DE102010036762A1

DE102010036762A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Formerkennung von Leergutgebinden in Leergutrücknahmeautomaten mittels eines Lichtschnitt Triangulationsverfahren

Info

Publication number: DE102010036762A1
Application number: DE102010036762A
Authority: DE
Inventors: Lioubov JOKHOVETS; Wolfgang Hirsch; Dr. Seitz Reiner
Original assignee: Wincor Nixdorf International GmbH
Current assignee: Wincor Nixdorf International GmbH
Priority date: 2010-06-16
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2011-12-22
Anticipated expiration: 2030-07-31
Also published as: DE102010036762B4

Abstract

Verfahren zur Formerkennung eines Leergutgebindes in einem Leergutrücknahmeautomaten, gekennzeichnet durch ein Lichtschnitt-Triangulationsverfahren, – bei dem eine optische Linie durch einen Linienprojektor auf eine Oberfläche des zu vermessenden Leergutgebindes abgebildet wird, – um dann ein Bild der optischen Linie mit Hilfe einer Kamera unter einem Triangulationswinkel (α) aufzunehmen, – Auswertung der definierten Auslenkung der optischen Linie und Vergleichen der Auslenkung anhand von Mustern, um das Leergutgebinde zu identifizieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Vermessung der Form von Leergutgebinden Gebinden in Leergutrücknahmeautomaten unter Verwendung eines Lichtschnitt-Triangulationsverfahrens.
Gebiet der Erfindung:
Für die Formerkennung der Leergutgebinde werden derzeit überwiegend das Durchlicht und- Auflichtverfahren verwendet. Bei diesen Verfahren wird die Kontur der Silhouette als Formmerkmal extrahiert. Dazu ist es erforderlich, dass die Oberfläche des Objekts vollständig und gleichmäßig ausgeleuchtet wird. Ein möglicher Stand der Technik ist aus der DE 19906773 A1 bekannt. Wegen der hohen Anforderungen an die Beleuchtung besitzen diese Verfahren eine Reihe von Nachteilen:

• Die Beleuchtungseinheit und/oder weitere für die Aufnahme notwendige, optische Elemente müssen auch eine der Objektgröße entsprechende, große Oberfläche haben. Das macht die Erkennungseinheit empfindlich gegen Verschmutzung.
• Die großen Abmessungen aller zur Beleuchtung gehörenden Komponenten erhöhen die Abmessungen der Erkennungseinheit und des ganzen Leergutrücknahmeautomaten.
• Die Verfahren sind empfindlich gegen Fremdlicht und Schwankungen der Beleuchtung selbst. Weiterhin ist die Konturextraktion im Vergleich zu dem hier vorgestellten Verfahren vergleichsweise aufwändig.
• Beim Durchlichtverfahren ist die Beleuchtung dahingehend optimiert, dass nur der Objektrand einfach extrahiert werden kann, was zur Folge hat, dass eine differenzierte Texturerkennung (Etikett) nur noch schwer oder gar nicht mehr möglich ist. Beim Auflichtverfahren gilt das Gleiche, wenn die Beleuchtung sehr hell ist. Wenn die Beleuchtung nicht zu hell für eine Texturauswertung ist, ist jedoch die Konturextraktion aufwändiger.

Überblick über die Erfindung:
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines einfachen und robusten optischen Abtastverfahrens zur Bestimmung der Kontur eines Leerguts. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung und ein Verfahren nach den unabhängigen Ansprüchen.
Beim Lichtschnitt-Triangulationsverfahren wird vorzugsweise ein Laserstrahl über eine Linienoptik auf die Oberfläche des zu vermessenden Objektes abgebildet. Mit Hilfe der Kamera wird ein Bild der Laserlinie unter dem Triangulationswinkel (α) (siehe 1) aufgenommen. Infolge der Triangulationsanordnung von Laser und Kamera führt jede Änderung der Oberflächengestalt unterhalb der Laserlinie zu einer definierten Auslenkung der Laserlinie im Kamera-Bild. Aufgabe der Kamera ist es, mit maximaler Geschwindigkeit und Präzision die Position der Laserlinie zu bestimmen und auszugeben.
Ganz allgemein bieten Lichtschnitt-Triangulationsverfahren die Vorteile einer einfachen, robusten und präzisen 3D-Koordinatenmessung. Für die Beleuchtung ist eine linienförmige Lichtquelle erforderlich. Diese kann z. B. durch die Verwendung eines Lasers mit Linienoptik realisiert werden. Hierbei handelt es sich um eine robuste und zuverlässige Lichtquelle. Ein Linienlaser für diese Anwendung hat einen vergleichsweise niedrigen Energieverbrauch. Weiterhin hat er ein vergleichsweise kleines Gehäuse und vereinfacht damit den mechanischen Aufbau der gesamten Eingabeeinheit.
Da die Beleuchtung nur aus einer sehr dünnen und hellen Linie besteht, die auf die Objektoberfläche projiziert wird, steht der überwiegende Teil der Objektoberfläche für die Extraktion weiterer Merkmale aus dem Bild zur Verfügung. Punkte auf dieser Linie haben im Bild einen hohen Kontrast zur Nachbarschaft und sind deshalb einfach zu extrahieren.
Beim Lichtschnittverfahren wird von einer diffus reflektierenden Objektoberfläche ausgegangen. Die auf das Objekt projizierte helle, dünne Linie folgt der Objektform. Die optische Achse der Kamera ist gegenüber der optischen Achse der Lichtquelle geneigt, so dass in der Kamera ein Bild der vom Objekt reflektierten Linie erscheint. In dieser Linie ist die Forminformation enthalten.
Bei bekannter Lage der Lichtschnittebene und bekannten Kameraparametern lassen sich mittels Triangulation aus den Bildkoordinaten eines Punktes im Bild die 3D-Koordinaten des korrespondierenden Punktes auf der Objektoberfläche berechnen. Alle Punkte auf der Schnittlinie zwischen Lichtschnittebene und Objektoberfläche bilden eine Höhenprofillinie des Objekts.
Wird das Objekt durch die Lichtschnittebene oder umgekehrt die Lichtschnittebene über das Objekt bewegt, kann bei bekannter Bewegung die Oberfläche des gesamten Objekts aus den einzelnen, aufeinander folgenden Höhenprofillinien rekonstruiert werden.
Zur Rekonstruktion der Objektoberfläche werden die Koordinaten der einzelnen Höhenprofillinien während der Abtastung im Speicher eines Rechners abgelegt und am Ende der Abtastung zu einer Fläche zusammengesetzt. Diese Fläche repräsentiert ein 3-dimensionales Modell der Objektoberfläche und kann z. B. auf einem Monitor visualisiert werden.
Bei den hier betrachteten Objekten für Leergutrücknahmeautomaten (z. B. Flaschen, Dosen oder ähnliche Gebinde) kann das Verfahren zur Formerkennung noch wesentlich vereinfacht werden. Da die Objekte rotationssymmetrisch sind, reicht es, eine Höhenprofillinie parallel zur Längsachse des Objekts aufzunehmen, um die Form vollständig zu erfassen.
Nach der beanspruchten Lehre handelt es sich um ein Verfahren zur Formerkennung eines Leergutgebindes in einem Leergutrücknahmeautomaten. Ein solches Leergutgebinde ist in der Regel eine einzelne Flasche; in einer alternativen Ausführungsform kann es sich auch um eine Kiste handeln. Bei dieser sind jedoch in der Regel mehrere Höhenprofillinien zu erfassen, um sicherzustellen, dass erkannt wird, dass alle Flaschen enthalten sind. Im Folgenden wird auf eine einzelne Flasche abgestellt, ohne dass dies eine Einschränkung darstellen soll. Wie bereits erwähnt, ist das Verfahren gekennzeichnet durch ein Lichtschnitt-Triangulationsverfahren, bei dem eine optische Linie durch einen Linienprojektor auf eine Oberfläche des zu vermessenden Leergutgebindes abgebildet wird. Der Linienprojektor ist vorzugsweise eine Lichteinheit, die eine intensive gut detektierbare Linie von vorzugsweise wenigen Millimetern Stärke erzeugt. In der Regel wird als Linienprojektor ein Laser mit Linienoptik eingesetzt, um dann ein Bild der optischen Linie mit Hilfe der Kamera unter einem Triangulationswinkel (α) aufzunehmen. Dieser Triangulationswinkel (α) liegt zwischen 90 und 0 Grad, vorzugsweise zwischen 45 und 0 Grad, am besten zwischen 35 und 15 Grad.
Eine Auswerteinheit, die vorzugsweise als Rechner ausgebildet ist, z. B. ein handelsüblicher Industrie-PC wertet die definierte Auslenkung der optischen Linie aus und vergleicht die Auslenkung anhand von Mustern, um das Leergutgebinde zu identifizieren. Die Muster können im Vorfeld erlernt werden. Es ist auch denkbar entsprechend neue Muster online auf das Gerät zu übertragen.
Damit das Leergutgebinde optimal zum Laser und zur Kamera ausgerichtet wird, kann entweder die Kamera und der Linienprojektor in 1 bis 3 Achsen ausgerichtet werden, wobei das Leergutgebinde durch Führungen zentral unter den Linienprojektor geführt wird. Bei Flaschen als Leergutgebinde ist dies recht einfach möglich, wenn entsprechend V-förmige Führungen verwendet werden, in die die Flaschen längs hineinrutschen.
In einer alternativen Ausführungsform ist die Steuerung der Kamera mit der Steuerung eines Transportbands, auf dem das Leergutgebinde transportiert wird, synchronisiert, so dass das Leergutgebinde durch die Lichtschnittebene bewegt wird. Hierdurch kann die Oberfläche des Leergutgebindes aus den einzelnen, aufeinander folgenden Höhenprofillinien rekonstruiert werden, wobei zur Rekonstruktion der Oberfläche die Koordinaten der einzelnen Höhenprofillinien während der Abtastung im Speicher eines Rechners des Leergutrücknahmeautomaten abgelegt und am Ende der Abtastung zu einer Fläche zusammengesetzt werden. Hierdurch ist auch die Erkennung einer Kiste mit Flaschen möglich.
Figuren Beschreibung:
Es zeigt
1 einen schematischen Aufbau einer Anordnung einer Kamera und eines Linien-Projektors;
2 eine Schnittansicht eines Linien-Projektors einer Kamera und eines Gebindes als Flasche;
3 eine Seitenansicht eines Gebindes und den Verlauf des Lichtes des Linien-Projektors;
4 zeigt eine schematische Ansicht eines Linien-Projektors, dessen Linienstrahl schlecht beleuchtete Bereiche und Abschattungen zeigt;
5 zeigt eine schematische Ansicht eines Linien-Projektors aus einer größeren Höhe, zur Reduzierung der Abschattungen;
6 zeigt eine schematische Ansicht eines Linien-Projektors dessen Linien über eine Vielzahl von Spiegeln umgelenkt werden;
7 zeigt eine schematische Ansicht von mehreren Linien-Projektoren, die so angeordnet sind, dass ein gemeinsame Linie erzeugt wird;
8 zeigt eine schematische Ansicht eines Linienprojektors, der die Linien auf eine Flasche und einen Spiegel wirft;
9 zeigt eine schematische Ansicht einer Linienprojektion mit zwei Kameras von der Seite und der Draufsicht, aus der erkenntlich ist, dass die beiden Linienprojektionen sich zu einer Linie-vereinigen;
10 zeigt eine schematische Ansicht eines einer Linienprojektion von der Seite und der Draufsicht, aus der erkenntlich ist, dass die reflektierte Linienprojektion und die Linienprojektion sich zu einer Linie vereinigen.
Detaillierte Beschreibung der Figuren
Die 1 zeigt den Winkel α in dem ein Linien-Projektor und eine Kamera angeordnet sein können.
Die 2 und 3 zeigen, wie ein Laser mit nachfolgender Linienoptik eine Laserlinie erzeugt und damit eine Ebene aufspannt. Das zu untersuchende Objekt ist mittels einer Aufnahmevorrichtung so positioniert, dass es die Ebene mit der Längsachse in Längsrichtung schneidet (2). Die Schnittlinie zwischen Lichtebene und Objekt entspricht genau der Höhenprofillinie des Objekts in Längsrichtung (3). In der Kamera entsteht ein Bild der Höhenprofillinie, aus der sich für eine eindeutige Identifikation erforderliche Formmerkmale berechnen lassen.
Optische Quellen, die für die Lichtschnittverfahren vorgesehen sind, ergeben bei einem bestimmten Winkel zwischen Lichtstahl und einer Oberfläche Abschattungen oder sehr schwach beleuchtete Bereiche (SB) wie aus 4 zu ersehen ist. Hier ist zu erkennen, dass in den steilen Randbereichen der Einbuchtungen eine schlecht Ausleuchtung gegeben ist, da der Lichtstrahl nicht flächig genug auftreffen kann. Ferner sind in den abgerundeten Randbereichen vollständige Abschattungen (A) gegeben, zu denen das Licht nicht vordringen kann. Eine Reduzierung der Abschattung kann man durch die Verlängerung des Strahlengangs der Lichtquelle erreichen wie in 4 gezeigt. Das Objekt wird hierdurch besser ausgeleuchtet. Doch die Verlängerung des Strahlengangs ist oft wegen der begrenzten Abmessungen der Messanlagen nicht möglich. Die Geräte sind oftmals in ihrer Bauhöhe beschränkt, um eine möglichst kompakte Bauform zu erreichen.
Eine Möglichkeit stellt die mehrfache Teilung des Strahlengangs durch Spiegelung dar. Hierbei wird der Strahlengang durch eine Vielzahl von Spiegel (S) umgeleitet, wie aus 6 zu erkennen ist. Diese erfordert eine präzise Einstellung der verschiedenen Spiegel-Elemente und reduziert die Genauigkeit des Messsystems (6).
Eine weitere vorgeschlagene Lösung reduziert die Abschattungsbereiche und gleicht die Intensität-Verteilung der Bestrahlung auf der Oberfläche des Objektes durch doppelseitige Bestrahlung aus.
Lösung 1 ist in 7 zu sehen. Zwei Linien-Lichtquellen beleuchten das Objekt von zwei Seiten und gewährleisten eine gleichmäßige Intensitätsverteilung. Die Aufnahmevorrichtung bzw. Kamera kann in einer dritten Dimension zwischen den Linien-Lichtquellen angeordnet sein, um so die Stellung des Betrachters der Figuren einzunehmen. Die Kamera ist in den Figuren aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen worden. Die Linien-Lichtquellen sind V-förmig angeordnet.
Eine entsprechende Lösung kann auch durch die Verwendung eines Spiegels (S) realisiert werden, wie in 8 gezeigt. Hierbei wird der Spiegel senkrecht neben dem Leergut angeordnet. Die Linien-Lichtquelle ist auf der gegenüberliegenden Seite des Leergutes angeordnet. Der Linien-Strahl erfasst mit einem Teil das Leergut und mit dem anderen Teil wird der Spiegel (S) erfasst. Da die Linien-Lichtquelle etwas oberhalb des Reflexionsbereich angeordnet ist, wird der Strahl nach unten in Richtung Leergut reflektiert.
Von Vorteil ist die doppelseitige Bestrahlung auch bei der Justierung der Anlage. Es bedarf weit weniger Einstellungen um den Strahl wie in 9 gezeigt auszurichten.
Zwei Linienprojektoren, die entlang der notwendigen Bestrahlungslinie mechanisch befestigt werden, erlauben eine robuste Justierung mittels der Drehung der Projektor-Körper um die eigene Achse bis zu dem Punkt an dem statt zwei Linien nur noch eine zu sehen ist, wie in 9 gezeigt. D. h. die Linien sollten sich überlagern. Die 9 zeigt im rechten Teilbild zwei sich perfekt überlagernde Linienstrahle.
Bei der Konfiguration Linienprojektor/Spiegel wird die Justierung noch einfacher realisiert, weil die Spiegel-Ebene ursprünglich richtig mechanisch, durch feste Montage, ausgerichtet werden kann, wie in 10 gezeigt. Ein Freiheitsgrad der Anordnung im Vergleich zu dem der 8 fällt dadurch weg.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19906773 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Formerkennung eines Leergutgebindes in einem Leergutrücknahmeautomaten, gekennzeichnet durch ein Lichtschnitt-Triangulationsverfahren, – bei dem eine optische Linie durch einen Linienprojektor auf eine Oberfläche des zu vermessenden Leergutgebindes abgebildet wird, – um dann ein Bild der optischen Linie mit Hilfe einer Kamera unter einem Triangulationswinkel (α) aufzunehmen, – Auswertung der definierten Auslenkung der optischen Linie und Vergleichen der Auslenkung anhand von Mustern, um das Leergutgebinde zu identifizieren.
Das Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Leergutgebinde und/oder der Linienprojektor und die Kamera im Leergutrücknahmeautomaten so ausgelenkt wird/werden, dass ein Höhenprofil parallel zur Längsachse des Leergutgebindes aufgenommen wird.
Das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Linienprojektor ein Laser mit Linienoptik eingesetzt wird.
Das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung der Kamera mit der Steuerung eines Transportbands, auf dem das Leergutgebinde transportiert wird, synchronisiert ist, so dass das Leergutgebinde durch die Lichtschnittebene bewegt wird, so dass die Oberfläche des Leergutgebindes aus den einzelnen, aufeinander folgenden Höhenprofillinien rekonstruiert wird, wobei zur Rekonstruktion der Oberfläche die Koordinaten der einzelnen Höhenprofillinien während der Abtastung im Speicher eines Rechners des Leergutrücknahmeautomaten abgelegt und am Ende der Abtastung zu einer Fläche zusammengesetzt wird.
Das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei beabstandete Linienprojektoren verwendet werden, deren optische Linien sich auf dem Leergutgebinde zu einer gemeinsamen optischen Linie ergänzen.
Das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Linienprojektor und mindestens ein Spiegel verwendet werden, die jeweils an einer Seite des Leergutgebindes angeordnet sind, wobei der Spiegel einen Teil der optischen Linie des Linienprojektor reflektiert und die reflektierte optische Linie und die optischen Linie sich auf dem Leergutgebinde zu einer gemeinsamen optischen Linie ergänzen.
Leergutrücknahmeautomat mit einer Vorrichtung zur Formerkennung eines Leergutgebindes, gekennzeichnet durch – eine Lichtschnitt-Triangulations-Berechnungseinheit, die a) einen Linienprojektor aufweist, um eine optische Linie auf eine Oberfläche eines zu vermessenden Leergutgebindes abzubilden, b) eine Kamera aufweist, die so angeordnet und ausgebildet ist, dass ein Bild der definierten Auslenkung der optischen Linie in einen Triangulationswinkel (α) aufgenommen wird, c) eine Auswerteinheit aufweist, die die definierte Auslenkung der optischen Linie mit Mustern vergleicht, um das Leergutgebinde zu identifizieren.
Leergutrücknahmeautomaten nach dem Anspruch 7, wobei Mittel vorhanden sind, um das Leergutgebinde und/oder den Linienprojektor und die Kamera im Leergutrücknahmeautomaten so auszurichten, dass ein Höhenprofil der optischen Linie parallel zur Längsachse des Leergutgebindes aufnehmbar ist.
Leergutrücknahmeautomaten nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 6–8, wobei als Linienprojektor ein Laser mit Linienoptik eingesetzt wird.
Leergutrücknahmeautomaten nach einem oder mehreren der Ansprüche 6–9, wobei die Steuerung der Kamera mit der Steuerung eines Transportbands, auf dem das Leergutgebinde transportierbar ist, synchronisiert ist, so dass das Leergutgebinde durch die Lichtschnittebene bewegbar ist, so dass die Oberfläche des Leergutgebindes aus den einzelnen aufeinander folgenden Höhenprofillinien rekonstruierbar ist, wobei zur Rekonstruktion der Oberfläche die Koordinaten der einzelnen Höhenprofillinien während der Abtastung im Speicher eines Rechners des Leergutrücknahmeautomaten abgelegt sind und am Ende der Abtastung zu einer Fläche zusammensetzbar sind.
Leergutrücknahmeautomaten nach einem oder mehreren der Ansprüche 6–10, wobei mindestens zwei beabstandete Linienprojektoren vorhanden sind, die so ausgerichtet sind, dass deren optische Linien sich auf dem Leergutgebinde zu einer gemeinsamen optischen Linie ergänzen.
Leergutrücknahmeautomaten nach einem oder mehreren der Ansprüche 6–11, wobei mindestens ein Linienprojektor und mindestens ein Spiegel vorhanden sind, die im wesentlichen jeweils an einer Seite des Leergutgebindes angeordnet sind, wobei der Spiegel und der Linienprojektor so angeordnet sind, dass ein Teil der optischen Linie des Linienprojektor reflektiert wird und die reflektierte optische Linie und die optischen Linie sich auf dem Leergutgebinde zu einer gemeinsamen optischen Linie ergänzen.
Lichtschnitt-Triangulationsverfahren – bei dem eine optische Linie auf eine Oberfläche des zu vermessenden Objektes abgebildet wird, – um dann ein Bild der optischen Linie mit Hilfe einer Kamera unter einem Triangulationswinkel (α) aufzunehmen, – Auswertung der definierten Auslenkung der optischen Linie, und vergleichen der Auslenkung Anhand von Mustern, um das Objekt zu identifizieren, gekennzeichnet durch eine Verwendung zur Erkennung von Leergutgebinden in einem Leergutrücknahmeautomat.
Das Verfahren nach dem Anspruch 13, wobei das Leergutgebinde und/oder der Linienprojektor und die Kamera im Leergutrücknahmeautomaten so ausgelenkt wird/werden, dass ein Höhenprofil parallel zur Längsachse des Leergutgebindes aufgenommen wird.
Das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 13–14, wobei als Linienprojektor ein Laser mit Linienoptik eingesetzt wird.
Das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 13–15, wobei die Steuerung der Kamera mit der Steuerung eines Transportbands, auf dem das Leergutgebinde transportiert wird, synchronisiert ist, so dass das Leergutgebinde durch die Lichtschnittebene bewegt wird, so dass die Oberfläche des Leergutgebindes aus den einzelnen aufeinander folgenden Höhenprofillinien rekonstruiert wird, wobei zur Rekonstruktion der Oberfläche die Koordinaten der einzelnen Höhenprofillinien während der Abtastung im Speicher eines Rechners des Leergutrücknahmeautomaten abgelegt und am Ende der Abtastung zu einer Fläche zusammengesetzt werden.
Das Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 13–16, wobei mindestens zwei beabstandete Linienprojektoren verwendet werden, deren optische Linien sich auf dem Leergutgebinde zu einer gemeinsamen optischen Linie ergänzen.
Das Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 13–17, wobei mindestens ein Linienprojektor und mindestens ein Spiegel verwendet werden, die jeweils an einer Seite des Leergutgebindes angeordnet sind, wobei der Spiegel einen Teil der optischen Linie des Linienprojektor reflektiert und die reflektierte optische Linie und die optischen Linie sich auf dem Leergutgebinde zu einer gemeinsamen optischen Linie ergänzen.