DE102005006018B4

DE102005006018B4 - Verfahren zum Bestimmen des genauen Mittelpunktes einer in einen Münzprüfer eingegebenen Münze

Info

Publication number: DE102005006018B4
Application number: DE102005006018A
Authority: DE
Inventors: Manfred Wollny; Klaus Spinnler; Andreas Kuleschow; Robert Schmidt
Original assignee: Walter Hanke Mechanische Werkstaetten GmbH and Co KG
Current assignee: Walter Hanke Mechanische Werkstaetten GmbH and Co KG
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2008-03-27
Anticipated expiration: 2025-02-05
Also published as: ATE403919T1; US20080128243A1; CN101120383B; EP1844450B1; DE102005006018A1; JP2008529180A; DE502006001277D1; WO2006082113A1; JP4864904B2; CN101120383A; EP1844450A1; ES2312112T3

Abstract

Verfahren zum Bestimmen des genauen Mittelpunktes einer in einen Münzprüfer eingegebenen Münze, bei dem mittels einer Sensoranordnung der wahrscheinliche Mittelpunkt bestimmt wird und das Bild der zu prüfenden Münze aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung des Bildes der Münze eine Abwicklung des Randbereichs der Münze entsprechend einer Polartransformation um den wahrscheinlichen Mittelpunkt herum und über ihren wahrscheinlichen Rand hinaus vorgenommen wird, wobei sich bei einer Verschiebung des wahrscheinlichen Mittelpunktes zu dem genauen Mittelpunkt der Rand der Münze als zumindest angenähert sinusförmige Linie abbildet, und dass durch Ermitteln zweier charakteristischer Punkte in der zumindest angenähert sinusförmigen Linie, von denen zumindest einer davon ein Scheitelpunkt ist, unter Verwendung des Phasenwinkels von einem gewählten Startpunkt aus der genaue Mittelpunkt bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des genauen Mittelpunktes einer in einen Münzprüfer eingegebenen Münze nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Aus der WO 2004/075124 A1 ist ein Verfahren zur Erfassung von Münzen bekannt, bei dem das Bild einer Münze von einem Bildsensor aufgenommen wird. Zur Bestimmung der Größe des Aufnahmebereichs, d.h. des Überdeckungsbereichs des Bildsensors durch die Münze wird durch Abtasten des Scheitelpunktes mittels einer Spalte des Bildsensors der Durchmesser der Münze bestimmt. Im bekannten Stand der Technik wird zusätzlich zur Bestimmung des Zeitpunktes die Geschwindigkeit durch Abtastung der vorderen Kante auf einer Zeile in der Mitte der Münze berechnet. Am Überdeckungsbereich wird das Bild der Münze aufgenommen, wobei in einem weiteren Verarbeitungsschritt die Prägungs- oder Mustererkennung durchgeführt wird. Diese Mustererkennung basiert auf der Analyse einer transformierten Abbildung der Münze, bei der die Kreisfläche oder annähernde Kreisfläche der Münze über 360° um den Mittelpunkt abgewickelt wird. Dabei ist wichtig, dass der genaue Mittelpunkt bekannt ist, da eine unpräzise Definition des Mittelpunktes direkt in die Reproduzierbarkeit des genannten Auswertungsverfahrens eingeht. Es hat sich gezeigt, dass die Erfassung des Mittelpunktes entsprechend dem genannten Stand der Technik nicht hinreichend genau ist.
Aus der Veröffentlichung "Circle Recognition Through a 2D Hough Transform and Radius Histogramming" von Dimitrios Joannou et al., Image and Vision Computing 17 (1999) 15–26 ist ein 2-stufiges Verfahren zum Erkennen eines Kreises bekannt. Dabei wird das Zentrum eines Kreises in der Abbildung mittels einer 2D Hough-Transformation aufgefunden und ausschließend der Radius anhand einer Analyse des Radius-Histogramms ermittelt
In der Veröffentlichung "Nahbereichsphotogrammetrie", 2. Auflage, von Thomas Luhmann, Herbert Wichmann Verlag, 2003, S. 420–423 ermitteln strukturelle Messverfahren die einem Objekt zugeordneten relevanten Kanten im Bild und rekonstruieren die geometrische Form des Objekts mit Hilfe einer mathematischen Beschreibung, wobei unter anderem auch ein Suchverfahren für den Mittelpunkt eines Kreises angegeben wird.
In "Machine Vision Theory, Algorithms, Practicalitis", Davies E.R., Academic Press, 1990, S. 170–175 sind Hinweise auf die Verwendung der Polarkoordina tentransformation zur Erzeugung von Kantensignalen zur Objekterkennung offenbart.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen des genauen Mittelpunktes einer in einen Münzprüfer eingegebenen Münze zu schaffen, die ausgehend von der Erfassung des wahrscheinlichen Mittelpunktes entsprechend dem bekannten Stand der Technik den genauen Mittelpunkt ohne besonders großen Auswertungsaufwand zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
Dadurch, dass eine Abwicklung des Randbereichs der Münze um den wahrscheinlichen Mittelpunkt herum und über ihren wahrscheinlichen Rand hinaus vorgenommen wird, ergibt sich bei einer Verschiebung des wahrscheinlichen Mittelpunktes zu dem genauen Mittelpunkt eine Abbildung des Randes als zumindest angenähert sinusförmige Linie, wobei aus der Analyse der zumindest angenähert sinusförmigen Linie unter Verwendung der Amplitude und des Phasenwinkels von einem gewählten Startpunkt der genaue Mittelpunkt bestimmbar ist. Es kann daher mit einem geringen rechnerischen Aufwand durch eine reduzierte Transformation des Randbereichs über den wahrscheinlichen Rand hinweg die präzise Bestimmung des Mittelpunktes vorgenommen werden.
In vorteilhafter Weise wird die Größe der Abweichung bzw. des Versatzes zwischen wahrscheinlichem Mittelpunkt und genauem Mittelpunkt aus der Differenz der größten und kleinsten Amplitude, der Phasenwinkel des Versatzes wird als Mittelwert des Phasenwinkels der größten Amplitude und des Phasenwinkels der Gegenrichtung zur kleinsten Amplitude bestimmt. Der genaue Radius der Münze wird als Summe des inneren Radius des Randbereichs und dem Mittelwert der kleinsten und größten Amplitude bestimmt.
Die Größe der Abweichung bzw. des Versatzes und die Richtung des Versatzes können auch auf andere Weise bestimmt werden, wobei ggf. die Qualität der sinusförmigen Linie einen Einfluss hat.
Beispielsweise kann der Phasenwinkel durch Bestimmung des Ortes der größten oder der kleinsten Amplitude ermittelt werden, die Größe der Abweichung kann aus der Differenz der größten Amplitude mit gegebenen Phasenwinkel und der Amplitude bei einem Phasenwinkel von –90° zum bekannten Phasenwinkel bestimmt werden. Der genaue Radius der Münze kann als Summe des inneren Radius des Randbereichs und der Amplitude bei einem Phasenwinkel von –90° zum Phasenwinkel des Orts der maximalen Amplitude bestimmt werden.
In vorteilhafter Weise lässt sich das erfindungsgemä ße Verfahren auch bei Münzen mit Ecken oder Wellen anwenden, wobei sich der sinusförmigen Linie des Randes der Münze eine Kurve überlagert, deren Periode für die Anzahl der Ecken oder Wellen oder deren Amplitude für die Tiefe der Ecken oder Wellen stehen.
Dabei lässt sich die Größe der Abweichung, der Phasenwinkel und die Anzahl der Wellen oder Ecken einer Münze durch eine Fouriertransformation der transformierten Randlinie ermitteln.
Grundsätzlich liegt die erfinderische Idee darin, dass mit Hilfe einer Polar-Transformation aus einer Randlinie der Münze eine im Wesentlichen sinusförmige Kurve erzeugt wird, mit deren Analyse in einer schnellen und genauen Weise der Mittelpunkt der Münze ermittelt wird. Für die Analyse können neben den schon angegebenen Verfahren andere bekannte Verfahren zur Ermittlung der Parameter der Randlinie verwendet werden.
Neben der exakten Berechnungsform können Näherungen verwendet werden, die für die durch die jeweilige Anwendung gegebenen Randbedingungen, wie Reproduzierbarkeit im Serienprodukt und dgl. ausreichende Ergebnisse liefern.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der Zeichnung in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 die schematische Darstellung einer Münze mit den Koordinaten einer Polartransformation um einen genauen Mittelpunkt A und eines wahrscheinlichen Mittelpunktes B, der relativ zum genauen Mittelpunkt nach rechts unten verschoben ist,
2 die Polartransformation des Randbereichs der Münze
a) um den genauen Mittelpunkt und
b) um den verschobenen wahrscheinlichen Mittelpunkt,
3 eine Münze mit einer gewellten Randkontur,
4 die Abwicklung des Randbereichs der Münze bei einem genauen Mittelpunkt und bei einem verschobenen wahrscheinlichen Mittelpunkt.
Wie schon zum Stand der Technik der WO 2004/075124 A1 beschrieben wurde, kann der Mittelpunkt bzw. der Durchmesser durch das dort offenbarte Verfahren bestimmt werden. Allerdings kann der Durchmesser bzw. der Mittelpunkt auch durch Lichtschranken und Sensoren gefunden werden. Diese Bestimmung ist jedoch für die Mustererkennung mittels Bildaufnahme und Abwicklung der Kreisfläche über 360° um den Mittelpunkt herum, d.h. für eine Polartransformation nicht genau genug. Daher wird dieser Mittelpunkt als wahrscheinlicher Mittelpunkt bezeichnet. Als genauer Mittelpunkt wird der Mittelpunkt bezeichnet, der bei einer Aufnahme der Münze durch einen Bildsensor wirklich vorhanden ist.
In 1 ist eine Münze 1 mit genauem Mittelpunkt A und ein um etwa 45° nach rechts unten um δR verschobener Mittelpunkt B dargestellt, wobei diese Mittelpunkte gleichfalls die Mittelpunkte für eine Polartransformation sind. Für das erfindungsgemäße Verfahren wird, ausgehend von dem wahrscheinlichen Mittel Punkt B und entsprechend dem Durchmesser, eine Polartransformation, d.h. eine Abwicklung des Randbereichs der Münze, vorgenommen, bei der die Polarkoordinaten in kartesische Koordinaten umgewandelt werden. In 2 ist einerseits die Abwicklung des Randbereichs der Münze 1 mit genauem Mittelpunkt A und andererseits um den wahrscheinlichen, um δR verschobenen Mittelpunkt B dargestellt. Dabei wird die Abwicklung, um die Transformation zu beschleunigen, so vorgenommen, dass ein Randbereich betrachtet wird, der nach außen hin von einer Grenzlinie 3 mit einem Radius R2 und nach innen von einer Grenzlinie 2 mit dem Radius R1 begrenzt wird. Mit R_M ist der exakte Radius der Münze 1 und mit R₀ der wahrscheinliche Radius bezeichnet, der beim Einlauf der Münze in den Messbereich ermittelt wird. Die Breite des Randbereichs muss so gewählt werden, dass die Münze mit dem um δR verschobenen Mittelpunkt noch von diesem Randbereich umfasst wird. Daher gilt für die Radien des Randbereichs R1 < R0 – ΔRmax und R2 > R0 + ΔRmax
Dabei ist ΔR_max die Summe der maximal möglichen Fehler beim Bestimmen des wahrscheinlichen Mittelpunktes δR_max und beim Ermitteln des wahrscheinlichen Radius der Münze dR_max ΔRmax = δRmax + dRmax
Bei einer Übereinstimmung des wahrscheinlichen und des genauen Mittelpunktes ergibt der Rand der Münze 1 in der transformierten Darstellung eine gerade Linie 4 entsprechend 2a). Bei einer Abwicklung mit wahrscheinlichem, d.h. verschobenem Mittelpunkt der Polartransformation, ergibt sich für den Rand eine sinusförmige Linie 5 (2b). Die Abwicklung erfolgt im Urzeigersinn und beginnt bei einem Startphasenwinkel Φ = 0.
Ausgehend von dem Startwinkel, der 0° ist, wird nunmehr für die sinusförmige Linie die Amplitude untersucht, und zwar in der Weise, dass das Maximum bzw. das Minimum der Amplitude sowie der zugehörige Phasenwinkel gefunden werden. Dies geschieht durch Vergleich der Differenz der Koordinatenwerte auf der sinusförmigen Linie 5 in vorgegebenen Abständen ausgehend vom Startwinkel.
Aus der Ordinate des Maximums A_max, der Ordinate des Minimums A_min und deren Phasenwinkel lassen sich sowohl der genaue Radius R_M der Münze als auch die Größe der Abweichung bzw. des Versatzes des wahrscheinlichen Mittelpunktes zu den exaktem Mittelpunkt δR und der Phasenwinkel δΦ des Versatzes berechnen, um den Mittelpunkt der Transformation in den exakten Mittelpunkt der Münze zu bringen.
wobei Φ'_min der Phasenwinkel in Gegenrichtung zum Minimum ist. In Bezug auf die 2b lässt sich Φ'_min beispielsweise wie folgt berechnen Φ'_min = Φ_min + π, wobei der Winkel im Radian berechnet wird. R₁ ist hier der innere Radius des Randbereichs (s. 1 und 2).
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch bei Münzen anwendbar, die eine nicht runde Kontur aufweisen, sondern mit Ecken oder Wellen versehen sind. Eine solche Münze ist beispielsweise in 3 dargestellt.
4 zeigt wiederum die Abwicklung des Randbereiches der Münze nach 3, wobei 4a) die Abwicklung um den exakten Mittelpunkt, d.h. die Abwicklung bei der Übereinstimmung der Mittelpunkte der Transformation und des Mittelpunktes der Münze zeigt, während 4b eine Abwicklung um den wahrscheinlichen, verschobenen Mittelpunkt zeigt. Wie in 4 zu erkennen ist, weist die Randkurve sich wiederholende Maxima und Minima auf, wobei ihre Periode P für die Anzahl der Wellen und die Amplitude zwischen Maxima und Minima für die Tiefe T der Kontur steht.
In 4b ist die Randkurve entsprechend 4a einer sinusförmigen Linie überlagert, wobei zur Bestimmung des Versatzes des wahrscheinlichen Mittelpunkts zum exakten Mittelpunkt ein Mittelwert-Filter verwendet wird, mit dem eine abgeglichene glatte Kurve berechnet werden kann. Das Maximum und Minimum wird und die Phasenwinkel werden in analoger Weise, wie oben beschrieben, zur Bestimmung der Größe und Richtung der Abweichung des wahrscheinlichen Mittelpunkts vom exakten Mittelpunkt bestimmt.
Für die Ermittlung der Anzahl der Wellen, deren Tiefe T und der Periode P kann die aktuelle Randlinie (3b) bzw. die Anzahl der Übergänge der aktuellen Randlinie durch die abgeglichene Linie verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Bestimmen des genauen Mittelpunktes einer in einen Münzprüfer eingegebenen Münze, bei dem mittels einer Sensoranordnung der wahrscheinliche Mittelpunkt bestimmt wird und das Bild der zu prüfenden Münze aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung des Bildes der Münze eine Abwicklung des Randbereichs der Münze entsprechend einer Polartransformation um den wahrscheinlichen Mittelpunkt herum und über ihren wahrscheinlichen Rand hinaus vorgenommen wird, wobei sich bei einer Verschiebung des wahrscheinlichen Mittelpunktes zu dem genauen Mittelpunkt der Rand der Münze als zumindest angenähert sinusförmige Linie abbildet, und dass durch Ermitteln zweier charakteristischer Punkte in der zumindest angenähert sinusförmigen Linie, von denen zumindest einer davon ein Scheitelpunkt ist, unter Verwendung des Phasenwinkels von einem gewählten Startpunkt aus der genaue Mittelpunkt bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Abweichung zwischen wahrscheinlichem Mittelpunkt und genauem Mittelpunkt aus der Hälfte der Differenz der größten und kleinsten Amplitude der zumindest angenähert sinusförmigen Linie bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Abweichung zwischen wahrscheinlichem Mittelpunkt und genauem Mittelpunkt aus dem Mittelwert der die Orte der größten und kleinsten Amplitude der zumindest angenähert sinusförmigen Linie angebenden Phasenwinkel bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer mit Ecken oder Wellen versehenen Randkontur einer Münze die zumindest angenähert sinusförmige Linie durch eine die Ecken oder Wellen darstellende Kurve überlagert ist und wobei zur Bestimmung der zumindest angenähert sinusförmigen Linie ein Mittelwert-Filter verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Ecken oder Wellen durch die Anzahl der Maxima und/oder Minima der Gesamtlinie relativ zur gefilterten angenähert sinusförmigen Linie ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die größte Amplitude der sinusförmige Linie in Bezug auf eine Grenzlinie des Abwicklungsbereichs bestimmt wird, und dass der genaue Mittelpunkt unter Heranziehung der Differenz des Wertes der größten Amplitude und des Wertes der Amplitude der sinusförmigen Linie in Bezug auf die Grenzlinie bei dem Phasenwinkel –90° bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der genaue Radius der Münze aus der Summe des Radius der inneren Grenzlinie des Randbereichs und der halben Summe aus der größten und kleinsten Amplitude der zumindest angenäherten sinusförmigen Linie bestimmt wird.