Schlecht"-Prüfungen angezeigt, die ggf. im Vergleich zum Originalbild nochmals klassifiziert werden können. Insbesondere bei Überschneidungen zwischen definierten Farbklassen können die entsprechenden Bildpunkte durch Zuordnung zu der jeweiligen Farbklasse "nachtrainiert" werden.
Geometrisch veränderte Positionen der Objekte zur Kamera sowie Schwingungen der zu untersuchenden Objekte führen zu anderen Beleuchtungseigenschaften und damit anderen Farbnuancen. Diese Farbnuancen können jederzeit der jeweiligen Farbklasse zugeordnet und somit "gelernt" werden.
Der Bildspeicher arbeitet in Wechselpuffertechnik, d. h. das während der Prüfung eines aufgenommenen Bildes ein neues Bild aus den aktuell aufgenommenen Bilddaten, in diesem Falle Bildzeilen, aufgebaut wird. Nach kompletter Prüfung des ersten Bildes wird auf das neue Bild umgestaltet. Der Bildspeicher ist so konfiguriert, daß eine Fehlermeldung generiert wird, wenn ein neues Bild abgespeichert werden soll, ohne daß das vorherige Bild komplett überprüft worden ist.
In der Ausgabeeinheit der Auswerteeinheit wird sowohl ein Originalbild als auch ein Farbklassenbild aufgebaut. Die angelernten bzw. definierten Farbklassen für Gold-, Nickel- und Zinn-Farbnuancen werden zur besseren Übersichtlichkeit in Falschfarben als rot, grün und blau dargestellt. Nicht klassifizierte Farben werden in Schwarz und Überschneidungen zwischen den definierten Farbklassen in Weiß dargestellt. Die Darstellung in Falschfarben ermöglicht eine einfache Erkennung des Trainingszustands des Systems, d. h. darüber, ob alle Farbklassen mit ihren jeweiligen Farbnuancen richtig eingelernt worden und somit die farblichen Grenzübergänge sicher berechnet werden können.
Bei Überschneidungen können vorteilhaft in der Ausgabeeinheit der Auswerteeinheit mehrere Farbklassenbilder übereinandergelegt werden, wobei jeweils nur eine Farbklasse pro Bild dargestellt wird. Es können dann einzelne Bildpunkte zu der jeweiligen Farbklasse klassifiziert werden. Bildpunkte, die in zwei oder mehr Bildern unterschiedlichen Farbklassen zugeordnet wurden, d. h. keinen eindeutigen Farbklassenwert aufweisen, werden aus der Klassifikation gelöscht. Auf diese Weise können die Überschneidungen "weggelernt" werden.
Nach der Anlernphase ist das System zur automatischen optoelektronischen Erfassung der Oberflächen bereit. Bei Bandgeschwindigkeiten von bis zu 23 cm/s werden Reject-Raten von unter 0,04 0/00 erreicht. Dazu sind Aufnahmegeschwindigkeiten von bis zu 7.800 Zeilen pro Sekunde notwendig.
Bei der hier durchgeführten "Gut/Schlecht"-Prüfungen werden in festgelegten Erwartungsfenstern die Referenzdaten der jeweiligen Farbklassen mit den aktuell vermessenen Bilddaten verglichen. Bei einer "Schlecht"-Prüfung wird ein Fehlersignal generiert, welches an eine Sortiereinheit (10) geleitet wird. Im vorliegenden Fall ist die Sortiereinheit als ein Farbmarkiergerät ausgeführt, daß die Schlechtteile mit einem sichtbaren Lack besprüht. Dieser Lack ist mit einfachen Sensoren lesbar, so daß mit diesen Sensoren ausgestattete Moldmaschinen (nicht dargestellt) zur Steckerherstellung die als schlecht klassifizierten Stecker erkennen und aussortieren können. Bezugszeichenliste 1 Farbkamera mit Objektiv
2 Bildauswerteeinheit
3 Sensoreinheit (Inkrementgeber)
4 Band (Steckerpins)
5 Sensoreinheit (Gabellichtschranke)
6 Bildspeicher
7 Beleuchtungseinheit
8 Ausgabeeinheit
9 Meßfenster
10 Sortiereinheit

Claims

1. Verfahren zur optoelektronischen Erfassung von Oberflächen, insbesondere zur Qualitätsprüfung, wobei man die Oberfläche mit mindestens einer Farbkamera rastert, die erhaltenen Bilder speichert und auswertet, dadurch gekennzeichnet, daß
ein lernfähiges System in der Bildauswerteeinrichtung verwendet wird,
wobei anhand von ausgewählten Bereichen eines gespeicherten Oberflächenbildes bestimmte Farbklassen definiert werden und jeder Bildpunkt eines ausgewählten Bereiches über seinen RGB-Wert dieser Farbklasse zugeordnet wird,
wonach zulässige Ausdehnungsbereiche der Farbübergänge auf der zu untersuchenden Oberfläche bestimmt werden, wobei Grenzparameter festgelegt werden, die Bildpunkten an ausgewählten geometrischen Positionen des zu untersuchenden Objektes entsprechen,
und die Parameter der so beschränkten Farbspektren der Farbklassen abgespeichert und als Referenzdaten für die Auswerteeinheit verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbklassifikation in Form einer Tabelle erfolgt, wobei für jede Farbklasse ein Wert festgelegt, die zur Klasse gehörenden Bildpunkte über die RGB-Werte in der Tabelle adressiert und den Bildpunkten jeweils ein Farbklassenwert zugeordnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tabelle einspaltig ist, wobei die Farbklassen der Spalte und jeder zu klassifizierende Bildpunkt einer Zeile der Tabelle zugeordnet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die RGB- Werte der Bildpunkte zunächst in ein anderes Farbmodell, bevorzugt HIS oder CIELAB transformiert werden und danach die Farbklassifikation mit diesen transformierten Werten erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Parameter, wie Farbintensität und/oder Farbsättigung für die Klassifizierung verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Farbklassifizierung ähnliche Farbparameter automatisch derselben Farbklasse zugeordnet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter der Farbklassen und die Grenzparameter der Ausdehnungsbereiche als Auswahlkriterien für eine "Gut/Schlecht"-Prüfung der erfaßten Oberflächen verwendet werden, wobei diese Parameter in festgelegten Erwartungsfenstern mit aktuellen Bilddaten verglichen werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine definierte Anzahl von Bildern in der Bildauswerteeinheit gespeichert und die Farbklassifikation an einer Vielzahl von Bildern vorgenommen wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem weiteren Prüflauf nach der Farbklassifikation alle gespeicherten Bilder nochmals abgerufen und die Klassifikation kontrolliert und ggf. weitere Bildpunkte einer Farbklasse zugeordnet werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter der Farbklassen in einem Meßfenster der Bildauswerteeinrichtung als Histogramm dargestellt werden.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu erfassenden Objekte unter der Kamera hinweg geführt werden oder die Kamera über die Oberflächen bewegt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung zwischen Kamera und Objekt erfaßt sowie die Position auf der Oberfläche des zu untersuchenden Objektes ermittelt wird, bei welcher eine neue Bildaufnahme erfolgen muß.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der Relativbewegung und der Position des Bildanfangs der Auswerteeinheit zur Steuerung der Kamera und/oder des Bildspeichers zugeführt werden.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildspeicherung in Wechselpuffertechnik erfolgt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fehlersignal generiert wird, wenn die Speicherung eines Bildes vor Abschluß der Überprüfung des vorherigen Bildes erfolgt.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Bildpunkte der Farbklassen in Falschfarben in einer Ausgabeeinheit dargestellt werden.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehrfacher unterschiedlicher Klassifikation eines Bildpunktes dieser Bildpunkt in einer vorher definierten Farbe der Ausgabeeinheit dargestellt wird.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ausgabeeinheit das Falschfarben-Bild und das jeweilige Originalbild parallel dargestellt werden.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Abweichung eines Objekts von den Referenzdaten der Bildauswerteeinheit ein Fehlersignal erzeugt wird, welches an eine Sortiereinheit ausgegeben wird.

20. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet durch mindestens eine Farbkamera, welche an eine Bildauswerteeinheit angeschlossen ist und eine Beleuchtungseinheit, wobei die Bildauswerteeinheit ein lernfähiges System zur Farbklassifikation der untersuchten Oberfläche umfaßt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bildauswerteeinheit Parameter der gesamten Farbklassen, umfassend Parameter der Farbklassen für ausgewählte Bereiche der Oberfläche und der Grenzwerte für Farbübergänge in den Farbklassen als Referenzdaten gespeichert sind.

22. Vorrichtung gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinheit mindestens einen Reflektor, insbesondere hochreflexiven Reflektor aufweist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor im wesentlichen in Form einer Halbzylinderschale ausgeführt ist.

24. Vorrichtung gemäß Anspruch 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbkamera eine 3-Chip-Farbkamera ist.

25. Vorrichtung gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbkamera eine 3-Chip-Farb-Zeilen-Kamera ist.

26. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Sensoreinheit, insbesondere einen Geschwindigkeitsgeber, vorzugsweise einen Inkrementgeber zur Bestimmung der Relativbewegung zwischen Kamera und Objekt umfaßt, welcher durch das zu überprüfende Objekt antreibbar ist.

27. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine weitere Sensoreinheit, insbesondere eine Gabellichtschranke zur Bestimmung der Position des zu untersuchenden Objektes umfaßt.

28. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtelemente der Beleuchtungseinheit im wesentlichen flutlichtartig zur Oberfläche der zu untersuchenden Objekte angeordnet sind.