DE102004016829A1 - Determining the colour of opaque and transparent material, comprises taking one or more pictures using a camera, and analysing the colour - Google Patents
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Abstract
Description
Anwendungsgebietfield of use
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur genauen Ermittlung der Farbe von sowohl undurchsichtigem als auch transparentem Schüttgut, insbesondere von Kunststoffgranulat oder pulverförmigem Schüttgut.The The present invention relates to a method and an apparatus to accurately determine the color of both opaque as well transparent bulk material, in particular of plastic granules or powdery bulk material.
Die Ermittlung der Farbe von Schüttgut wird vor allem im Rahmen von Produktionsprozessen oder von Qualitätskontrollen benötigt. Ein wichtiges Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Herstellung von Kunststoffen, bei der einem Basismaterial aus Polymeren oder Harzen eine Reihe von Zusatzstoffen beigemengt werden, insbesondere auch Farbpigmente. Die geschmolzene homogene Masse wird extrudiert und anschließend granuliert. Die Farbe des Kunststoffs ist vom Auftraggeber im allgemeinen genau vorgegeben und darf nur innerhalb geringer Toleranzen schwanken. Um die gewünschte Farbe bei der Kompoundierung sicherzustellen, muss man sie messen. Die Messung kann im Prinzip an verschiedenen Stellen innerhalb des Herstellungsprozesses erfolgen: in der flüssigen Phase des Kunststoffes, am extrudierten Strang, am Granulat oder an Messplättchen, die aus dem Granulat hergestellt werden. Wünschenswert ist eine Messung am Granulat. Wenn diese Messung gelingt, kann die zeitraubende Herstellung von Messplättchen entfallen und die Korrekturwerte zur Regelung der Farbmischung stehen schneller zur Verfügung.The Determination of the color of bulk material is mainly used in the context of production processes or quality controls needed. An important field of application of the invention is the production of Plastics in which a base material of polymers or resins a number of additives are included, in particular Color pigments. The molten homogeneous mass is extruded and subsequently granulated. The color of the plastic is generally from the client exactly given and may vary only within small tolerances. To the desired To ensure color during compounding, you have to measure it. The measurement can, in principle, be done in different places within the Manufacturing process done: in the liquid phase of the plastic, on the extruded strand, on the granules or on measuring platelets, which are made from the granules. It is desirable to have a measurement on the granules. If this measurement succeeds, the time-consuming production can of measuring plates eliminated and the correction values for controlling the color mixture are faster to disposal.
Für eine genaue Farbmessung wird bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ein farblich homogener, ebener Prüfling benötigt. Schüttgut wie insbesondere Kunststoffgranulat oder Pulver weist dagegen eine nicht-ebene und farblich inhomogene Oberfläche auf. Um die gewünschte Farbe sicherzustellen, werden daher bei der Herstellung von Kunststoffen als allgemein bekanntes Standardverfahren aus den Granulaten in einer Spritzgießmaschine Messplättchen geformt, welche dann mit Hilfe eines herkömmlichen Spektrometers vermessen werden. Das primäre Messergebnis des Spektrometers ist das Remissionsspektrum der Probe. Daraus werden im allgemeinen die für das Farbwahrnehmungsvermögen des Menschen maßgeblichen Kenngrößen abgeleitet, meist die standardisierten Farbwerte L*a*b* (CIE). Dieses Vorgehen hat den Nachteil, dass von Entnahme der Probe (der Granulate) bis zur Bereitstellung der Messergebnisse (am Prüfplättchen) eine relativ lange Zeit vergeht. Während dieser Zeit muß aber die kontinuierlich arbeitende Produktionsanlage weiter laufen und erzeugt womöglich Ausschuß. Das Problem ist also die durch den Messvorgang bestimmte Totzeit bei der Regelung der Farbmischung. Es läßt sich nur lösen, wenn man ein Verfahren findet, das ohne Messplättchen auskommt, so dass man die Farbe des Kunststoffes schon in einer früheren Phase des Produktionsprozesses bestimmen kann.For an accurate Color measurement is by methods known in the art a color homogeneous, flat test specimen needed. Bulk goods, in particular plastic granules or powder, however, has a non-planar and color inhomogeneous surface on. To the desired To ensure color, therefore, are used in the production of plastics as well-known standard method from the granules in an injection molding machine shim shaped, which are then measured using a conventional spectrometer. The primary The measurement result of the spectrometer is the reflectance spectrum of the sample. This will generally be the color perception of the Derived people's relevant parameters, usually the standardized color values L * a * b * (CIE). This procedure has the disadvantage that from taking the sample (the granules) to to provide the measurement results (on Prüfflättchen) a relatively long Time goes by. While but this time must the continuously operating production plant continues to run and possibly produces Committee. The problem is the dead time determined by the measurement process in the regulation of color mixing. It can only be solved if one find a method that manages without measuring plate, so that one the color of the plastic already at an earlier stage of the production process can determine.
Zur
Lösung
des Problems mit der Totzeit wurden verschiedene Wege vorgeschlagen.
In
Alle genannten Methoden zur Messung der Farbe von Kunststoffen in der Produktion haben sich bisher in der Praxis nicht durchsetzen können. Eine Messung der Farbe von Kunststoffen am Granulat wurde bisher nicht bekannt.All mentioned methods for measuring the color of plastics in the Production has not been successful in practice so far. A measurement the color of plastics on the granules has not been known.
Aufgabe der ErfindungTask of invention
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereit zustellen, das eine genaue Messung der Farbe von sowohl undurchsichtigem als auch transparentem Schüttgut, insbesondere von Kunststoffgranulat oder pulverförmigen Schüttgut, (oder zumindest von Farbdifferenzen der jeweiligen Probe im Vergleich zu einer Referenzprobe) trotz der nicht-ebenen und z.B. durch Schatten oder Bruchstellen farblich inhomogenen Oberfläche ermöglicht.task It is the object of the invention to provide an apparatus and a method to provide an accurate measurement of the color of both opaque as well as transparent bulk material, in particular of plastic granules or pulverulent bulk material (or at least of Color differences of the respective sample compared to a reference sample) despite the non-planar and e.g. through shadows or breakages colored inhomogeneous surface allows.
Darstellung der Erfindungpresentation the invention
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren des Hauptanspruchs 1 gelöst. Der Anspruch 18 gibt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Anspruch 1 an. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.The The object is achieved by the method of the main claim 1. Of the Claim 18 gives an apparatus for carrying out the method according to the Claim 1 to. Advantageous embodiments of the method and the Device are the subject of the dependent claims.
Für eine genaue Farbmessung benötigt man eine definierte Beleuchtung, eine definierte Messgeometrie und einen farblich homogenen, ebenen Prüfling. Handelsübliche Spektrometer sind dementsprechend meist folgendermaßen aufgebaut: als Lichtquelle wird eine Lampe eingesetzt, die über das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichtes hinweg eine hinreichend hohe Leistung abstrahlt (z.B. Xenon-Lampe); die Beleuchtung des Prüflings erfolgt mit diffusem Licht (z.B. über eine Ulbrichtkugel); der Sensor ist unter einem Winkel von vorzugsweise 8° Grad auf den Prüfling gerichtet und der Prüfling hat eine farblich homogene, ebene Oberfläche. Das Spektrometer misst das Remissionsspektrum des Prüflings und zwar Bemittelt über einen Messfleck von z.B. 10 mm Durchmesser.For a precise color measurement you need a defined illumination, a defined measurement geometry and a color homogeneous, even test ling. Accordingly, commercially available spectrometers are usually constructed as follows: the light source used is a lamp which emits a sufficiently high power over the entire spectrum of visible light (eg xenon lamp); the specimen is illuminated with diffused light (eg via an integrating sphere); The sensor is directed at an angle of preferably 8 ° degrees to the specimen and the specimen has a color-homogeneous, flat surface. The spectrometer measures the reflectance spectrum of the device under test, averaged over a measuring spot of eg 10 mm diameter.
Das Problem bei der Farbmessung am Schüttgut liegt darin, dass die Oberfläche der Prüflinge weder eben ist noch farblich homogen. Inhomogen ist die Farbe z.B. bei Kunststoffgranulat infolge der unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften an den Schnittflächen und den Mantelflächen der Granulate oder infolge von Weißbruch. Dazu kommen Farbabweichungen in Schatten- und Randbereichen. Die mit der Erfindung gelöste Aufgabe besteht also in der Überwindung der genannten Hindernisse für eine genaue Farbmessung: die nicht-ebene und die farblich inhomogene Oberfläche der Prüflinge. Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass anhand von einer oder mehrerer Aufnahmen des Schüttguts mit einer genügend hohen Auflösung zunächst die Bildpunkte (im folgenden ausgewählte Bildpunkte genannt) bestimmt werden können, die zu den farblich homogenen Teilflächen des Schüttguts gehören. Bevorzugt wird hierfür zunächst ein Farbbild, insbesondere ein RGB-Bild, entweder direkt durch Messung erlangt oder aus mehreren Bildaufnahmen berechnet und die Bestimmung der ausgewählten Bildpunkte anhand einer Ballungsanalyse im ein- oder mehrdimensionalen Histogramm des Farbbildes durchgeführt. Mit einer Mittelung der Messwerte dieser ausgewählten Bildpunkte kann dann die Farbe des Schüttguts, insbesondere in einer an das menschliche Sehvermögen angepassten Maßeinheit wie beispielsweise Lab, und/oder der Farbabweichung zwischen dem Schüttgut und einer Referenzprobe aus den gemittelten Messwerten bestimmt werden.The Problem with the color measurement at the bulk material lies in the fact that the surface the examinees neither is it even, nor is it homogeneous in color. Inhomogeneous is the color e.g. in plastic granules due to the different surface properties at the cut surfaces and the lateral surfaces the granules or as a result of white fracture. There are also color deviations in shadow and border areas. The problem solved by the invention is thus in overcoming the obstacles to a precise color measurement: the non-level and the color inhomogeneous surface the examinees. The present invention is based on the finding that based of one or more shots of the bulk material with a sufficiently high Resolution first the Pixels (in the following selected pixels can be determined) which belong to the color-homogeneous partial surfaces of the bulk material. Prefers will do this first a color image, in particular an RGB image, either directly by measurement obtained or calculated from multiple images and the determination the selected one Pixels based on an agglomeration analysis in one- or multi-dimensional Histogram of the color image performed. With an averaging of Readings of these selected Pixels can then be the color of the bulk material, especially in one to the human eyesight adjusted unit like for example, Lab, and / or the color deviation between the bulk material and a reference sample can be determined from the averaged measured values.
Mit der Erfindung lässt sich eine automatisierte Farbbestimmung realisieren, die z.B. während der laufenden Produktion regelmäßig mit geringer Zeitverzögerung kontrolliert, ob die Produkte bzw. Zwischenprodukte wie Kunststoffgranulat die vorgegebene Farbe aufweisen oder nicht.With of the invention realize an automated color determination, e.g. during the regular production with small time delay controls whether the products or intermediates such as plastic granules have the given color or not.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgendend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:preferred embodiments The present invention will be described below with reference to FIG the accompanying drawings explained in detail. Show it:
Der wichtigste Unterschied gegenüber handelsüblichen Spektrometern besteht darin, dass von den Prüflingen ein hoch aufgelöstes Bild aufgenommen wird, z.B. mit Hilfe einer farbtüchtigen Zeilenkamera oder einer Flächenkamera. Die Ortsauflösung liegt dabei z.B. bei 60μm pro Bildpunkt. Dann entfallen zum Beispiel auf ein Granulatkorn von 3mm Kantenlänge ca. 2500 Bildpunkte; bei 100 aufgenommenen Körnern hat man etwa 250000 zum Granulat gehörige Bildpunkte. In dem gewonnenen Bild erscheinen die Zylinderflächen der Granulate infolge der diffusen Beleuchtung weitgehend unabhängig von der Neigung der Oberflächenelemente in gleicher Farbe; der Hintergrund, die Schnittflächen, Weißbruch, Schatten- und Randbereiche erscheinen in abweichenden Farben.Of the most important difference commercial Spectrometers is that of the specimens a high-resolution image is recorded, e.g. with the help of a color-capable line scan camera or a Area camera. The spatial resolution is while e.g. at 60μm per pixel. Then account for example, a granule of 3mm edge length about 2500 pixels; with 100 received grains one has about 250,000 to Granules belonging Pixels. In the image obtained, the cylindrical surfaces of the Granules due to the diffuse lighting largely independent of the inclination of the surface elements in the same color; the background, the cut surfaces, white break, shadow and border areas appear in different colors.
Die
Farbe des Schüttguts
wird erfindungsgemäß durch
Auswertung des erlangten Farbbildes ermittelt. Dazu wird zunächst das
ein- oder mehrdimensionale Histogramm der Farbwerte des Bildes bestimmt.
Bevorzugt wird ein RGB-Farbbild verwendet, so dass sich ein dreidimensionales
Histogramm mit den drei Dimensionen der Farbauszüge R, G und B ergibt.
Für die Kennzeichnung von Farben werden meist die an das menschliche Wahrnehmungsvermögen angepaßten Maßeinheiten L*a*b* (CIE) verwendet. Eine genaue Bestimmung der Lab-Werte an nicht selbst leuchtenden Körpern erfordert im allgemeinen eine Messung des Remissionsspektrums der Probe über den gesamten Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes. Je nach Einsatzbereich und Anforderungen an die Genauigkeit der Farbmessung können aber auch Näherungslösungen ausreichend sein. Dementsprechend wird das o.g. Prinzip der Farbmessung erfindungsgemäß auf unterschiedliche Weise realisiert. Im folgenden werden drei Ausführungsbeispiele beschrieben. Für alle beschriebenen Realisierungen gilt, dass damit nicht unbedingt die absoluten Farbwerte in Lab bestimmt werden müssen. In der Praxis genügt es meist, wenn die Farbabweichung zwischen einer Probe und einer Referenzprobe in Lab angegeben werden kann.For the labeling of colors are usually the units adapted to human perception L * a * b * (CIE). An accurate determination of the Lab values is not even glowing bodies generally requires a measurement of the reflectance spectrum of the sample over the entire wavelength range of visible light. Depending on the application and requirements However, approximate solutions may suffice for the accuracy of the color measurement. Accordingly, the o.g. Principle of color measurement according to the invention in different ways realized. In the following three embodiments will be described. For all described realizations, that is not necessarily the absolute Color values must be determined in Lab. In practice, it usually suffices if the color deviation between a sample and a reference sample can be specified in Lab.
Bildaufnahme mit farbtüchtiger Kameraimage capture with colorado camera
Bei
Einsatz von farbtüchtigen
Kameras als Sensor in
Vorteil dieser Ausführung ist die einfache und kostengünstige Realisierung. Weiterhin ist vorteilhaft, dass sich in sehr kurzer Zeit eine große Anzahl von Messwerten erfassen lassen, z.B. 20 Millionen RGB-Werte pro Sekunde. Nachteil ist, dass die Umrechnung der RGB-Werte in Lab-Werte vom Prinzip her nicht eindeutig ist und es deshalb immer kritische Farben gibt, bei denen die Messung unbefriedigende Ergebnisse liefert. Der Grund dafür liegt in der schlechten spektralen Auflösung der Messungen (lediglich drei integrale Werte: R, G und B).advantage this version is the simple and inexpensive Realization. It is also advantageous that in a very short time Time a big one Measure the number of readings, e.g. 20 million RGB values per second. Disadvantage is that converting the RGB values into Lab values is not unique in principle and therefore always critical colors where the measurement gives unsatisfactory results. The reason for this lies in the poor spectral resolution of the measurements (only three integral values: R, G and B).
Bildaufnahme mit Grautonkamera, Beleuchtung durch geblitzte LEDsImage capture with gray-tone camera, Illumination by flashed LEDs
Bei
dieser Realisierung ist der Sensor in
Diese Realisierung ist ein Kompromiß zwischen der oben genannten ersten und der folgenden dritten Realisierung im Hinblick auf Ortsauflösung (Zahl der pro Zeiteinheit erfassten Bildpunkte) und spektraler Auflösung.These Realization is a compromise between the above first and third implementation with regard to spatial resolution (number the pixels captured per unit of time) and spectral resolution.
Bildaufnahme mit einem bildgebenden Spektrometerimage capture with an imaging spectrometer
In
dieser Realisierung ist der Sensor in
Analog zum Vorgehen in der zweiten Realisierung wird aus den primär gewonnenen Spektralbildern zunächst ein RGB-Bild berechnet. Daraus werden (wie oben beschrieben) durch Ballungsanalyse diejenigen Bildpunkte ermittelt, die die Farbe des Schüttguts repräsentieren. Diese Bildpunkte werden in den Spektralbildern markiert und aus den markierten Spektren wird ein mittleres Spektrum berechnet. Mit dem mittleren Spektrum sind die Kennwerte für die Farbe des Schüttguts in Lab eindeutig bestimmt (siehe Definition des L*a*b*-Farbraumes in CIE 1964 und DIN 5033 DIN 6174).Analogous to proceed in the second realization is derived from the primary Spectral images first calculates an RGB image. From this (as described above) by Constraint analysis determines those pixels that represent the color of the bulk material. These pixels are marked in the spectral images and off The marked spectra are calculated using a mean spectrum. With in the middle spectrum are the characteristic values for the color of the bulk material in Lab uniquely determined (see definition of L * a * b * color space in CIE 1964 and DIN 5033 DIN 6174).
Vorteil dieser dritten Realisierung ist die hohe spektrale Auflösung der Messwerte. Damit ist es möglich, für jede beliebige Farbe die entscheidenden Kenngrößen in Lab eindeutig zu bestimmen.advantage This third realization is the high spectral resolution of the Readings. This makes it possible for every Any color to clearly determine the key parameters in Lab.
Von Nachteil ist der höhere apparative Aufwand für das bildgebende Spektrometer und eine relativ lange Zeit für die Datenerfassung. Bei gleicher Datenrate des Sensors müssen wesentlich größere Datenmengen erfasst werden. Im Vergleich zur ersten Realisierung sind es z.B. 120 Messwerte pro Oberflächenelement anstatt von drei Messwerten.From Disadvantage is the higher apparative effort for the imaging spectrometer and a relatively long time for data acquisition. At the same data rate of the sensor, much larger amounts of data must be available be recorded. Compared to the first realization, e.g. 120 measured values per surface element instead of three readings.
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