DE102009018464B4 - Optical sensor - Google Patents
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- G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
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Abstract
Optischer Sensor mit wenigstens einer Flächenkamera, wenigstens einer Beleuchtungseinheit mit einer Steuereinheit zur Steuerung der wenigstens einen Beleuchtungseinheit und/oder Flächenkamera und mit einer Auswerteeinheit, in welcher Ausgangssignale der Flächenkamera auswertbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (1) alternierend in zwei Betriebsarten betrieben ist, wobei in einer ersten Betriebsart eine Oberflächenerfassung eines Objekts (11) erfolgt, indem für die einzelnen Bildpunkte der Flächenkamera (2) Farb- oder Intensitätswerte bestimmt werden, und wobei in einer zweiten Betriebsart die Form des Objekts (11) bestimmt wird, indem für jeden Bildpunkt der Flächenkamera (2) Distanzwerte des Objekts (11) ermittelt werden, und dass in der Auswerteeinheit (5) die Informationen der Oberflächen- und Formerfassung zusammengeführt werden, wobei mittels einer erweiterten BLOB-(binarized large object)-Analyse unter Heranziehung ermittelter Distanzwerte sowie Farb- und Intensitätswerte das Objekt (11) von einem Hintergrund separierbar ist.Optical sensor with at least one area camera, at least one lighting unit with a control unit for controlling the at least one lighting unit and / or area camera and with an evaluation unit in which output signals of the area camera can be evaluated, characterized in that the optical sensor (1) alternates in two operating modes is operated, in a first operating mode a surface detection of an object (11) takes place by determining color or intensity values for the individual pixels of the area scan camera (2), and wherein in a second operating mode the shape of the object (11) is determined, by determining distance values of the object (11) for each pixel of the area scan camera (2) and by combining the information from the surface and shape detection in the evaluation unit (5), using an expanded BLOB (binarized large object) analysis below Use of determined distance values as well as rb and intensity values the object (11) can be separated from a background.
Description
Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an optical sensor according to the preamble of
Derartige optische Sensoren werden typischerweise im Bereich der Automatisierungstechnik eingesetzt. Dabei werden die optischen Sensoren bevorzugt zur Qualitätskontrolle in Produktionsprozessen eingesetzt um zu prüfen, ob Objekte hinsichtlich ihrer Form und/oder Oberflächenbeschaffenheit bestimmte Anforderungen erfüllen.Such optical sensors are typically used in the field of automation technology. The optical sensors are preferably used for quality control in production processes to check whether objects meet certain requirements with regard to their shape and / or surface condition.
Bekannte optische Sensoren der in Rede stehenden Art stellen bildverarbeitende Systeme dar, welche eine Flächenkamera und eine dieser zugeordnete Beleuchtungseinheit aufweisen. Mit der Beleuchtungseinheit erfolgt die Beleuchtung einer Szene, in welcher zu detektierende Objekte vorhanden sind. Die Flächenkamera ist typischerweise als Schwarz/Weiß- oder Farbkamera ausgebildet und weist eine matrixförmige Anordnung von Bildpunkten auf.Known optical sensors of the type in question represent image processing systems which have an area camera and a lighting unit associated therewith. The illumination unit is used to illuminate a scene in which objects to be detected are present. The area camera is typically designed as a black / white or color camera and has a matrix-like arrangement of pixels.
Zur Erkennung von Objekten hat sich als wirksame Methode die sogenannte BLOB(binarized lange object)-Analyse etabliert. Bei der BLOB Analyse werden Objekte innerhalb eines Bildes von einem Hintergrund separiert, so dass danach die Objekte einzeln ausgewertet werden können.To detect objects, the so-called BLOB (binarized long object) analysis has been established as an effective method. In the BLOB analysis, objects within an image are separated from a background, so that afterwards the objects can be evaluated individually.
Die Separation der Objekte vom Hintergrund erfolgt dabei anhand eines binarisierten Bildes. Ist die Flächenkamera beispielsweise von einer Schwarz/Weiß-Kamera gebildet, so liegen die Bildinformationen eines Bildes zunächst in Form analoger Grauwerte für die einzelnen Bildpunkte vor. Durch eine Schwellwertbewertung wird ein binäres Bild generiert, bei welchem den einzelnen Bildpunkten ein Hell- oder Dunkelwert als binärer Wert zugeordnet ist. Ein Objekt kann dann von einem zusammenhängenden Bereich von dunklen Bildpunkten gebildet sein, während die hellen Bildpunkte den Hintergrund bilden.The separation of the objects from the background is based on a binarized image. If the area camera is formed, for example, by a black and white camera, then the image information of an image is initially in the form of analog gray values for the individual pixels. A threshold value evaluation generates a binary image in which a light or dark value is assigned to the individual pixels as a binary value. An object may then be formed by a contiguous region of dark pixels, while the bright pixels form the background.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass dieses nur dann funktioniert, wenn sich die Objekte vom Hintergrund hinsichtlich ihres Farb- oder Hell/Dunkel-Kontrastes deutlich vom Hintergrund abheben. Bei kontrastarmen Bildern ist jedoch die BLOB-Analyse mit hohen Unsicherheiten behaftet oder überhaupt nicht mehr durchführbar.The disadvantage of this method is that this only works if the objects stand out clearly from the background with regard to their color or light / dark contrast. For low-contrast images, however, the BLOB analysis is subject to high uncertainties or not at all feasible.
Die
Die
In S. E. Ghobadi et al.: Hand Segmentation Using 2D/3D Images, in.: Proceedings of Image and Vision Computing New Zealand 2007, December 2007, S. 64–69 sind Methoden zur Segmentierung von Distanzbildern, die mit einer 3D-Kamera aufgenommen werden, beschrieben.In SE Ghobadi et al .: Hand Segmentation Using 2D / 3D Images, in: Proceedings of Image and Computing New Zealand 2007, December 2007, pp. 64-69 are methods of segmentation of distance images taken with a 3D camera will be described.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor der eingangs genannten Art so auszubilden, dass mit diesem auch bei kontrastarmen Bildern eine sichere Objekterfassung möglich ist.The invention has the object of providing an optical sensor of the type mentioned in such a way that with this even with low-contrast images a safe object detection is possible.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.To solve this problem, the features of
Der erfindungsgemäße optische Sensor umfasst eine Flächenkamera, eine Beleuchtungseinheit, sowie eine Steuereinheit zur Steuerung der wenigstens einen Beleuchtungseinheit und/oder Flächenkamera und eine Auswerteeinheit, in welcher Ausgangssignale der Flächenkamera auswertbar sind. Der optische Sensor ist alternierend in zwei Betriebsarten betrieben, wobei in einer ersten Betriebsart eine Oberflächenerfassung eines Objekts erfolgt, indem für die einzelnen Bildpunkte der Flächenkamera Farb- oder Intensitätswerte bestimmt werden. In einer zweiten Betriebsart wird die Form des Objekts bestimmt, indem für jeden Bildpunkt der Flächenkamera Distanzwerte des Objekts ermittelt werden. In der Auswerteeinheit werden die Informationen der Oberflächen- und Formerfassung zusammengeführt. Mittels einer erweiterten BLOB-(binarized large object)Analyse ist unter Heranziehung ermittelter Distanzwerte sowie Farb- und Intensitätswerte das Objekt von einem Hintergrund separierbar.The optical sensor according to the invention comprises an area camera, a lighting unit, and a control unit for controlling the at least one lighting unit and / or area camera and an evaluation unit, in which output signals of the area camera can be evaluated. The optical sensor is operated alternately in two operating modes, wherein in a first operating mode a surface detection of an object takes place in that color or intensity values are determined for the individual pixels of the surface camera. In a second operating mode, the shape of the object is determined by determining distance values of the object for each pixel of the area camera. In the evaluation unit, the information of the surface and shape detection are merged. By means of an extended BLOB (binarized large object) analysis, the object can be separated from a background using determined distance values as well as color and intensity values.
Der erfindungsgemäße optische Sensor stellt ein bildverarbeitendes System dar, das vorteilhaft in der Automatisierungstechnik, insbesondere zur Qualitätskontrolle in Produktionsprozessen, eingesetzt wird.The optical sensor according to the invention represents an image processing system which is advantageously used in automation technology, in particular for quality control in production processes.
Die hierfür erforderliche zuverlässige und genaue Erkennung von Objekten und deren Strukturen wird erfindungsgemäß dadurch gewährleistet, dass mit dem optischen Sensor nicht nur eine Oberflächenerfassung eines Objekts durchgeführt wird indem für die einzelnen Bildpunkte einer Flächenkamera Farb- oder Intensitätswerte bestimmt werden. Vielmehr werden als zusätzliche Bildinformationen für die Bildpunkte der oder einer weiteren Flächenkamera Distanzwerte ermittelt, anhand derer die Form des Objekts bestimmt werden kann. Die Oberflächen- und Distanzinformationen werden dann in der Auswerteeinheit zusammengeführt, so dass beide simultan für die Objekterkennung zur Verfügung stehen. Damit ist eine besonders genaue und zuverlässige Objekterkennung möglich. Dies gilt insbesondere auch für äußerst kontrastarme Bilder, da auch bei diesen durch die zusätzlich zur Verfügung stehenden Distanzinformationen Objekte und deren Strukturen genau erfasst werden können.The required reliable and accurate detection of objects and their structures is inventively ensured that not only a surface detection of an object is performed with the optical sensor by determining color or intensity values for the individual pixels of a surface camera. Rather, distance values are determined as additional image information for the pixels of the or another surface camera, by means of which the shape of the object can be determined. The surface and distance information is then merged in the evaluation unit, so that both are available simultaneously for the object recognition. For a particularly accurate and reliable object detection is possible. This is especially true for extremely low-contrast images, as well as these can be accurately detected by the additionally available distance information objects and their structures.
Erfindungsgemäß werden Objekte innerhalb eines Bildes von einem Hintergrund durch eine erweiterte BLOB-Analyse separiert. Im Unterschied zu einer herkömmlichen BLOB-Analyse werden nicht nur Farb- oder Intensitätswerte, sondern auch Distanzwerte herangezogen, um Objekte von dem Hintergrund zu trennen. Die so erweiterte BLOB-Analyse ermöglicht eine zuverlässigere und genauere Separation der Objekte.According to the invention, objects within an image are separated from a background by an extended BLOB analysis. In contrast to a conventional BLOB analysis, not only color or intensity values but also distance values are used to separate objects from the background. The extended BLOB analysis allows a more reliable and accurate separation of objects.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Form- und Oberflächeninformationen zur Objekterkennung in Echtzeit generiert werden, so dass nicht nur eine genaue, sondern auch eine schnelle Objekterkennung gewährleistet ist.A significant advantage of the invention is that the shape and surface information for object recognition are generated in real time, so that not only accurate but also fast object recognition is ensured.
Hierzu wird der optische Sensor alternierend in zwei Betriebsarten betrieben. Zweckmäßigerweise wird in einer ersten Betriebsart ein Bild mit Distanzwerten und dann in einer zweiten Betriebsart ein Bild mit Farb- oder Intensitätswerten ermittelt. In der Auswerteeinheit werden dann die Distanzinformationen einerseits und die Farb- oder Intensitätswerte andererseits zur Objekterkennung zusammen geführt. Dieser Vorgang wird dann periodisch wiederholt. Prinzipiell können während jeder Betriebsart auch mehrere gleichartige Bilder ermittelt werden, um beispielsweise eine Mittelung mehrerer Bilder durchzuführen.For this purpose, the optical sensor is operated alternately in two modes. Expediently, in a first operating mode, an image with distance values and then in a second operating mode an image with color or intensity values is determined. In the evaluation unit, the distance information on the one hand and the color or intensity values on the other hand are then combined to form the object recognition. This process is then repeated periodically. In principle, several similar images can be determined during each mode, for example, to perform an averaging of multiple images.
Besonders vorteilhaft können einzelne oder mehrere Sensorkomponenten in Form von Beleuchtungseinheiten oder Flächenkameras für die Form- und Oberflächenerfassung der Objekte gemeinsam genutzt werden, wodurch ein besonders einfacher, kompakter und kostengünstiger Aufbau des optischen Sensors erhalten wird.Particularly advantageous single or multiple sensor components in the form of lighting units or surface cameras for the shape and surface detection of the objects can be used together, whereby a particularly simple, compact and inexpensive construction of the optical sensor is obtained.
Gemäß einer ersten Variante der Erfindung erfolgt die Distanzmessung mit dem optischen Sensor nach dem Triangulationsprinzip. In diesem Fall kann eine als Schwarz/Weiß- oder Farbkamera ausgebildete Flächenkamera nicht nur zur Oberflächenbestimmung, sondern auch zur Durchführung der Distanzmessungen verwendet werden.According to a first variant of the invention, the distance measurement with the optical sensor takes place according to the triangulation principle. In this case, a surface camera designed as a black and white or color camera can be used not only for surface determination but also for performing distance measurements.
Während bei der Oberflächenbestimmung eine Beleuchtungseinheit zur homogenen Beleuchtung der zu detektierenden Objektoberfläche eingesetzt wird, wird zur Durchführung der Distanzmessungen eine Beleuchtungseinheit verwendet, mittels derer auf der Objektoberfläche ein definiertes Streifenmuster generiert wird. Durch das Höhenprofil der Objektoberfläche erfolgt dann eine Verbesserung des Streifenmusters, die in der Flächenkamera registriert und in der Auswerteeinheit zur Bestimmung von dreidimensionalen Abstandsdaten und damit zur Form des Objekts ausgewertet wird.While in the surface determination a lighting unit is used for homogeneous illumination of the object surface to be detected, a lighting unit is used to perform the distance measurements, by means of which a defined striped pattern is generated on the object surface. The height profile of the object surface then results in an improvement of the fringe pattern which is registered in the area camera and evaluated in the evaluation unit for determining three-dimensional distance data and thus for the shape of the object.
Bestehen die einzelnen Streifenmuster aus identischen Streifen, so kann es zu Mehrdeutigkeiten in der Auswertung der einzelnen Streifen kommen, wenn beispielsweise durch stärkere Verzerrungen und Versetzungen einzelner Streifen auf der Objektoberfläche eine eindeutige Zuordnung einzelner Streifensegmente nicht mehr möglich ist.If the individual stripe patterns consist of identical stripes, ambiguities in the evaluation of the individual stripes can occur if, for example, due to stronger distortions and dislocations of individual stripes on the object surface, an unambiguous assignment of individual stripe segments is no longer possible.
Um diese die Abstandsmessungen verfälschende Mehrdeutigkeiten zu eliminieren, können Streifenmuster aus unterschiedlich ausgebildeten Streifen bestehen. So können die einzelnen Streifen unterschiedliche Kodierungen in Form unterschiedlicher Muster, Farben und/oder Breiten aufweisen. Auch die Abstände zwischen den Streifen können unterschiedlich sein.To eliminate these ambiguities falsifying the distance measurements, stripe patterns may consist of differently formed stripes. Thus, the individual strips may have different codes in the form of different patterns, colors and / or widths. Also, the distances between the strips may be different.
Als Beleuchtungseinheit zur Generierung derartiger Streifenmuster eignen sich insbesondere Videoprojektoren und Videogeneratoren, die in neuester Zeit als Bildprojektoren in Mobiltelefonen eingesetzt werden. Die Videoprojektoren oder die Videogeneratoren bilden hochintegrierte, elektrooptische Einheiten, die in besonders kleinen Bauformen herstellbar sind. Zudem weisen die Videoprojektoren oder Videogeneratoren bei kleinem Bauvolumen hohe Leistungsdichten auf, so dass auch bei größeren Objektdistanzen und Objektoberflächen die Streifenmuster exakt vorgegeben werden können, wodurch eine genaue Abstandsmessung ermöglicht wird.As a lighting unit for generating such stripe pattern are particularly suitable video projectors and video generators, which are used in recent times as image projectors in mobile phones. The video projectors or video generators form highly integrated, electro-optical units that can be produced in particularly small designs. In addition, the video projectors or video generators have high power densities in a small volume, so that even with larger object distances and object surfaces, the stripe patterns can be specified exactly, whereby an accurate distance measurement is possible.
Insbesondere ein Videoprojektor kann auch derart betrieben werden, dass mit diesem eine homogene Beleuchtung einer Objektoberfläche durchführ ist. Durch eine Betriebsartumschaltung kann daher ein solcher Videoprojektor sowohl als Streifenmuster generierende Beleuchtungseinheit für die Distanzmessungen als auch als homogene Beleuchtungsquelle für die Oberflächenerfassung eingesetzt werden.In particular, a video projector can also be operated such that a homogeneous illumination of an object surface is carried out with this. By means of a mode changeover, therefore, such a video projector can be used both as a stripe pattern-generating illumination unit for the distance measurements and as a homogeneous illumination source for the surface detection.
Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung werden die Distanzmessungen mittels einer Lichtlaufzeitmessung durchgeführt. Die Flächenkamera ist zur Durchführung der nach einer Lichtlaufzeitmessung erfolgenden Distanzmessung von einer TOF(time of flight)- oder von einer PMD(Photonic Mixer Device)-Kamera gebildet. In diesem Fall wird zur Oberflächenerfassung eine separate Flächenkamera in Form einer Schwarz/Weiß- oder Farbkamera eingesetzt. Allerdings kann zur nach einer Lichtlaufzeitmessung erfolgenden Distanzmessung und zur Oberflächenerfassung dieselbe Beleuchtungseinheit verwendet werden, da in beiden Fällen eine Beleuchtungseinheit verwendet wird, mittels derer die Objektoberfläche homogen ausgeleuchtet wird.According to a second variant of the invention, the distance measurements are carried out by means of a light transit time measurement. The area camera is designed to carry out the taking place after a light transit time measurement distance measurement of a TOF (time of flight) - or by a PMD (Photonic Mixer Device) camera. In this case, a separate area camera in the form of a black and white or color camera is used for surface detection. However, the same illumination unit can be used for the distance measurement taking place after a time-of-flight measurement and for the surface detection, since in both cases a lighting unit is used by means of which the object surface is homogeneously illuminated.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The invention will be explained below with reference to the drawings. Show it:
Die Flächenkamera
Der Videoprojektor
Alternativ kann das LCD-Array
Anstelle des Videoprojektors
Mit dem optischen Sensor
Durch die Ansteuerung mit der Steuereinheit werden die Sensorkomponenten des optischen Sensors
In der zweiten Betriebsart wird der optische Sensor
Wie aus
In jedem Zyklus werden die beiden für die zwei Betriebsarten ermittelten Bilder (gemäß
Diese Bildinformationen können in einer erweiterten BLOB-(binarized large object)Analyse dazu verwendet werden, das zu detektierende Objekt
In der ersten Betriebsphase, in welcher zur Ermittlung der Oberflächenbeschaffenheit mit der Flächenkamera
In der zweiten Betriebsphase erfolgen wieder Distanzmessungen nach dem Triangulationsprinzip. In diesem Fall ist die Leuchtdiodenanordnung deaktiviert, während der Videoprojektor
Die Signalauswertung zur Objekterfassung erfolgt analog zur Ausführungsform gemäß
Bei der Ausführungsform gemäß
Als Beleuchtungseinheit ist bei der Ausführungsform gemäß
Die Signalauswertung erfolgt wieder analog zum Ausführungsbeispiel gemäß
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Optischer SensorOptical sensor
- 22
- FlächenkameraAreascan
- 2'2 '
- FlächenkameraAreascan
- 33
- Optikoptics
- 44
- Videoprojektorvideo projector
- 55
- Auswerteeinheitevaluation
- 66
- Sensorgehäusesensor housing
- 77
- Lichtstrahlbeam of light
- 88th
- Lichtquellelight source
- 99
- LCD-ArrayLCD array
- 1010
- Optikoptics
- 1111
- Objektobject
- 1212
- Unterlagedocument
- 1313
- Streifenstrip
- 1414
- LeuchtdiodenanordnungLED array
- 1515
- Strahlteilerbeamsplitter
Claims (15)
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