DE102008055949A1

DE102008055949A1 - Optische Erfassungseinheit für Objekte

Info

Publication number: DE102008055949A1
Application number: DE102008055949A
Authority: DE
Inventors: Michael Strobl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-11-05
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2010-05-06
Anticipated expiration: 2028-11-06
Also published as: DE102008055949B4

Abstract

Die erfindungsgemäße optische Erfassungseinheit (1) weist eine digitale Erfassungseinheit (11) mit einem Erfassungsbereich (2) zur Erzeugung eines insbesondere farbigen Abbildes eines darin befindlichen Objektes (4) auf. Sie ist mit einem zusätzlichen Lichtsensor (15), mindestens einer adaptiven Auflichtbeleuchtungseinheit (13) und einer diese Elemente steuernden elektronischen Verarbeitungseinheit (17) ausgestattet. Der Lichtsensor (15) dient zur Erfassung der Istwerte von Farbtemperatur und/oder Intensität des Streulichts (16) in der Umgebung um den Erfassungsbereich (2). Die adaptive Auflichtbeleuchtungseinheit (13) weist steuerbare Farblichtquellen (13a, 13b, 13c) zur Erzeugung von Licht in den Grundfarben eines Farbensystems auf. Die elektronische Verarbeitungseinheit (17) kann damit die steuerbaren Farblichtquellen (13a, 13b, 13c) der adaptiven Auflichtbeleuchtungseinheit (13) abhängig von den Istwerten des Lichtsensors und von Sollwerten für die Farbtemperatur und/oder Intensität der Beleuchtung im Erfassungsbereich der digitalen Erfassungseinheit so ansteuern, dass Schwankungen der Farbtemperatur und/oder Intensität des Streulichtes (16) in der Umgebung des Erfassungsbereiches (2) kompensiert werden.

Description

Bei der automatischen Erfassung bzw. Identifikation von Objekten, z. B. in Anlagen der Fertigungsautomatisierung, Verpackungstechnik und Güterverteilung, werden häufig optische, digitale Erfassungseinheiten eingesetzt. Diese erfassen mit Hilfe einer integrierten digitalen Erfassungseinheit, insbesondere einem Bildverarbeitungssensor, auf optische Weise bestimmte Eigenschaften zu untersuchender Objekte, z. B. Oberflächenfarben oder Konturen. Die erfassten Werte dieser Eigenschaften werden in einer Verarbeitungseinheit mit abgespeicherten Eigenschaften von bekannten Objekten verglichen.
Es ist bekannt bei derartigen Erfassungseinheiten z. B. die Farbanteile auf dem Mantel eines zu untersuchenden Objektes zu erfassen und mit gespeicherten Farbanteilen bekannter Objekte zu vergleichen. Hierdurch kann der Grad der Übereinstimmung der Eigenschaften eines erfassten Objektes mit den bekannten Eigenschaften z. B. einer Bibliothek von gespeicherten Objekten festgestellt und dem vorliegenden Objekt ein bestimmter Objekttyp zugeordnet werden. Abhängig vom Grad der Übereinstimmung bzw. Abweichung können z. B. in bestimmten Anlagenteilen Schalthandlungen ausgelöst oder das erfasste Objekt einer bestimmten Weiterverarbeitung unterworfen werden.
Wie im täglichen Leben wird jedoch der optische Eindruck eines zu detektierenden Objektes auch für digitale Erfassungseinheiten wesentlich von der Intensität und Farbtemperatur des Umgebungsstreulichts am Aufstellungsort des zu Objektes mitbestimmt. Befindet sich die optische Erfassungseinheit z. B. in einer Fertigungshalle, so können die lichttechnischen Bedingungen in einem Erfassungsbereich der digitalen Erfassungseinheit, durch den zu detektierende Objekte z. B. mit Hilfe eines Bandes hindurchgefördert werden, unterschiedlichen Einflüssen ausgesetzt sein. So kann der optische Eindruck von Objekten, die sich im Erfassungsbereich befinden, abhängig von der Tages- bzw. Jahreszeit durch eine schwankende Intensität, Farbverteilung bzw. Farbtemperatur einfallender Sonnenstrahlung beeinflusst werden. Weitere Einflüsse können ausgehen von umgebenden Gebäudebestandteilen, z. B. Wänden, Decken, aber auch von benachbarten Geräten, die eventuell nur temporär in Betrieb sind. Schließlich können auch Schatten oder Streulicht, die z. B. durch spontan am Erfassungsbereich der optischen Erfassungseinheit vorbeibewegte Objekte hervorgerufen werden, erhebliche Einflüsse ausüben.
Es tritt somit das Problem auf, dass auf Grund von Schwankungen des Umgebungsstreulichts im Erfassungsbereich der Erfassungseinheit der optische Eindruck eines dort befindlichen, zu detektierenden Objektes so starken Veränderungen ausgesetzt sein kann, dass eine Erfassung von optischen Eigenschaften des Objektes und damit eine Identifikation desselben nicht mehr mit der gewünschten Genauigkeit möglich ist.
Zur Lösung dieses Problems ist es bekannt Objekte im Erfassungsbereich einer optischen Erfassungseinheit mit z. B. standardisiertem Weisslicht zu bestrahlen. Hierzu können künstliche Lichtquellen eingesetzt werden, welche eine möglichst definierte Farbtemperatur und stabile Helligkeitsverhältnisse aufweisen. Eine solche künstliche Lichtquelle kann in Form einer Auflichtbeleuchtungseinheit ausgeführt sein, welche z. B. Weißlicht emittierende Leuchtdioden oder spezielle Leuchtstofflampen enthält. Auf diese Weise wird versucht, natürliches oder künstliches Umgebungsstreulicht zu überstahlen und somit für die optische Erfassungseinheit zu neutralisiert, so dass dieses nur noch geringe störenden Einflüsse auf die Erfassungsgüte entfaltet.
So werden z. B. von der SIEMENS AG zur automatischen Prüfung farbiger Objekte kompakte Bildverarbeitungssensoren, Farbflächensensoren genannt, vom Typ MV220 angeboten. Diese optischen Erfassungseinheiten sind in verschiedenen Applikationen z. B. der Fertigungstechnik oder Verpackungs- und Nahrungsmittelindustrie einsetzbar. Als digitale Erfassungseinheit zur Erzeugung von Objektabbildern verfügen diese Geräte über eine Digitalkamera mit stufenlos verstellbarem Objektiv und einem CMOS-Chip zur Farbauswertung. Umgebungsstreulicht kann in vielen Anwendungsfällen mittels einer integrierten Weißlicht-Beleuchtungseinheit neutralisiert werden.
Es hat sich in der Praxis jedoch in Ausnahmefällen gezeigt, dass eine derartige konstante Auflichtbeleuchtungseinheit in einer optischen Erfassungseinheiten zur Neutralisierung von Umgebungsstreulicht nicht in jedem Falle ausreichend ist.
So kann z. B. eine unerwartet starke Zunahme der Intensität bzw. Schwankung der Farbtemperatur des Umgebungsstreulichts an der Messstelle von der Auflichtbeleuchtungseinheit der digitalen Erfassungseinheit unter Umständen nicht mehr vollständig kompensiert werden. Solche Situationen können z. B. bei einem plötzlichen Zuschalten von künstlicher Beleuchtung in einer Fertigungshalle, etwa im Falle des Auftretens einer Fehler- oder Notsituation in einem Fertigungsabschnitt, hervorgerufen werden. Problematisch sind auch allmähliche, d. h. schleichende Veränderungen in der Intensität des Streulichtes oder farbliche Gestaltungen in der Umgebung der optischen Erfassungseinheit. Diese können z. B. durch Umbaumaßnahmen oder einer Veränderung des Aufstellungsortes der optischen Erfassungseinheit hervorgerufen werden, wie z. B. Gebäudesanierungsmaßnahmen aller Art, der Aufstellung weiterer Fertigungs- bzw. Messeinrichtungen in unmittelbarer räumlicher Nähe, der Verlagerung der optischen Erfassungseinheit z. B. in einen Fensterbereich u. v. m. Aber auch Alterungen der in einer Auflichtbeleuchtungseinheit eingesetzten Leuchtmittel können derartige Veränderungen hervorrufen.
In solchen Fällen muss u. U. die optische Erfassungseinheit häufiger neu kalibriert werden. Ein solcher Vorgang wird auch als „neu einlernen” bzw. „teachen” bezeichnet. Eine solche Kalibrierung ist nicht nur aufwendig. Eine besondere Schwierigkeit wird darin gesehen den Zeitpunkt zu erkennen, ab dem sich die optischen Bedingungen im Erfassungsbereich unzuläs sig stark geändert haben und die Durchführung einer Kalibrierung der optischen Erfassungseinheit zur Wiedererlangung von deren voller Erfassungsgüte notwendig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine optische Erfassungseinheit derart weiterzubilden, dass die oben beschriebenen und von Veränderungen des Umgebungsstreulichtes ausgehenden Beeinträchtigungen der Erfassungsgüte vermieden werden können.
Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die optische Erfassungseinheit, welche eine digitale Erfassungseinheit mit einem Erfassungsbereich zur Erzeugung eines insbesondere farbigen Abbildes eines im Erfassungsbereich befindlichen Objektes aufweist, mit einem zusätzlichen Lichtsensor, mindestens einer adaptiven Auflichtbeleuchtungseinheit und einer diese Elemente steuernden elektronischen Verarbeitungseinheit ausgestattet wird.
Der Lichtsensor dient dabei zur Erfassung der Istwerte von Farbtemperatur und/oder Intensität des Streulichtes in der Umgebung um den Erfassungsbereich der digitalen Erfassungseinheit. Die adaptive Auflichtbeleuchtungseinheit weist erfindungsgemäß steuerbare Farblichtquellen zur Erzeugung von Licht in den Grundfarben eines Farbensystems auf. Es nun ist möglich, dass die elektronische Verarbeitungseinheit die steuerbaren Farblichtquellen der adaptiven Auflichtbeleuchtungseinheit abhängig von den Istwerten des Lichtsensors und von Sollwerten für die Farbtemperatur und/oder Intensität der Beleuchtung im Erfassungsbereich der digitalen Erfassungseinheit so ansteuert, dass Schwankungen der Farbtemperatur und/oder Intensität des Streulichtes in der Umgebung des Erfassungsbereiches kompensiert werden.
Eine gemäß der Erfindung erweiterte optische Erfassungseinheit bietet eine Vielzahl von Vorteilen.
Hiermit ist es zum einen möglich, die Farbtemperatur und/oder Intensität der Beleuchtung im Erfassungsbereich der Einheit abhängig von vorgegebenen Sollwerten nahezu uneingeschränkt so vorzugeben, dass die Erkennungsgenauigkeit von unterschiedlichen Objekten, welche sich in dem Erfassungsbereich befinden, erheblich gesteigert werden kann. So kann der Sollwert für die Farbtemperatur gemäß anwendungsabhängigen Messanforderungen individuell vorgegeben werden. Die Farblichtquellen können dann beispielsweise so angesteuert werden, dass in den Erfassungsbereich entweder ein weitgehend weißes oder auch ein beliebig getöntes Mischlicht eingestrahlt wird. Hiermit können ausgewählte Oberflächenfarben von zu untersuchenden Objekten gezielt verstärkt oder auch neutralisiert werden. Weiterhin kann auch der Sollwert für die Beleuchtungsintensität mit Rücksicht auf anwendungsabhängige Messanforderungen individuell vorgegeben werden. Es ist damit möglich, die Bestrahlungsstärke von zu untersuchenden Objekten abhängig deren Reflexionseigenschaften geeignet zu adaptieren. Im einfachsten Falle können glänzende Objekte weniger stark bzw. matte Objekte stärker bestrahlt werden.
Es können also bestimmte Objekte in einem Strom bzw. einer Menge von Objekten identifiziert werden, welche bekannte Erkennungsmerkmale aufweisen, z. B. eine bestimmte Kontur oder eine oder mehrere dominierende Farben auf der Mantelfläche. In diesem Falle können die Sollwerte für Farbtemperatur und/oder Beleuchtungsstärke der steuerbaren Farblichtquellen in der adaptiven Auflichtbeleuchtungseinheit so vorgegeben werden, dass die Detektierbarkeit der bekannten Erkennungsmerkmale für die digitale Erfassungseinheit durch die Ansteuerung der Farblichtquellen verbessert wird. So kann beispielsweise durch Vorgabe der Sollwerte für die Farblichtquellen die Farbzusammensetzung des auf ein Objekt im Erfassungsbereich gerichteten Lichtes gezielt eingestellt werden. So kann unter Umständen die Kontur eines Objektes besser detektiert werden, wenn dieses durch die Farblichtquellen mit Licht angestrahlt wird, welches einen von der Mischfarbe Weiß abweichenden Farbton aufweist. Hierdurch können gezielt ver schiedene Kontrastverhältnisse hervorgerufen werden. Weiterhin kann das von den Farblichtquellen abgegebene Licht auch so eingestellt werden, dass von der digitalen Erfassungseinheit bestimmte Farbobjekte besser erkannt werden. In einem solchen Fall kann das Objekt z. B. mit einer Komplementärfarbe beleuchtet werden.
Zusätzlich zu diesen Einstellmöglichkeiten erfolgt erfindungsgemäß eine Nachführung der Beleuchtungsstärke und/oder Farbzusammensetzung der Auflichtbeleuchtungseinheit in Abhängigkeit der vom Lichtsensor überwachten Umgebung. Hierdurch werden Schwankungen der Lichtverhältnisse in der Umgebung des Erfassungsbereiches durch Adaption der jeweiligen Sollwerte für Farbtemperatur und/oder Intensität so kompensiert, dass die gewünschten Beleuchtungsverhältnisse im Erfassungsbereich konstant bleiben. Es muss somit kaum mehr eine Neukalibrierung der erfindungsgemäßen optischen Erfassungseinheit vorgenommen werden.
Bei einer beispielhaften Ausführung der Erfindung kann die Erfassung dadurch erfolgen, dass von der digitalen Erfassungseinheit, welche vorteilhaft in Form einer Digitalkamera mit CMOS-Chip ausgeführt ist, die Farben auf dem Mantel eines im Erfassungsbereich befindlichen und zu erfassenden Objektes aufgenommen werden. Die elektronische Verarbeitungseinheit kann die erfassten Farbwerte mit Datensätzen vergleichen, die in der Erfassungseinheit gespeichert sind. In diesen sind z. B. die Oberflächenfarben von bekannten Referenzobjekten hinterlegt. Die Verarbeitungseinheit kann nun den Grad der Übereinstimmung erfasster Farbwerte mit den gespeicherten, einzelnen Referenzobjekten zugeordneten Oberflächenfarben bestimmen. Hieraus ist es z. B. einem Nutzer möglich zu entscheiden, ob das jeweils im Erfassungsbereich befindliche Objekt einem bekannten Referenzobjekt entspricht oder nicht. Je nach Ausführung der elektronischen Verarbeitungseinheit kann eine solche Zuordnung, eventuell ergänzt um einen Wahrscheinlichkeitswert, auch automatisch vorgenommen werden.
Bei einer vorteilhaften weiteren Ausführung der erfindungsgemäßen Erfassungseinheit ist der Lichtsensor als ein RGB-Sensor ausgeführt und die steuerbaren Farblichtquellen der adaptiven Auflichtbeleuchtungseinheit strahlen Licht in den Grundfarben des RGB-Farbensystems in den Erfassungsbereich ein. In diesem Fall können als steuerbare Farblichtquellen z. B. dimmbare Leuchtdioden eingesetzt werden, welche Licht in den Grundfarben rot (R), gelb (G) und blau (B) abstrahlen. Darüber hinaus ist es nicht ausgeschlossen, dass die Komponenten der optischen Erfassungseinheit Licht unter zu Hilfenahme eines anderen Farbensystems verarbeiten, z. B. dem CMY, CMYK oder HSV Farbensystem.
Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung wird nachfolgend an Hand einer in der beiliegenden Figur dargestellten optischen Erfassungseinheit 1 näher erläutert.
Die beispielhafte optische Erfassungseinheit 1 weist ein Gehäuse 10 auf, bei dem sich auf zumindest einer Außenseite eine Digitalkamera 11 als digitale Erfassungseinheit und eine adaptive Auflichtbeleuchtungseinheit befinden. Bei dem in der Figur dargestellten Beispiel handelt es sich um die nach unten, in Richtung auf eine Oberfläche bzw. ein Förderband 3 gerichtete Außenseite des Gehäuses 10. Vorteilhaft ist die Digitalkamera 11 in Form eines CMOS-Chips mit stufenlos verstellbarem Objektiv ausgeführt und etwa in der Mitte der unteren Außenseite platziert. Die digitale Erfassungseinheit 11 ist vorteilhaft auf beiden Seiten von einer ersten bzw. zweiten adaptiven Auflichtbeleuchtungseinheit 13, 14 flankiert. Der Raum zwischen Digitalkamera 11 bzw. den Auflichtbeleuchtungseinheiten 13, 14 und der Oberfläche des Förderbandes 3, auf dem sich in der Figur ein beispielhaftes, zu erfassendes Objekt 4 mit z. B. farbigen Oberflächen befindet, stellt den Erfassungsbereich 2 der Erfassungsvorrichtung 1 dar.
Erfindungsgemäß weist die erste Auflichtbeleuchtungseinheit 13 einzeln ansteuerbare Farblichtquellen 13a, 13b, 13c auf, welche in der Helligkeit einstellbares Licht jeweils in der Grundfarbe eines ausgewählten Farbensystems abgeben. Bei dem in der Figur dargestellten Beispiel handelt es sich vorteilhaft um RGB-Leuchtdioden, welche Licht in den Farben Rot, Grün, Blau abstrahlen. Dies ist in der Figur durch Pfeile symbolisiert. Die zweite Auflichtbeleuchtungseinheit 14 ist entsprechend aufgebaut. Mit Hilfe dieser einzeln ansteuerbaren Leuchtdioden ist es möglich, das Licht im Erfassungsbereich 2, also das auf die Oberfläche 41 des darin befindlichen Objektes 4 auftreffende und davon bis zur Digitalkamera 11 wieder reflektierte Licht, sowohl im Farbton als auch in der Helligkeit beliebig anzupassen.
Hierzu ist im Gehäuse 10 der Erfassungseinheit 1 eine elektronische Verarbeitungseinheit 17 vorhanden, welche vorteilhaft eine zusätzliche Datenschnittstelle 18, insbesondere eine digitale Prozessbusschnittstelle, aufweisen kann. Diese nimmt über einen internen Datenbus die Bildsignale der digitalen Erfassungseinheit 11 insbesondere zum Zwecke einer digitalen Auswertung entgegen. Hierzu werden von der Verarbeitungseinheit 17 die in den Bildinformationen enthaltenen Farbanteile bestimmt und mit bekannten Farbanteilen von bekannten Objekten verglichen, welche in einer Bibliothek hinterlegt sind. Sowohl mögliche Bibliotheksdaten als auch Auswertungsergebnisse können von der Verarbeitungseinheit 17 über die Datenschnittstelle 18 mit anderen, nicht dargestellten Recheneinheiten ausgetauscht werden.
Weiterhin werden die ansteuerbaren Farblichtquellen der Auflichtbeleuchtungseinheiten 13, 14 von der elektronische Verarbeitungseinheit 17 abhängig von Sollwerten für die Farbtemperatur und/oder Intensität so angesteuert, dass das in den Erfassungsbereich 2 abgegebene und von der Objektoberfläche 41 reflektierte Licht einen gewünschten Farbton und eine gewünschte Helligkeit annimmt. Zudem nimmt die Verarbeitungseinheit 17 die von einem Lichtsensor 15, insbesondere einem RGB-Farblichtsensor, erfassten Istwerte der Farbtemperatur und/oder der Helligkeit des Umgebungsstreulichts 16 auf. Diese werden dazu benutzt die Sollwerte für Farbtemperatur bzw. Helligkeit bei der Ansteuerung der adaptiven Auflichtbeleuchtungseinheit so nachzuführen, dass der Einfluss des in den Erfassungsbereichs 2 eindringenden Anteils des Umgebungsstreulichts 16 in der oben beschriebenen Weise kompensiert werden kann. Die einzelnen Farblichtquellen werden dann durch Änderung des Speisestromes oder durch intermittierendes Zu- und Abschalten entsprechend angesteuert.

Claims

Optische Erfassungseinheit (1) für Objekte (4) mit • einer digitalen Erfassungseinheit (11) zur Erzeugung eines insbesondere farbigen Abbildes eines in einem Erfassungsbereich (2) befindlichen Objektes (4), • einem Lichtsensor (15) zur Erfassung der Istwerte von Farbtemperatur und/oder Intensität des Streulichtes (16) in der Umgebung um den Erfassungsbereich (2), • mindestens einer adaptiven Auflichtbeleuchtungseinheit (13) mit in den Grundfarben eines Farbensystems steuerbaren Farblichtquellen (13a, 13b, 13c) zur Einstrahlung von Licht vorgegebener Farbtemperatur und/oder Intensität in den Erfassungsbereich (2), und mit • einer elektronischen Verarbeitungseinheit (17), welche die steuerbaren Farblichtquellen (13a, 13b, 13c) der adaptiven Auflichtbeleuchtungseinheit (13) abhängig von den Istwerten des Lichtsensors (15) und von Sollwerten für Farbtemperatur und/oder Intensität der Beleuchtung im Erfassungsbereich (2) so ansteuert, dass Schwankungen der Farbtemperatur und/oder Intensität des Streulichtes in der Umgebung des Erfassungsbereiches (2) kompensiert werden.
Optische Erfassungseinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass • der Lichtsensor (15) ein RGB-Sensor ist, und • die steuerbaren Farblichtquellen (13a, 13b, 13c) der adaptiven Auflichtbeleuchtungseinheit (13) Licht in den Grundfarben des RGB-Farbensystems in den Erfassungsbereich (2) einstrahlen.
Optische Erfassungseinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, mit Leuchtdioden als steuerbare Farblichtquellen (13a, 13b, 13c) der adaptiven Auflichtbeleuchtungseinheit (13).