DE102005036421A1

DE102005036421A1 - Verfahren zum automatischen Bestimmen der exakten Position von Passermarken

Info

Publication number: DE102005036421A1
Application number: DE102005036421A
Authority: DE
Inventors: David J. Coumou
Original assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2025-07-30
Also published as: DE102005036421B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Bestimmen der exakten Position von Passermarken. Dabei wird wenigstens ein Teil einer Passermarke digital erfasst. Anschließend werden die Kanten von wenigstens einem Bestandteil der erfassten Passermarke ermittelt und jeweils beidseitig des Bestandteils werden Gradienten der Kanten gebildet. Aus diesen Gradienten wird die exakte Position der Passermarke abgeleitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Erfassen von Passermarken.
Derartige Passer- oder Registermarken werden zur Kontrolle und Steuerung von vielfältigen Arbeitsprozessen, insbesondere zum automatischen Positionieren von Druckplatten eingesetzt. Üblicherweise werden die Druckplatten bei Druckmaschinen automatisch gewechselt. Um einen hochwertigen Druck zu gewährleisten, müssen diese Druckplatten nach dem Wechsel auf der Trommel oder einer sonstigen Unterlage mit einer im μm-Bereich liegenden Genauigkeit positioniert werden. Hierfür sind auf der Druckplatte Passer- oder Registermarken angebracht, auf dem Untergrund befinden sich zugehörige Passerstifte. Die Positionen von Passermarken und Passerstiften müssen jeweils bestimmt und miteinander verglichen werden. Dies gibt Aufschluss über die Positionierung der Druckplatte relativ zum Untergrund und dient als Basis für die genaue Ausrichtung der Druckplatte.
Auch im Bereich der Herstellung und Kontrolle von hochpräzisen Werkzeugen, z.B. für Spritzgussverfahren, wird mit derartigen Marken gearbeitet, um die exakte Position des zu bearbeitenden Werkzeuges zu erfassen.

Aus der DE 103 45 290 A1 ist ein System zum Erfassen von Passermarken bekannt. Hier werden Passermarken und Passerstifte an der Druckwalze mittels einer CCD- oder CMOS-Kamera aufgenommen und zur Positionierung verwendet. Um die Position der Passermarken möglichst exakt bestimmen zu können, sind die Passermarken jeweils in Form eines Matrix-Codes realisiert. So mit ist dieses Verfahren jedoch an eine bestimmte Art von Passermarken gebunden und kann für einfachere Passermarken nicht verwendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereit zu stellen, welches die Position von Passermarken hochpräzise bestimmt und für verschiedene Passer- oder Registermarken geeignet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient der hochpräzisen Bestimmung der Position von Passer- oder Registermarken welche mit einer elektronischen Kamera digital erfasst werden. Die Kanten wenigstens eines Bestandteils der Passermarke werden detektiert und der Anstieg der Pixelintensität am Ort der Kanten wird bestimmt. Um die exakte Position eines Abschnitts der Passermarke zu bestimmen, werden in die den Abschnitt begrenzenden sich gegenüberliegenden Intensitätsanstiege Vektorflächen eingepasst. Die Schnittlinie dieser angenäherten Vektorflächen legt dann die exakte Position des betrachteten Abschnitts der Passermarke fest. Dadurch dass zur Positionsbestimmung der Passermarke der Anstieg an der Kante eines Abschnittes und nicht der Abschnitt selbst, der beliebig unscharf sein kann, verwendet wird, ist eine hochpräzise Positionsbestimmung möglich. Auch wenn die Aufnahme nicht extrem hochauflösend war oder die Passermarke keine besonders komplexe oder präzise Ausgestaltung hat, welche sich an sich schon zu einer exakten Positionsbestimmung eignet oder wenn der Kontrast zwischen Untergrund und Passermarke nicht besonders hoch ist oder nur ein Teil der Passermarke erfasst wurde ermöglicht dieses erfindungsgemäße Verfahren eine exakte Positionsbestimmung. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird immer eine exakte, subpixelgenaue Linie für die Position eines Abschnitts abgeleitet, auch wenn der Abschnitt an sich nur ein unscharfes, keinen exakten Ort festlegende Gebilde ist, weil er beispielsweise in jeder Dimension mehrere Pixel umfasst.

Die Erfindung kann für verschiedenste Arbeitsschritte verwendet werden, bei denen die Position eines Werkstücks mit darauf angebrachten Passermarken kontrolliert und korrigiert werden soll.

Besonders vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Positionierung von Druckplatten in Druckmaschinen mit automatischer Plattenausrichtung eingesetzt.

Besonders vorteilhaft kann dieses Verfahren verwendet werden, falls die zu erfassende Passermarke linienförmige, zumindest abschnittsweise gerade Bestandteile aufweist, die sich zur erfindungsgemäßen Positionsbestimmung einsetzen lassen. Die Kanten solcher linienförmigen Bestandteile lassen sich besonders vorteilhaft durch Gradientenebenen annähern welche dann eine Gerade als Schnittlinie beschreiben, die die exakte Position des jeweiligen linienförmigen Bestandteils der Passermarke und damit die Position der Marke an sich wiedergeben.

Besonders dann, wenn Bestandteile einer Passermarke sich schneidende linienförmige Bestandteile aufweisen, deren zur Positionsbestimmung ermittelten Schnittgeraden sich wiederum in einem Punkt schneiden, kann durch diesen Schnittpunkt eine hochpräzise subpixelgenaue Positionsangabe für die Passermarke vorgenommen werden.

Der Schnittpunkt zweier Schnittgeraden zweier Gradientenebenen definiert nämlich in eindeutiger und genauester Weise mathematisch sauber und hochpräzise eine exakte Position.

Vorteilhafterweise werden die Schnittgeraden für verschiedene Bestandteile der Passermarke parallel bestimmt. Hierdurch kann das Verfahren maßgeblich beschleunigt werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die an den Anstieg der Kanten angenäherten Flächen oder Ebenen mittels der Methode der kleinsten Quadrate gebildet. Mittels dieses Verfahrens lassen sich die Flächen bzw. Ebenen besonders schnell und zuverlässig bestimmen.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die zu ermittelnde Passermarke mittels einer Lichtquelle beleuchtet und das von der Marke reflektierte Licht mittels einer CCD oder einem CMOS-Chip einer digitalen Kamera erfasst. Da es sich als für die Positionsbestimmung sehr wichtig erwiesen hat eine Aufnahme zu haben, bei der der Kontrast zwischen der zu bestimmenden Passermarke und dem Untergrund möglichst groß ist, wird für das Aufnahmeverfahren die Lichtmenge bezüglich des zu erreichenden Kontrastes optimiert. Die ermittelte zu beaufschlagende Lichtmenge kann dann vorteilhafter Weise über die Lichtquelle gesteuert werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine in ihrer Intensität oder der Belichtungszeit steuerbare Lichtquelle, wie z.B. LEDs, eingesetzt wird. Die für die Aufnahmequalität als optimal ermittelte Lichtmenge lässt sich aber auch über die Ansteuerung des CCDs oder CMOS-Chips der Kamera steuern. Dies kann beispielsweise durch die Wahl der Integrationszeit und/oder der Auflösung geschehen. Selbstverständlich können verschiedene Methoden zur Steuerung der Lichtmenge vorteilhaft miteinander kombiniert werden.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die optimale zu beaufschlagende Lichtmenge aus der Standardabweichung der Pixelintensitäten abzuleiten. Die Standardabweichung erreicht dann ein Maximum, wenn der Kontrast zwischen Passermarke und Hintergrund besonders groß ist. Damit wurde mit der Standardabweichung eine Größe gefunden, die sich hervorragend als Maß für eine optimale Belichtung eignet. Besonders vorteilhaft ist, dass die Standardabweichung einfach abgeleitet werden kann, was für die angestrebten Anwendungen des Verfahrens notwendig ist, um eine schnelle Analyse und damit eine schnelle Steuerung innerhalb des Arbeitsvorganges zu gewährleisten.

Zur Bestimmung eines Maximums dieser Standardabweichung wird vorteilhafter Weise ein sequenzieller Suchalgorithmus verwendet. Hier hat sich insbesondere der Fibonacci Suchalgorithmus als sehr hilfreich erwiesen. Dieser Algorithmus ist in dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders vorteilhaft anwendbar, da er sehr schnell und in einer definierten Zeit abgeschlossen ist, was insbesondere für eine Echtzeitanwendung wie die Positionsbestimmung von Passermarken für die Ausrichtung von Druckplatten notwendig ist.

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche dazu dient das Verfahren schnell zu machen, besteht darin, bereits das Erfassen der Passermarke zeitlich zu optimieren, indem die Passermarke erst einmal in einem sehr nieder aufgelösten Datensatz gesucht wird und die Auflösung des Datensatzes iterativ erhöht wird, sobald die Passermarke gefunden wurde. Hierdurch ist es nicht notwendig eine sehr hoch aufgelöste Aufnahme der ganzen Region, in der sich die Passermarke befinden könnte, zu machen und zu bearbeiten. Eine aufwändige sehr hoch aufgelöste Aufnahme ist nur zur Bestimmung der exakten Position der Passermarke, und damit nur für einen kleinen Ausschnitt bzw. Datensatz, notwendig.

Um die auf dem Werkstück aufgebrachte Passermarke in einem Anfangsschritt überhaupt zu finden, wird vorteilhafter Weise eine Faltung der aufgenommenen Daten mit einem Template der Passermarke vorgenommen. Auch dies ist ein sehr zuverlässiges und sehr schnelles Verfahren, was im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders vorteilhaft eingesetzt werden kann.

Der Bestandteil der Daten, in dem die Passermarke gefunden wurde wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens mittels eines Medianfilters geglättet. Hierdurch kann die Bildqualität erhöht werden, ohne dass dabei die Kanten, welche zur Ermittlung der exakten Position der Passermarke verwendet werden, abgeflacht würden.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht also darin, Gradienten der Kanten von Bestandteilen von Passer- oder Registermarken zu verwenden, um die Position dieser Marken hochpräzise zu bestimmen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die genannten vorteilhaften Ausführungsformen und Algorithmen beschränkt. An Stelle von linienförmigen Bestandteilen der Passermarke lassen sich auch andere geometrische Anteile wie beispielsweise Quadrate oder Punkte oder sonstige freie Formen verwenden. Quadrate könnten ebenso gut durch zwei Ebenen an ihren Kanten angenähert und somit durch eine Gerade bestimmt werden, während Punkte beispielsweise durch einen Kegel an ihren Kanten angenähert werden könnten. Hier sind verschiedenste Ausgestaltungen möglich, auch wenn linienförmige geradlinige Bestandteile besonders einfach verwendbar sind. Auch die Optimierung der für die Belichtung zu verwendenden Lichtmenge ist nicht auf das genannte vorteilhafte Ausführungsbeispiel beschränkt. So ließen sich bspw. mittels der Anwendung eines Histogramms der Verteilung der Pixelintensitäten ebenfalls optimale Belichtungsbedingungen für ein gutes Kontrastverhältnis der Aufnahme ableiten. Auch die Suche nach der Passermarke ist nicht auf das besonders vorteilhafte Templateverfahren mittels Kreuzkorrelation beschränkt. Man könnte die Passermarke auch finden, indem man gezielt nach Eigenschaften sucht, die der jeweiligen Marke zueigen sind. Hier würden sich beispielsweise die Farbe oder bestimmte geometrische Eigenheiten anbieten.

Die Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 ein Flussdiagramm das den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch darstellt,
2 eine typische Passermarke, und
3 ein Beispiel für ein Steigungsgebirge der Kanten eines Abschnitts einer Passermarke in dreidimensionaler Darstellung.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der 1 an Hand eines Ablauf-Diagrammes schematisch dargestellt. In einem Kalibrierschritt 1, der dem Erfassen der Passermarke für die Positionsbestimmung vorgeschaltet ist, werden die Belichtungsbedingungen für eine qualitativ hochwertige Aufnahmen angepasst. Optimale Beleuchtungsbedingungen erlauben auch die Anforderungen an die Aufnahmeoptik in einem vernünftigen nicht allzu kostenintensiven Rahmen zu halten. Die Lichtmenge, welche für die Aufnahme notwendig ist, wird jeweils individuell für jede Passermarke und den zugehörigen Hintergrund, der durch das Werkstück gegeben ist auf dem die Passermarke aufgebracht ist, bestimmt. Um die optimale Lichtmenge zu ermitteln wird für verschiedene Belichtungsbedingungen die Standardabweichung der Pixelintensitäten welche der CCD der Kamera entnommen werden gebildet. Die optimalen Belichtungsbedingungen sind dann gegeben, wenn die Standardabweichung ein Maximum erreicht. Dieses Maximum wird nun an Hand eines sequentiellen Suchalgorithmus ermittelt. Da sie mit einer fest vorgegebenen Anzahl von Iterationen auskommt, wurde die Fibonacci-Suchmethode zum Ermitteln des Maximums der Standardabweichung und damit der geeigneten optimalen Belichtungsbedingungen gewählt. Um diese Belichtungsbedingungen zu realisieren wird die Beleuchtung der Passermarke für die Aufnahme entsprechend angesteuert.
Unter diesen optimierten Aufnahmebedingungen wird nun eine Aufnahme des Gebiets vorgenommen in dem sich die Passermarke befindet.
Auf dem aufgenommenen Datensatz wird eine erste Suche 2 nach der Passermarke vorgenommen. Um Zeit und Rechenkapazität zu sparen wird diese erste Suche 2 nach der Passermarke auf einem nieder aufgelösten Datensatz oder einem groben Raster vorgenommen. Für diesen groben Suchschritt 2 wird eine Kreuzkorrelation zwischen einem Template und den relevanten Aufnahmedaten vorgenommen.
In einem iterativen Verfahren wird in einem Prüfschritt 3 immer wieder überprüft, ob eine Passermarke mittels dieses groben Suchalgorithmus 2 gefunden werden konnte.
Sobald das Ergebnis der Kreuzkorrelation darauf hindeutet, dass sich in dem untersuchten Gebiet eine Passermarke befindet, wird in einer Feinsuche 4 das fragliche Gebiet mittels einer Kreuzkorrelation auf einem hoch aufgelösten Datensatz untersucht. Hierbei wird die Position der Passermarke in der herkömmlichen Genauigkeit bestimmt.
Sobald die Lage der Passermarke bekannt ist, wird auf dem Datensatz auf dem sich die Passermarke befindet, in einem Filterschritt 5 ein Filter angewendet um die Bildqualität an der relevanten Stelle zu optimieren. Als Filter wird hier ein Medianfilter verwendet, da er sich für diese Anwendung als besonders vorteilhaft erwiesen hat. Medianfilter haben nämlich den Vorteil, dass einzelne Pixel ersetzt werden und dadurch eine Glättung des Bildes bewirkt wird, ohne dass dabei auch die Kanten geglättet werden.
Nach diesem Filterschritt 5 in dem ein Medianfilter angewendet wurde, um den Datensatz mit der Passermarke für die nun folgende hochpräzise Positionsbestimmung optimal vorzubereiten, folgt der Kern des subpixelgenauen Verfahrens zur Bestimmung der Position der Passermarke. Dieses Verfahren kann zeitlich optimiert werden, indem verschiedene Abschnitte oder Bestandteile der Passermarke parallel gesucht werden. Die Verfahrensschritte 6–9 und 10–13 werden also parallel ausgeführt. Prinzipiell ist dies für die Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens aber nicht notwendig, es stellt aber eine Optimierung dar. Prinzipielle können auch alle hochpräzisen Positionsbestimmungen nacheinander erfolgen. Die Verfahrensschritte 6–9 beziehen sich auf die Positionsbestimmung der horizontalen Linie des Kreuzes, welches als Be standteil einer typischen Passermarke innerhalb eines Kreises liegt, wie es in 2 dargestellt ist. Eine typische Passermarke wie sie in 2 dargestellt ist besteht aus einem Kreuz das von einer horizontalen Linie 101 und einer vertikalen Linie 102 gebildet wird, welche senkrecht aufeinander stehen. Das Kreuz wird von einem Kreis 103 umschlossen. Die exakte Position der vertikalen Linie 102 der Passermarke wird in den Verfahrensschritten 10–13 bestimmt, welche im Prinzip den jeweiligen Verfahrensschritten 6–9 entsprechen.
In einem Faltungsschritt 6 wird eine orthogonale Basisfunktion angewandt, um den Gradienten der Kanten zu bestimmen. Das Ergebnis dieser Faltung 6 ist beispielhaft in 3 dargestellt. In den Regionen A, B, C und D ergeben sich jeweils Steigungsgebirge an den Kanten der horizontalen Linie 101 der Passermarke. Die Position der Kanten selbst ist schematisch durch die vier Gitterlinien an den Spitzen der Steigungsgebirge angedeutet.
In den Näherungsschritten 7 und 8 werden mittels der Methode der kleinsten Quadrate Gradientenebenen in die Steigungsgebirge der horizontalen Linie 101 eingepasst. Hierbei wird also jeweils eine Ebene in das Steigungsgebirge C und D und eine weitere in die Steigungsgebirge A und B gefittet.
In einem Zwischenergebnisschritt 9 wird die Schnittgerade festgelegt, in der sich die beiden in den Näherungsschritten 7 und 8 gebildeten Gradientenebenen schneiden. Resultat dieses Verfahrensabschnitts 6–9 ist also eine Gerade, die hochpräzise die Position der horizontalen Linie 101 der Passermarke beschreibt. In adäquater Weise wird in den Verfahrensschritten 10–13 eine Gerade ermittelt, die subpixelgenau die Position der vertikalen Linie 102 der Passermarke wiedergibt.
In einem Ergebnisschritt 14 wird schließlich der Schnittpunkt dieser beiden Schnittgeraden ermittelt. Dieser Punkt beschreibt hochpräzise das Zentrum der in 2 dargestellten Passermarke.
Dieses Verfahren wird immer wieder auf die fortlaufend aufgenommenen Kameraaufnahmen der Passermarke angewandt, bis das Werkstück richtig positioniert ist.

1: Kalibrierschritt
2: Erste Suche
3: Prüfschritt
4: Feinsuche
5: Filterschritt
6: Faltungsschritt
7: Näherungsschritt
8: Näherungsschritt
9: Zwischenergebnisschritt
10: Faltungsschritt
11: Näherungsschritt
12: Näherungsschritt
13: Zwischenergebnisschritt
14: Ergebnisschritt
101: Horizontale Linie
102: Vertikale Linie
103: Kreis

Claims

Verfahren zum automatischen Bestimmen der exakten Position von Passermarken, wobei wenigstens ein Teil eine Passermarke digital erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass Kanten von wenigstens einem Bestandteil (101, 102, 103) der erfassten Passermarke ermittelt und jeweils beidseitig des Bestandteils (101, 102, 103) Gradienten der Kanten gebildet werden und aus den Gradienten die exakte Position der Passermarke abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Position eines Bestandteils (101, 102, 103) der Passermarke die Schnittlinie von zwei Flächen gebildet wird, die an die Gradienten zweier sich gegenüberliegender, den Bestandteil begrenzender Kanten angenähert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass geradlinige Bestandteile (101, 102) der Passermarke zur Bestimmung der Position verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gradienten durch Ebenen angenähert werden und die exakte Position der geradlinigen Bestandteile (101, 102) der Passermarke durch die Schnittgerade der Gradientenebenen bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnittpunkt von Schnittgeraden von horizontalen und vertikalen geradlinigen Bestandteilen (101, 102) verwendet wird, um die exakte Position der Passermarke zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittgeraden der horizontalen und vertikalen geradlinigen Bestandteile (101, 102) parallel bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gradientenflächen oder -ebenen mittels der Methode der kleinsten Quadrate gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Bestandteil (101, 102, 103) der Passermarke zum digitalen Erfassen mittels einer Beleuchtungseinheit beleuchtet und mittels einer digitalen Kamera aufgenommen wird, wobei die zu beaufschlagende Lichtmenge vor dem digitalen Erfassen des wenigstens einen Bestandteils (101, 102, 103) der Passermarke bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beaufschlagende Lichtmenge über die Beleuchtung gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beaufschlagende Lichtmenge über die Aufnahmebedingungen der Kamera gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beaufschlagende Lichtmenge mittels der Standardabweichung der Pixelintensitäten bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung eines Maximums der Standardabweichung ein sequentieller Suchalgorithmus angewandt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung eines Maximums der Standardabweichung der Fibonacci Suchalgorithmus angewandt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ungefähre Position der Passermarke iterativ in zunehmender Auflösung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die ungefähre Position der Passermarke durch Kreuzkorrelation der erfassten Daten mit einer Vorlage ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass erfassten Daten vor der Bestimmung der exakten Position der Passermarke mittelt eines Medianfilters geglättet werden.