DE102011007520A1

DE102011007520A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kalibrieren einer Ausrichteiheit für Behälter und zum Ausrichten von Behältern

Info

Publication number: DE102011007520A1
Application number: DE102011007520A
Authority: DE
Inventors: Herbert Kolb
Original assignee: Krones AG
Current assignee: Krones AG
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2011-04-15
Publication date: 2012-10-18

Abstract

Beschrieben werden ein Verfahren zur Kalibrierung einer Ausrichteinheit für Behälter, ein Verfahren zum Ausrichten der Behälter sowie eine entsprechende Vorrichtung. Für die Kalibrierung wird ein Kalibrierkörper mit mehreren Passpunkten bereitgestellt, der in wenigstens einem Kalibrierbild abgebildet wird. Durch Ermitteln der Weltkoordinaten der Passpunkte und der Bildkoordinaten der Passpunkte im Kalibrierbild lässt sich ein Transformationsalgorithmus berechnen, der eine räumliche Beziehung zwischen Bildkoordinaten und Weltkoordinaten herstellt. Damit lässt sich eine vereinfachte Kalibrierung durchführen und die Ausrichtung von Behältern, insbesondere solchen mit bekannten Abmessungen und Formen, vereinfachen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer Ausrichteinheit für Behälter, ein Verfahren zum Ausrichten von Behältern in einer Ausrichteinheit, eine Ausrichteinheit zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren und eine Etikettiervorrichtung mit der erfindungsgemäßen Ausrichteinheit.
Vor der Etikettierung von Behältern, wie beispielsweise PET-Flaschen, müssen die Behälter in eine für die Etikettierung geeignete Drehlage gebracht werden, um beispielsweise zu vermeiden, dass über eine Pressnaht auf der Oberfläche des Behälters etikettiert wird. Hierzu werden die zu etikettierenden Behälter üblicherweise drehbar gehalten und an mehreren Inspektionskameras vorbeigefahren, um ein Merkmal, wie beispielsweise eine Pressnaht, in mehreren Kamerabildern, in denen die Flasche unterschiedlichen Drehlagen abgebildet ist, zu suchen und daraus eine Ist-Drehlage des Behälters zu bestimmen. Anschließend kann die gewünschte Soll-Drehlage des Behälters angefahren werden.
Um die Ist-Drehlage des Behälters zu ermitteln, werden üblicherweise Bildkoordinaten der gefundenen Merkmale in den Messbildern mit Referenzdaten in Kalibrierbildern verglichen. Hierzu ist es beispielsweise aus der DE 10 2006 022 492 A1 bekannt, für die Zuordnung von Weltkoordinaten zu Bildkoordinaten einen Kalibrierkörper zu verwenden, auf dessen Oberfläche ein gleichmäßiges Muster aus horizontalen und vertikalen Linien aufgebracht ist. Da die Lage und Größe des Linienmusters auf dem Kalibrierbehälter bekannt ist, kann beispielsweise anhand von Testkamerabildern ein vorgegebener Abbildungsmaßstab eingestellt werden und/oder eine Zuordnung von Objektpunkten und Bildpunkten vorgenommen werden und/oder optische Abbildungsfehler berücksichtigt werden.
Nachteilig bei diesem Vorgehen ist jedoch, dass eine derartige Kalibrierung für jede einzelne Aufnahmesituation getrennt erfolgen muss. Beispielsweise muss für jeden auszurichtenden Behältertyp ein entsprechender Kalibrierkörper bereitgestellt werden. Ebenso ist bei einem Austausch einer Inspektionskamera eine Neukalibrierung der Kamera für jeden einzelnen Behältertyp anhand der entsprechenden Kalibrierkörper notwendig. Außerdem lassen sich optische Abbildungsfehler nur näherungsweise für die einzelnen Messpositionen und die unterschiedlichen Behältertypen berücksichtigen.
Es müssen daher vergleichsweise hochwertige Inspektionsoptiken verwendet werden, um asymmetrische Abbildungsverzeichnungen möglichst zu vermeiden, sowie vergleichsweise teure Kameratypen mit einer reproduzierbaren inneren Orientierung. Die oben genannten Nachteile verursachen somit einen unerwünscht hohen Aufwand bei der Konstruktion und der Auswahl der optischen Komponenten sowie bei der Inbetriebnahme, der Wartung derartiger Kontrollvorrichtungen. Außerdem sind Bedienfehler bei der Kalibrierung und der Ausrichtung, falls überhaupt, nur mit sehr großem personellen Aufwand zu vermeiden.
Es besteht somit der Bedarf, die bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum Ausrichten von Behältern diesbezüglich zu verbessern.
Die gestellte Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zum Kalibrieren einer Ausrichteinheit für Behälter nach Anspruch 1. Demnach umfasst das Verfahren die Schritte: Bereitstellen eines Kalibrierkörpers mit mehreren Passpunkten an wenigstens einer Kalibrierposition und Abbilden der derart positionierten Passpunkte mit wenigstens einer zur Behälterkontrolle an der Ausrichteinheit vorgesehenen Kamera; b) Ermitteln von Weltkoordinaten der abgebildeten Passpunkte; c) Ermitteln von Bildkoordinaten der abgebildeten Passpunkte; und d) Einsetzen der Weltkoordinaten und der Bildkoordinaten in ein mathematisches Modell der Kameraabbildung und Berechnen wenigstens eines Algorithmus zur Koordinatentransformation aus einem Kamerakoordinatensystem der Kamera in ein Weltkoordinatensystem der Ausrichteinheit. Mit Hilfe des mathematischen Modells der optischen Abbildung und wenigstens einem auf dem Modell basierenden Transformationsalgorithmus ist eine Zuordnung von Bildkoordinaten und Weltkoordinaten unterschiedlicher auszurichtender Behälter nach Kalibrierung mit einem einheitlichen Kalibrierkörper möglich. Somit ist nur eine Kalibrierung notwendig, um die Lage unterschiedliche Behältertypen auszurichten.
Die Passpunkte können beispielsweise Punkte, Linien oder beliebige geometrische Muster sein. Der Kalibrierkörper ist vorzugsweise an die Form der auszurichtenden Behälter angelehnt und basiert beispielsweise auf einem zylindrischen Grundkörper. Die Weltkoordinaten der Passpunkte lassen sich durch das Anfahren definierter Kalibrierpositionen des Kalibrierkörpers und das Einhalten einer vorgegebenen Drehlage des Kalibrierkörpers ermitteln. Die Bildkoordinaten der Passpunkte im Kalibrierbild können beispielsweise durch eine automatische Bildauswertung ermittelt werden. Das Kamerakoordinatensystem ist beispielsweise auf einen bildgebenden Sensor in der Kamera bezogen und beispielsweise bezüglich der Zeilen und Spalten des Bildsensors normiert.
Vorzugsweise basiert das mathematische Modell auf einer Projektionsmatrix mit Parameter der inneren Orientierung der Kamera und der äußeren Orientierung der Passpunkte und der Kamera, und es umfasst insbesondere wenigstens eine Korrekturfunktion zur Korrektur von Abbildungsverzeichnungen und/oder der Affinität der Kamera. Die Parameter der inneren Orientierung sind beispielsweise: die Kamerakonstante als Abstand zwischen der Bildebene und der Linse der Kamera, näherungsweise auch die Brennweite der Kameraoptik; die Affinität des Bildsensors, also die Anzahl der Bildpunkte pro Längeneinheit in Zeilenrichtung und in Spaltenrichtung; und die Lage des Bildhauptpunkts, also des Durchstoßpunkts der optischen Achse durch die Bildebene. Die Parameter der äußeren Orientierung sind beispielsweise die Translation des Weltkoordinatensystems zum Kamerakoordinatensystem und die Rotation des Weltkoordinatensystems zum Kamerakoordinatensystem. Eine Projektionsmatrix eignet sich besonders gut für eine numerische Berechnung der räumlichen Beziehung zwischen den Bildkoordinaten und den Weltkoordinaten. Es sind jedoch auch andere numerische Verfahren und Gleichungssysteme zur Koordinatentransformation im Sinne der Erfindung denkbar.
Die Abbildungsverzerrungen sind beispielsweise die radial symmetrische, die radial asymmetrische und die tangentiale Verzeichnung. Es ist auch denkbar, die Affinität des Bildsensors durch eine separate Korrekturfunktion zu berücksichtigen. Es ist auch möglich, eine Korrekturfunktion zur Kompensation einer Nichtorthogonalität des Bildkoordinatensystems vorzusehen. Die Berechnung des Transformationsalgorithmus erfolgt beispielsweise nach dem Prinzip der fotogrammetrischen Bündelausgleichung. Somit lassen sich Fehler aufgrund von Abbildungsverzerrungen der Kamera bei der Ausrichtung von Behältern reduzieren. Folglich können optische Standardkomponenten eingesetzt werden, die nicht den erhöhten Anforderungen in Messkameras genügen müssen. Es ist somit sowohl bei der Erstinstallation als auch bei einem Austausch einzelner Komponenten ausreichend, die erfindungsgemäße Kalibrierung durchzuführen, um die optischen Verzeichnungen und/oder Toleranzen der optischen Elemente in einem aktualisierten Transformationsalgorithmus zu berücksichtigen.
Bei einer besonders günstigen Ausführungsform ist der Algorithmus ausgebildet, um mit der Kamera abgebildeten Objektpunkten auf auszurichtenden Behältern, die eine definierte Oberflächenform aufweisen und an einer definierten Messposition bereitgestellt werden, Weltkoordinaten zuzuordnen. Es ist somit bei der späteren Messung ausreichend, Formparameter für den auszurichtenden Behälter anzugeben, um die in den Messbildern ermittelten Bildkoordinaten mit tatsächlich möglichen Weltkoordinaten der Behälteroberfläche abzugleichen. Weltkoordinaten lassen sich somit besonders zuverlässig und mit geringem Rechenaufwand berechnen.
Bei einer besonders günstigen Ausgestaltung liegen die Kalibrierposition und die Messposition im Bereich einer Transportbahn der Behälter und sind insbesondere identisch. Dadurch lässt sich mit einem vergleichsweise geringen Aufwand für die Berechnung des Transformationsalgorithmus eine genaue Übereinstimmung der Koordinatentransformation bei der Kalibrierung und der späteren Messung erzielen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kalibrierung an dem späteren Messpositionen durchgeführt wird. Dadurch sind Interpolationen und/oder Näherungsrechnungen nicht oder nur in reduziertem Umfang nötig. Es wäre jedoch auch denkbar, die Kalibrierung an für die Kalibrierung besonders günstigen oder leicht zugänglichen Kalibrierpositionen durchzuführen. Die Messpositionen könnten dann beispielsweise auch zwischen den Kalibrierpositionen liegen.
Vorzugsweise werden wenigstens 15 Passpunkte in jeweils einem Kalibrierbild abgebildet, insbesondere wenigstens 50 Passpunkte. Dadurch lassen sich Gleichungssysteme des mathematischen Modells anhand eines Einzelbilds lösen und ein zugehöriger Transformationsalgorithmus berechnen. Besonders vorteilhaft ist eine Anzahl von wenigstens 100, insbesondere von wenigstens 200 Passpunkten pro Kamerabild. Dadurch lässt sich die Genauigkeit des Transformationsalgorithmus, insbesondere bei Berechnung aus einem Einzelkamerabild, weiter erhöhen. Insbesondere können die äußere Orientierung besonders genau anhand eines Einzelbilds berechnet und Unbekannte in Korrekturfunktionen bestimmt werden.
Bei einer besonders günstigen Ausgestaltung werden die Passpunkte im Schritt a) an wenigstens zwei unterschiedlichen Kalibrierpositionen des Kalibrierkörpers abgebildet und wenigstens ein Parameter der inneren Orientierung der Kamera anhand der unterschiedlich abgebildeten Passpunkte berechnet. Hierbei macht man sich zunutze, dass sich die innere Orientierung der Kamera auch bei einer geänderten äußeren Orientierung zwischen dem Kamerakoordinatensystem und dem Weltkoordinatensystem nicht ändert. Aus mehreren Kamerabildern derselben Kamera lassen sich somit die innere Orientierung der Kamera und die zugehörigen Abbildungsverzerrungen mit besonders großer Genauigkeit berechnen.
Vorzugsweise wird anhand des mathematischen Modells der Kameraabbildung ein im Wesentlichen von der Lage der Passpunkte zueinander unabhängiger Algorithmus zur Koordinatentransformation berechnet. Dadurch kann der Transformationsalgorithmus für unterschiedliche Behältertypen verwendet oder an diese angepasst werden. Anders gesagt, ist bei einem späteren Wechsel des auszurichtenden Behältertyps keine Neukalibrierung erforderlich.
Die gestellte Aufgabe wird ferner gelöst mit einem Verfahren nach Anspruch 8 zum Ausrichten von Behältern, das die folgenden Schritte umfasst: e) Bereitstellen eines auszurichtenden Behälters an wenigstens einer Messposition und Abbilden des derart positionierten Behälters mit wenigstens einer zur Behälterkontrolle an der Ausrichteinheit vorgesehenen Kamera; f) Ermitteln von Bildkoordinaten wenigstens eines charakteristischen Objektpunkts des abgebildeten Behälters; g) Bereitstellen wenigstens eines für die Oberflächenform des Behälters charakteristischen Formparameters; und h) Bereitstellen eines mit dem Verfahren nach wenigstens einem der vorigen Ansprüche für die Kamera berechneten Algorithmus zur Koordinatentransformation; und i) Transformieren von Weltkoordinaten des Behälters in Bildkoordinaten mit Hilfe des Algorithmus; und/oder Transformieren von Bildkoordinaten des Behälters in Weltkoordinaten mit Hilfe des Algorithmus.
Dadurch lassen sich Weltkoordinaten von Objektpunkten auf definierten Behälteroberflächen einfach und genau bestimmen. Dies gilt für eine Vielzahl unterschiedlicher Behälterformen und Behältertypen, wie beispielsweise PET-Flaschen oder Glasflaschen für Getränke, pharmazeutische Produkte, Reinigungsmittel oder dergleichen. Die Messposition des auszurichtenden Behälters ist beispielsweise durch eine konstante Transportgeschwindigkeit des auszurichtenden Behälters und den zeitlichen Ablauf des Messvorgangs gegeben. Ebenso lässt sich der Aufnahmezeitpunkt des Messbilds mit großer Genauigkeit mit dem Transport des auszurichtenden Behälters und somit der Messposition synchronisieren. Die Bildkoordinaten lassen sich durch Auswertung geeigneter charakteristischer Merkmale, wie beispielsweise Kontrastunterschiede, im Messbild durch Bildauswertung erfassen.
Für die Oberflächenform des Behälters charakteristische Formparameter sind beispielsweise Durchmesser zylindrischer Flaschenkörper oder beliebige rotationssymmetrische Flaschenkonturen. Diese sind beispielsweise aus dem Herstellungsprozess der auszurichtenden Behälter bekannt. Es wären allerdings auch nicht rotationssymmetrische Behälterformen geeignet, solange entsprechende Formparameter zur Definition der dreidimensionalen Ausdehnung des Behälters bereitgestellt werden können. Die durch den wenigstens einen Formparameter vorgegebene Oberflächenform des Behälters entspricht einem Vorrat an möglichen dreidimensionalen Objektkoordinaten im Weltkoordinatensystem. Es ist somit möglich, die mit dem Transformationsalgorithmus berechneten Weltkoordinaten mit möglichen Weltkoordinaten der Behälteroberflächen abzugleichen und dadurch die Genauigkeit der berechneten Weltkoordinaten zu erhöhen. Der bereitgestellte Transformationsalgorithmus ist eine beliebige Rechenvorschrift auf Grundlage des bei der Kalibrierung verwendeten mathematischen Abbildungsmodells. Dadurch, dass die Messposition und die Formparameter des auszurichtenden Behälters bereits vor der Aufnahme des Messbilds bekannt sind, lassen sich die Weltkoordinaten charakteristischer Objektpunkte, wie beispielsweise einer Pressnaht, mit dem Transformationsalgorithmus besonders genau und schnell, insbesondere in Echtzeit, berechnen.
Die Transformation im Schritt i) kann beispielsweise derart erfolgen, dass für ausgewählte Bildkoordinaten oder Bildpunkte der Messbilder die an der jeweiligen Messposition möglichen Weltkoordinaten der Behälteroberfläche bereits vor der Messung anhand bei der Kalibrierung gewonnener Daten berechnet werden. Das heißt, anhand der bekannten Orientierung von Kamera und Behälter oder Messposition zueinander, der Formparameter und des Modells der optischen Abbildung lässt sich jedem Bildpunkt der Messbilder, der der Behälteroberfläche zugeordnet ist, jeweils eine Weltkoordinate eindeutig zuordnen und als mögliche Ergebniskoordinate für die spätere Messung der Behälterausrichtung abspeichern. Bei der Messung einzelner Behälter kann dann beispielsweise einem charakteristischen Bildpunkt im Messbild die zugehörige, zuvor abgespeicherte Weltkoordinate zugeordnet werden und daraus eine Ist-Ausrichtung des Behälters berechnet werden. Die Weltkoordinaten können somit besonders einfach und schnell Bildpunkten von Interesse zugeordnet werden. Die Anzahl der Berechnungsschritte bei der eigentlichen Lagebestimmung der einzelnen Behälter wird somit minimiert.
Die Transformation im Schritt i) kann aber alternativ auch derart erfolgen, dass für einzelne Bildpunkte, die charakteristischen Objektpunkten auf der Behälteroberfläche entsprechen, die jeweils zugehörigen Weltkoordinaten erst bei der Messung der einzelnen Behälter berechnet werden. Diese Variante bedingt einen höheren Rechenaufwand bei der einzelnen Messung, ermöglicht aber eine erhöhte Flexibilität, da dann beispielsweise dynamische Vorgänge während des Produktionsablaufs in die Berechnung einfließen können. Nichtsdestoweniger basiert die Koordinatentransformation auch bei dieser Variante auf der bekannten Orientierung von Kamera und Behälter oder Messposition zueinander, dem wenigstens einen Formparameter des Behälters und auf dem Modell der optischen Abbildung, so dass sich den charakteristischen Bildpunkten der Messbilder jeweils eine Weltkoordinate der Behälteroberfläche eindeutig zuordnen lässt.
Bei einer besonders günstigen Ausgestaltung umfasst das Verfahren ferner einen Schritt j) zum Ermitteln einer Ist-Ausrichtung des Behälters, insbesondere einer Ist-Drehlage, anhand der im Schritt i) ermittelten Weltkoordinaten, und mit einem Schritt k) zum Anfahren einer Soll-Ausrichtung des Behälters, insbesondere einer Soll-Drehlage für eine anschließende Etikettierung des Behälters. Dadurch lässt sich der Behälter unmittelbar nach der Berechnung der Ist-Drehlage während des kontinuierlichen Weitertransports des Behälters in eine für die anschließende Etikettierung geeignete Ausgangsposition stellen. Somit lassen sich die Erkennung der Ist-Drehlage und die Ausrichtung des Behälters in eine Soll-Drehlage besonders schnell durchführen. Insbesondere lässt sich die erfindungsgemäße Ausrichtung der Behälter in besonders günstiger Weise in ein Etikettierkarussell integrieren, wobei für die Erkennung der Ist-Drehlage und die Ausrichtung in eine Soll-Drehlage nur ein kleiner Maschinenwinkel benötigt wird. Somit lassen sich Etikettierkarusselle besonders kompakt konstruieren und/oder ein besonders großer Maschinenwinkel des Etikettierkarussells für die anschließende Etikettierung nutzen.
Vorzugsweise wird der Wert des charakteristischen Formparameters aus einer Speichereinheit abgerufen, um die Koordinatentransformation an den Typ des auszurichtenden Behälters anzupassen, wobei das Abrufen insbesondere von einer an einen auszurichtenden Behälter gekoppelten Markierung automatisch ausgelöst wird. Somit lässt sich die Anpassung der Drehlagenerkennung an unterschiedliche Behältertypen automatisieren. Dies vereinfacht den Betrieb der Drehlagenerkennung, der Behälterausrichtung und der Etikettierung und vermeidet Bedienfehler. Die Positionsmarke kann beispielsweise eine auf dem Behälter angebrachte Markierung sein oder eine elektronische Markierung, die die Position des Behälters innerhalb eines Produktstroms festlegt. Es wäre auch denkbar, den jeweiligen Behältertyp beim Einlaufen des Behälters in die Ausrichteinheit zu erkennen und in Abhängigkeit von dem erkannten Behältertyp den jeweils zugehörigen Formparameter bereitzustellen.
Vorzugsweise werden die Behälter während des Schritts e) transportiert, insbesondere entlang einer Kreisbahn. Dadurch lässt sich ein Produktstrom aus auszurichtenden Behältern mit großer Geschwindigkeit und in kontinuierlicher Abfolge ausrichten. Der Transport entlang einer Kreisbahn ist besonders günstig in Etikettieranlagen zu realisieren. Denkbar sind jedoch generell auch lineare Transportstrecken oder beliebige Kombinationen aus linearen und kurvenförmigen Transportstrecken.
Bei einer besonders günstigen Ausgestaltung des Verfahrens sind der Kamera wenigstens zwei bezüglich der Transportbahn des Behälters hintereinander liegende Messpositionen zugeordnet. Ferner wird der Behälter zwischen den Messpositionen dann um seine Hauptachse gedreht, um mit der Kamera wenigstens zwei Messbilder des Behälters in unterschiedlichen Drehlagen aufzunehmen. Dadurch lässt sich pro Kamera ein besonders großer umfänglicher Bereich des Behälters kontrollieren. Außerdem lassen sich aus mehreren Kamerabildern derselben Kamera besonders genau die Parameter der inneren Orientierung der Kamera berechnen.
Vorzugsweise wird der Behälter an wenigstens zwei bezüglich der Transportbahn des Behälters hintereinander angeordneten Kameras vorbeigefahren, um den Behälter in wenigstens vier bezüglich seiner Drehlage überlappenden Messbildern, und insbesondere vollumfänglich, abzubilden. Dadurch kann die Drehlage zuverlässig erkannt werden.
Die gestellte Aufgabe wird ferner gelöst mit einer Ausrichteinheit nach Anspruch 14, die zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder des Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 13 geeignet ist. Demnach umfasst die erfindungsgemäße Ausrichteinheit: eine insbesondere karussellförmigen Transporteinrichtung für die Behälter, wobei an der Transporteinrichtung Ausrichtmittel vorgesehen sind, um die Behälter während des Transports individuell auszurichten, insbesondere um ihre Hauptachse zu drehen; wenigstens eine Kamera zur Kontrolle der Behälter während des Transports; und wenigstens eine Recheneinheit zum Auswerten von Bildkoordinaten und zum Transformieren der Bildkoordinaten in Weltkoordinaten, insbesondere zum Berechnen einer Ist-Drehlage der Behälter und zum Berechnen einer Drehlagenkorrektur, um eine Soll-Drehlage der Behälter für eine nachfolgende Etikettierung anzufahren. Damit lassen sich die bezüglich der erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile erzielen.
Die gestellte Aufgabe wird ferner gelöst mit einer die erfindungsgemäße Ausrichteinheit umfassenden Etikettiervorrichtung für Behälter. Die erfindungsgemäße Kalibrierung und Ausrichtung lässt sich besonders effizient mit einer unmittelbar anschließenden Etikettierung der Behälter kombinieren. Die Ausrichteinheit und die erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich jedoch generell an beliebigen Stellen des Produktionsprozesses einsetzen, bei dem ein Ausrichten der Behälter, insbesondere ein Ausrichten der Drehlage von PET-Flaschen, erforderlich ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
1 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Ausrichteinheit für Behältern;
2 eine schematische Draufsicht auf die erfindungsgemäße Ausrichteinheit beim Kalibrieren;
3 eine schematische Darstellung eines mit dem erfindungsgemäßen Ausrichtverfahren aufgenommenen Messbilds; und
4 eine schematische Darstellung eines mit dem erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren aufgenommenen Kalibrierbilds.
Wie die 1 erkennen lässt, umfasst eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ausrichteinheit 1 zum Ausrichten von Behältern 2, wie beispielsweise Getränkeflaschen und dergleichen, wenigstens zwei Kameras 3, 3' zum sequentiellen Abbilden seitlicher Ansichten der zu inspizierenden Behälter 2. Je nach Anzahl der pro Behälter 2 benötigten Kamerabilder können weitere Kameras mit identischer Funktion vorgesehen sein, die in der 1 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind. Eine in der Praxis bewährte Konfiguration sieht beispielsweise vier Kameras vor, die je drei sequentielle Aufnahmen des Behälters 2 in unterschiedlichen Drehlagen φ des Behälters 2 machen, um diesen in insgesamt zwölf Aufnahmen vollumfänglich abzubilden. Die erfindungsgemäßen Verfahren ließen sich jedoch prinzipiell, je nach Anforderung, auch mit einer einzelnen Kamera 3 und für beliebige umfängliche Teilbereiche der Behälteroberfläche 2a durchführen.
In der 1 ist ferner eine Recheneinheit 4 zur digitalen photogrammetrischen Bildauswertung schematisch angedeutet sowie eine Speichereinheit 5 zum Vorhalten von: behälterspezifischen Daten, wie beispielsweise einem Behälterradius rb; kameraspezifischen Daten der inneren Orientierung, wie beispielsweise Brennweiten fx, fy und der Hauptpunktlage cx, cy; und/oder Daten der äußeren Orientierung, beispielsweise Weltkoordinaten xw, yw, zw von Messpositionen 6 der Behälter 2 und/oder Kalibrierpositionen 7 eines Kalibrierkörpers 8. Auf letzterem sind ferner an definierten Stellen Passpunkte 9 als abzubildende Objektpunkte für eine mathematische Modellierung der optischen Abbildung der Kameras 3, 3' vorgesehen.
Es ist ferner ein Transportmittel 10 vorgesehen, um die Behälter 2 während der Abbildung kontinuierlich durch Bildaufnahmebereiche 3a, 3a' der Kameras 3, 3' zu bewegen. Das Transportmittel 10 rotiert vorzugsweise um eine vertikale Achse 10a, so dass sich die Behälter 2 im Wesentlichen entlang einer kreisförmigen Transportbahn 10b bewegen. Denkbar wären jedoch auch lineare Transportbahnen oder Kombinationen linearer und kurvenförmiger Bahnen.
Der Vollständigkeit halber sind in der 1 Lichtquellen 11, 11' angedeutet, die so ausgebildet sind, dass ein auf der Behälteroberfläche 2a vorgesehenes charakteristisches Merkmal 2b, wie beispielsweise eine Pressnaht, eine Prägung oder dergleichen, von den Kameras 3, 3' kontrastreich abgebildet werden kann, beispielsweise mittels Bestrahlung von schräg oben und/oder schräg unten. Zur Halterung und Ausrichtung der Behälter 2 sind koaxial zur Hauptachse 2c der Behälter 2 drehbare Ausrichtmittel 12, wie beispielsweise Drehteller mit Halterungen, auf dem Transportmittel 10 gelagert.
Entlang der Transportbahn 10b sind mehrere Messpositionen 6 des Behälters 2 vorgesehen sowie mehrere Kalibrierpositionen 7 des Kalibrierkörpers 8. Letzteres ist der 2 zu entnehmen. Das heißt, von dem Behälter 2 wird an jeder Messposition 6 ein Messbild 13 aufgenommen sowie von dem Kalibrierkörper 8 an jeder Kalibrierposition 7 ein Kalibrierbild 14. Entsprechende Mess- und Kalibierbilder 13, 14 sind beispielhaft in den 3 und 4 angedeutet, ausgewählte Datenströme von Bilddaten und Parameterwerten zur Recheneinheit 4 durch Pfeile in den 1 und 2.
Die beschriebene Anzahl der Messpositionen 6 und der Kalibrierpositionen 7 ist lediglich beispielhaft. Wie in den 1 und 2 für die erste Kamera 3 angedeutet ist, sind die Messpositionen 6 zur Vereinfachung der Modellierung zweckmäßigerweise identisch mit den Kalibrierpositionen 7. Wie für die zweite Kamera 3' angedeutet ist, können die Messpositionen 6 und die Kalibrierpositionen 7 aber auch entlang der Transportbahn 10b zueinander versetzt sein, beispielsweise die Messpositionen 6 an Zwischenpositionen zwischen den Kalibrierpositionen 7. Die in der 2 dargestellten, unterschiedlichen Abstände zwischen den Kalibrierpositionen 7 der Kameras 3 und 3' dienen hierbei lediglich dem besseren Verständnis möglicher Varianten.
Wie die 1 ferner verdeutlicht, werden die Behälter 2 zwischen den Messpositionen 6 jeweils um ihre Hauptachse 2c gedreht, um den jeweiligen Behälter 2 in aufeinanderfolgenden Messbildern 13 in unterschiedlichen Drehlagen φ abzubilden. Dagegen werden die Halterungen 12 zwischen aufeinanderfolgenden Kalibrierbildern 14 vorzugsweise nicht gedreht. Dies ist in der 2 schematisch anhand der Passpunkte 9 angedeutet.
Wie die 3 und 4 erkennen lassen, unterscheiden sich die Messbilder 13 und die Kalibrierbilder 14 im Wesentlichen dadurch, dass in den Messbildern 13 die zu inspizierenden Behälter 2 abgebildet werden, in den Kalibrierbildern 14 dagegen der Kalibrierkörper 8. Auf diesem ist eine Vielzahl von Passpunkten 9 oder dergleichen vorgesehen, deren räumliche Koordinaten bezüglich des Kalibrierkörpers 8 definiert sind. Vorzugsweise sind die Passpunkte 9 in einem regelmäßigen Muster angeordnet. Da die Weltkoordinaten xw, xy, xz und die Drehlage φ des Kalibrierkörpers 8 an den Kalibrierpositionen 7 definiert sind, lassen sich die Weltkoordinaten xw, xy, xz der in den Kalibrierbildern 7 abgebildeten Passpunkte 9 eindeutig zuordnen.
Da auch die Weltkoordinaten xw, yw, zw der vorzugsweise ortsfesten Kameras 3, 3', einschließlich ihrer Orientierung bezüglich der Transportbahn 10b bekannt sind, lässt sich aus den Bildkoordinaten u, v der Passpunkte 9 in den Kalibrierbildern 7 sowie den Weltkoordinaten xw, yw, zw der Passpunkte 9 und der jeweiligen Kamera 3, 3' eine räumliche Beziehung zwischen einem Kamerakoordinatensystem 15 der jeweiligen Kamera 3, 3' und einem Weltkoordinatensystem 16 der Ausrichteinheit 1 ableiten. Die Kamerakoordinatensysteme 15 haben ihren Ursprung beispielsweise in den Bildebenen der Kameras 3, 3' und können mit den jeweiligen Bildkoordinatensystemen identisch sein oder sind durch eine Koordinatentransformation mit diesen verknüpft. Das Weltkoordinatensystem 16 könnte seinen Ursprung beispielsweise in der Drehachse 10a des Transportmittels 10 haben (nicht gezeigt). Obwohl für das Weltkoordinatensystem 16 beispielhaft kartesische Koordinaten xw, yw, zw angegeben sind, könnten auch Zylinderkoordinaten, Polarkoordinaten oder dergleichen verwendet werden.
Die räumliche Beziehung zwischen dem Kamerakoordinatensystem 15 und dem Weltkoordinatensystem 16 wird durch ein geeignetes mathematisches Modell der Kameraabbildung hergestellt. Derartige Modelle sind aus der Photogrammetrie bekannt und beruhen im Wesentlichen auf dem Prinzip der Zentralprojektion. Bekanntermaßen wird die optische Abbildung hierbei durch die innere Orientierung der Kamera 3, 3' sowie die äußere Orientierung des Kamerakoordinatensystems 15 bezüglich des Weltkoordinatensystems 16 charakterisiert. Ein erfindungsgemäßes mathematisches Modell der Kameraabbildung ist beispielsweise durch die nachfolgende Projektionsmatrix PM definiert. Diese enthält Parameter fx, fy, cx, cy der inneren Orientierung und beispielsweise eine Rotationsmatrix und eine Translationsmatrix zur Definition der äußeren Orientierung:
Hierbei bezeichnen für die Abbildung eines Passpunkts 9:

u, v: Bildkoordinaten des Passpunkts 9 in Zeilen und Spaltenrichtung;
fx, fy: Brennweite der abbildenden Optik in horizontaler und vertikaler Richtung;
cx, cy: Lage des Bildhauptpunkts der optischen Achse in horizontaler und vertikaler Richtung;
r1 bis r9: Rotationsmatrix;
Tx, Ty, Tz: Translationsmatrix; und
xw, yw, zw: Weltkoordinaten des Passpunkts 9 mit den Bildkoordinaten u, v.

Es versteht sich von selbst, dass ein aus der Projektionsmatrix PM folgendes Gleichungssystem nur mit einer ausreichenden Anzahl von Passpunkten 9 pro Kalibrierbild 14 und den zugehörigen Koordinatenpaaren, also Bild- und Weltkoordinaten u, v, xw, yw, zw gelöst werden kann. Geeignete Algorithmen zum Lösen derartiger Gleichungssysteme sind beispielsweise in freien oder kommerziellen Programmbibliotheken verfügbar, so dass darauf an dieser Stelle nicht näher eingegangen werden muss.
Aus der Lösung des mathematischen Modells, wie beispielsweise der Projektionsmatrix PM, wird wenigstens ein auf dem mathematischen Modell basierender Transformationsalgorithmus berechnet, der eine Koordinatentransformation charakteristischer Bildpunkte 17 in den Messbildern 13 aus dem Kamera- oder Bildkoordinatensystem 15 der jeweiligen Kamera 3, 3' in das Weltkoordinatensystem 16 des Ausrichteinheit 1 erlaubt. Anhand derart berechneter Weltkoordinaten xw, yw, zw der charakteristischen Bildpunkte 17 lässt sich beispielsweise die Ist-Drehlage φi einer Pressnaht oder dergleichen feststellen und eine für eine nachfolgende Etikettierung notwendige Korrektur der Drehlage φ einleiten, um eine Soll-Drehlage φa einzustellen.
Für das erfindungsgemäße Verfahren sind 15 Passpunkte 9 pro Kalibrierbild 14 ausreichend. Vorzugsweise werden jedoch in einem Kalibrierbild 14 wenigstens 50, vorzugsweise wenigstens 100, und insbesondere wenigstens 200 Passpunkte 9 abgebildet, um Abweichungen der optischen Abbildung vom Ideal der Zentralprojektion und/oder die Affinität des jeweils abbildenden Bildsensors der Kamera 3, 3' zu berücksichtigen. Diese Einflussgrößen lassen sich in das mathematische Abbildungsmodell als Korrekturfunktionen für jede Kamera 3, 3' getrennt einbeziehen.
Beispielsweise können konstruktionsbedingte radial symmetrische Verzeichnungen im Allgemeinen mit genügender Genauigkeit durch eine Funktion mit einem Polynom ungerader Potenzen des Bildradius im Modell dargestellt werden. Für toleranzbedingte radial asymmetrische und tangentiale Verzeichnungen sind z. B. Lösungen in Anlehnung an die Berechnung nach Conrady und/oder Brown verfügbar. Korrekturfunktionen für die Affinität des Bildsensors, also das Verhältnis der Bildpunktabmessungen in Spalten- und Zeilenrichtung, lassen sich ebenso in das Abbildungsmodell integrieren wie eine gegebenenfalls vorhandene Nichtorthogonalität des Kamerakoordinatensystems 15. Zusätzliche optische Verzeichnungen können durch Filter, Schutzgläser und dergleichen in den Abbildungsstrahlengängen verursacht werden. Auch diese lassen sich durch geeignete Korrekturfunktionen berücksichtigen. Für die Lösung komplexer Gleichungssysteme mit Korrekturfunktionen ist eine möglichst große Anzahl von Passpunkten 9 vorteilhaft, um ein realitätsnahes Abbildungsmodell bereit zu stellen und die Drehlage φ ausreichend genau bestimmen zu können.
Die Größe und Form des Kalibrierkörpers 8 ist vorzugsweise an die auszurichtenden Behälter 2 angelehnt. Jedoch ist es gerade ein Vorzug der erfindungsgemäßen Kalibrierung, dass anhand der Passpunkte 9 ein von der Form des Kalibrierkörpers 8 und/oder der auszurichtenden Behälter 2 unabhängiges Abbildungsmodell erstellt wird. Es ist daher möglich, nach Kalibrierung mit einem einzigen Kalibrierkörper 8, Weltkoordinaten xw, yw, zw charakteristischer Punkte 17 auf Behältern 2 unterschiedlicher Formen und Abmessungen zu ermitteln.
Hierbei können für die Ausrichtung unterschiedlicher Behältertypen ohne Weiteres unterschiedliche Transformationsalgorithmen zur Überführung von Bildkoordinaten u, v in Weltkoordinaten xw, yw, zw und Drehlagen φ aus dem mathematischen Modell der Kameraabbildung abgeleitet werden. Dies vereinfacht gegebenenfalls den Berechnungsaufwand und ermöglicht eine zuverlässige Erkennung der Ist-Ausrichtung φi der jeweiligen Behälter 2 in Echtzeit. Allerdings beruhen die Transformationsalgorithmen auf dem gleichen mathematischen Modell oder Gleichungssystem, beispielsweise auf der Projektionsmatrix PM.
Die Anzahl der Passpunkte 9 wird vorzugsweise so gewählt, dass sich das Modell der optischen Abbildung für jede Kalibrierposition 7 aus einem einzelnen Kalibrierbild 14 herleiten lässt. Dies betrifft insbesondere die Herleitung der äußeren Orientierung, die sich zwischen den einzelnen Kalibrierpositionen 7 und Messpositionen 6 jeweils unterscheidet.
Um die Parameter der inneren Orientierung der Kamera 3, 3' mit besonders großer Genauigkeit herzuleiten, können jedoch Daten unterschiedlicher Kalibrierbilder 14 derselben Kamera 3, 3' miteinander kombiniert werden. Das heißt, im Gegensatz zur äußeren Orientierung zwischen dem Kamerakoordinatensystem 15 und dem Weltkoordinatensystem 16 ändert sich innere Orientierung der Kamera 3, 3' zwischen den jeweils zugehörigen Kalibrierbildern 14 und Kalibrierpositionen 7 nicht. Dies gilt selbstverständlich auch für alle von einer Kamera 3, 3' erzeugten Messbilder 13.
Die beschriebene mathematische Modellierung der optischen Abbildung und das Bereitstellen wenigstens eines davon abgeleiteten Transformationsalgorithmus zur Ermittlung von Weltkoordinaten xw, yw, zw aus Bildkoordinaten u, v erlaubt eine Kalibrierung der Ausrichteinheit 1 anhand eines einzigen, universell verwendbaren, also für unterschiedliche auszurichtende Behältertypen geeigneten Kalibrierkörpers 8 insbesondere unter der Bedingung, dass bei der späteren Ausrichtung der Drehlage φ Behälter 2 abgebildet werden, deren Größe und Form bekannt ist.
Die Größe und Form der auszurichtenden Behälter 2 kann beispielsweise in Form wenigstens eines Formparameters, wie im einfachsten Fall dem Behälterradius rb, Umrissen, Konturen von Rotationskörpern und dergleichen, in der Speichereinheit 5 oder einer anderen geeigneten Datenbank abgelegt werden. Ebenso denkbar wäre eine manuelle Eingabe geeigneter Formparameter bei einem Wechsel des Behältertyps. Vorteilhaft ist jedoch eine automatische Bereitstellung der dem jeweiligen Behälter 2 zugeordneten Formparameter. Eine derartige automatische Zuordnung der Formparameter kann beispielsweise durch eine Markierung an den Behältern 2 selbst und/oder in Form einer elektronischen Positionsmarke zur Kennzeichnung der Behälterposition innerhalb des Produktstroms erfolgen. Dadurch wird nicht nur der Produktionsablauf vereinfacht sondern die Zuverlässigkeit der Behälterausrichtung erhöht, indem Bedienfehler vermieden werden.
Die Messpositionen 6 und deren Weltkoordinaten xw, yw, zw sind entlang der Transportbahn 10b beispielsweise dadurch definiert, dass die Behälter 2 zentriert auf dem Ausrichtmittel 12 angebracht werden und von dem Transportmittel 10 mit einer konstanten Geschwindigkeit an den Kameras 3, 3' vorbei bewegt werden. Durch geeignete Bildauslösung lässt sich ein definierter Aufnahmezeitpunkt für die Messbilder 13 und damit eine definierte Messposition 6 realisieren. Dies gilt in gleichem Maße für den Kalibrierkörper 8, wobei dieser auch mit einer gegenüber der Behälterausrichtung reduzierten Geschwindigkeit an den Kameras 3, 3' vorbei gefahren werden könnte, um beispielsweise zusätzliche Kalibrierbilder 14 an Zwischenpositionen aufzunehmen. Auch könnte das Transportmittel 10 an den Kalibrierpositionen 7 angehalten werden. Die Kalibrierung kann diesbezüglich beliebig an die Erfordernisse des mathematischen Abbildungsmodells und der bei der Behälterausrichtung eingesetzten Transformationsalgorithmen angepasst werden.
Obwohl die Behälter 2 grundsätzlich entlang beliebig geformter Transportbahnen 10b an den Kameras 3, 3' vorbei gefahren werden können, ist doch eine kreisförmige Transportbahn 10b besonders vorteilhaft. Diese lässt sich auf einfache Weise in einem Etikettierkarussell mit dem Transportmittel 10 realisieren. Mit den Ausrichtmitteln 12 lässt sich zum Einen die Drehlage φ der Behälter 2 zwischen den einzelnen Messbildern 13 in definierten Winkelschritten ändern und zum Anderen die Behälter 2 aus einer Ist-Drehlage φi nach Aufnahme des letzten Messbilds 13 in eine Soll-Drehlage φa drehen. Diese ist vorzugsweise eine Ausgangslage der Behälter 2 für eine anschließende Etikettierung der Behälter 2. Vorzugsweise werden die Behälter 2 unmittelbar nach Anfahren der Soll-Drehlage φa etikettiert.
Die erfindungsgemäße Ausrichteinheit 1 lässt sich wie folgt kalibrieren:
Der erfindungsgemäße Kalibrierkörper 8 wird vorzugsweise kontinuierlich entlang der Transportstrecke 10b durch die Bildaufnahmebereiche 3a, 3a' der Kameras 3, 3' gefahren. Beim Erreichen der definierten Kalibrierpositionen 7 wird ein Steuersignal an die jeweils zugeordnete Kamera 3, 3' übermittelt, um an den Kalibrierpositionen 7 jeweils wenigstens ein Kalibrierbild 14 aufzunehmen, in dem die Passpunkte 9 des Kalibrierkörpers 8 abgebildet sind. Die Drehlage φ des Kalibrierkörpers 8 bezüglich der Transportbahn 10b kann während der Kalibrierung konstant sein.
Die Kalibrierbilder 14 werden an die Recheneinheit 4 zur Bildauswertung übermittelt. Die Bildkoordinaten u, v der Passpunkte 9 werden für jedes Kalibrierbild 14 gesondert ermittelt. Aus der bekannten Größe und Form des Kalibrierkörpers 8 und dessen bekannter Drehlage φ und Position xw, yw, zw bei der Aufnahme lassen sich die Weltkoordinaten xw, yw, zw der Passpunkte 9 für jede Kalibrierposition 7 gesondert bestimmen. Die Kameras 3, 3' sind vorzugsweise ortsfest, so dass die Weltkoordinaten xw, yw, zw der Kameras 3, 3' vorzugsweise als Konstante in die Auswertung eingeht. Generell sind aber beliebige Relativbewegungen zwischen den Kameras 3, 3' und dem Kalibrierkörper 8 denkbar, solange sich die Weltkoordinaten xw, yw, zw des Kalibrierkörpers 8 und der Kameras 3, 3' einschließlich deren Orientierung ermitteln und mit zugehörigen Bilddaten verrechnen lassen.
Anhand von wenigstens fünfzehn Koordinatenpaaren bestehend jeweils aus den Weltkoordinaten xw, yw, zw und den Bildkoordinaten u, v eines Passpunkts 9 wird ein Gleichungssystem im Wesentlichen basierend auf dem beschriebenen mathematischen Abbildungsmodell gelöst. Dadurch lassen sich die Unbekannten des Gleichungssystems bestimmen, und somit die Parameter der inneren Orientierung der Kamera und der äußeren Orientierung zwischen dem Kamerakoordinatensystem 15 und dem Weltkoordinatensystem 16 ermitteln. Hierbei werden die Parameter der äußeren Orientierung vorzugsweise aus jeweils einem Kalibrierbild 14 und den zugehörigen Weltkoordinaten xw, yw, zw der Passpunkte 9 ermittelt. Die Parameter der inneren Orientierung der Kamera 3, 3' werden vorzugsweise aus mehreren Kalibrierbildern 14 einer Kamera 3, 3' berechnet, um die Genauigkeit der Parameterberechnung zu erhöhen.
Die Parameter der inneren Orientierung umfassen beispielsweise die Kamerakonstante oder Objektivbrennweite fx, fy, den Bildhauptpunkt cx, cy der optischen Achse, die Affinität des Bildsensors der Kamera 3, 3', optische Verzeichnungen und dergleichen. Die Parameter der äußeren Orientierung umfassen beispielsweise die Translation und die Rotation des Kamerakoordinatensystems bezüglich des Weltkoordinatensystems.
Um die Unbekannten aus Korrekturfunktionen der Affinität und/oder optischen Verzeichnungen innerhalb des verwendeten Gleichungssystems zu bestimmen, werden vorzugsweise mehr als 15 Passpunkte pro Kalibrierbild 14 ausgewertet. Es werden zu diesem Zweck vorzugsweise wenigstens 50 Passpunkte pro Kalibrierbild 14 ausgewertet, insbesondere wenigstens 100 Passpunkte 9 pro Kalibrierbild 14. Vorteilhafterweise sind die Kalibrierpositionen 7 identisch mit den Messpositionen 6 zur Bestimmung der Ist-Drehlage φi der Behälter 2. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig. Es wäre beispielsweise denkbar, eine größere Anzahl von Kalibrierpositionen 7 vorzusehen, um durch Interpolation zwischen den Kalibrierpositionen 7 eine engmaschige Abdeckung des gesamten Abbildungsbereichs 3a, 3a' der Kameras 3, 3' bei der Aufnahme der Messbilder 13 zu erzielen. Zu diesem Zweck könnte der Kalibrierkörper 8 beispielsweise mit einer im Vergleich zur späteren Messung der Ist-Drehlage φi reduzierten Geschwindigkeit an den Kameras 3, 3' vorbeigefahren werden. Dadurch ließe sich eine Vielzahl von Kalibrierbildern 14 für die Bildauswertung bereitstellen.
Die Form des Kalibrierkörpers 8 und die Verteilung der Passpunkte 9 kann beliebig an die gestellte Messaufgabe angepasst werden. Die Darstellung in der 4 ist diesbezüglich lediglich beispielhatt und schematisch. Es lassen sich prinzipiell beliebig geformte Behälter 2 ausrichten, insbesondere Behälter 2, deren charakteristische Formparameter bekannt sind. Allerdings eignen sich die dargestellten zylindrischen und konischen Teilabschnitte des Kalibrierkörpers 8 generell besonders gut für die Kalibrierung zur Ausrichtung rotationssymmetrischer Behälter 2.
Die Behälter 2 lassen sich mit der erfindungsgemäßen Ausrichteinheit 1 wie folgt ausrichten: In der Recheneinheit 4 wird pro Messposition 6 wenigstens ein auf dem mathematischen Abbildungsmodell basierender Algorithmus zur Koordinatentransformation aus einem Kamerakoordinatensystem 15, beispielsweise dem Bildkoordinatensystem, in das Weltkoordinatensystem 16 der Ausrichteinheit 1 bereitgestellt.
Außerdem wird für die jeweils auszurichtenden Behälter 2 ein für den jeweiligen Behältertyp charakteristischer Formparametersatz zur Charakterisierung der Behälterform und der Behältergröße bereitgestellt. Vorzugsweise lassen sich die Formparametersätze aus einer Datenbank, beispielsweise aus der Speichereinheit 5, abrufen. Insbesondere werden die zugehörigen Formparameter automatisch an den auszurichtenden Behälter 2 angepasst. Bei einem zylindrischen Behälter 2 könnte dies beispielsweise der Behälterradius rb sein. Bei komplexeren Behälterformen könnte zu diesem Zweck ein Umriss stellvertretend für eine rotationssymmetrische Behälterkontur abgespeichert sein. Die den jeweiligen Behältertyp charakterisierenden Formparameter legen im Wesentlichen die tatsächlich möglichen Weltkoordinaten xw, yw, zw auf der Behälteroberfläche 2a an den einzelnen Messpositionen 6 fest.
Mit dem Transformationsalgorithmus werden den Bildkoordinaten u, v der charakteristischen Bildpunkte 17 eindeutig und zuverlässig Weltkoordinaten xw, yw, zw zugeordnet. Hierbei können sämtliche in der Praxis auftretende Abbildungsfehler der Kameras 3, 3' einschließlich durch die Herstellung, Montage, und Bauteile bedingter Ungenauigkeiten für jede Kamera 3, 3' gesondert berücksichtigt werden. Ferner ist lediglich eine einmalige Kalibrierung der Kameras 3, 3' nötig, um anschließend die Ist-Drehlage φi unterschiedlicher Behälter 2, insbesondere solcher mit bekannten Konturen, zu ermitteln. Die Qualität der Fehlerkorrektur hängt dann im Wesentlichen von der Anzahl der Passpunkte 9 in den zuvor aufgenommenen Kalibrierbildern 14 und dem verwendeten mathematischen Abbildungsmodell ab.
Für die Ausrichtung zu etikettierender Behälter 2 werden diese als kontinuierlicher Produktstrom in die erfindungsgemäße Ausrichteinheit 1, die vorzugsweise einer Etikettiereinheit unmittelbar vorgelagert ist, entlang der Transportstrecke 10b geleitet. Beim Erreichen der ersten Messposition 6 wird von der ersten Kamera 3 ein erstes Messbild 13 des Behälters 2 aufgenommen. Das Auslösen der Aufnahme kann in bekannter Weise erfolgen. Die Aufnahme des ersten Messbildes 6 erfolgt während des kontinuierlichen Transports des Behälters 2. Nach der Aufnahme des ersten Messbildes 13 wird der Behälter 2 um einen vorgegebenen Drehwinkel, beispielsweise 30°, gedreht und nach Erreichen der neuen Drehlage φ von der ersten Kamera 3 in einem zweiten Messbild 13 abgebildet. Das Verändern der Drehlage φ des Behälters 2 um einen vorgegebenen Drehwinkel kann beispielsweise durch eine entsprechende Drehlagenarretierung der Behälter 2 auf den Ausrichtmitteln 12 gewährleistet werden. Beispielsweise lassen sich mit der ersten Kamera 3 auf diese Weise drei aufeinanderfolgende Messbilder 13 des Behälters 2 in unterschiedlichen Drehlagern φ des Behälters 2 aufnehmen. Entsprechend ließe sich eine vollumfängliche Abbildung des Behälters 2 beispielsweise durch vier entlang der Transportbahn 10b hintereinander angeordnete Kameras 3, 3' realisieren (nicht gezeigt).
Eine vollumfängliche Abbildung des Behälters 2 ist generell wünschenswert, aber je nach Anwendung nicht unbedingt notwendig. Es versteht sich von selbst, dass eine umfängliche Abbildung des Behälters 2 mit einer beliebigen Kombination sequentiell aufgenommener Messbildern 13 erzielt werden kann, wobei die Anzahl der dafür benötigten Kameras 3, 3' je nach Verlauf der Transportbahn 10b, der Größe der Bildaufnahmebereiche 3a, 3a', der Transportgeschwindigkeit der Behälter 2 und der geforderten Genauigkeit der Behälterausrichtung variieren kann.
Die Bilddaten der einzelnen Messbilder 13 können automatisch ausgewertet werden, beispielsweise indem charakteristische Kontrastunterschiede in den Bildern 13 gesucht werden, um die charakteristischen Bildpunkte 17 zu identifizieren. Beispielsweise verursacht die in der 3 angedeutete Pressnaht 2b eine vertikal verlaufende Helligkeitsgrenze in denjenigen Messbildern 13, in denen die Pressnaht jeweils der Kamera 3, 3' zugewandt ist. Aus den Bilddaten lassen sich beispielsweise die Bildkoordinaten u, v der Pressnaht extrahieren.
Insbesondere nach Eingabe der zugehörigen Formparameter des abgebildeten Behälters 2 ist es möglich, den Bildkoordinaten der Pressnaht 2b wenigstens eine Weltkoordinate xw, yw, zw, insbesondere eine Drehlage φ des Behälters 2 zuzuordnen. Hierbei ermöglicht der Transformationsalgorithmus eine genaue Zuordnung von Bildkoordinaten u, v und Weltkoordinaten xw, yw, zw trotz optischer Verzeichnungen und bei wechselnden Objektabständen vor den Kameras 3, 3', beispielsweise bei der Abbildung und Ausrichtung von Behältern 2 unterschiedlicher Durchmesser.
Vorzugsweise wird dazu im Vorfeld der Messung für jeden Bildpunkt 17 der Messbilder 13, der einem Oberflächenbereich des auszurichtenden Behältertyps entspricht, eine Weltkoordinate xw, yw, zw als mögliches Messergebnis berechnet und beispielsweise in Form einer Wertetabelle oder dergleichen abgespeichert. Bei der Messung einzelner Behälter 2 kann dann einem Bildpunkt 17 von Interesse, also einem charakteristischen Objektpunkt, die zugehörige, zuvor abgespeicherte Weltkoordinate xw, yw, zw eindeutig zugeordnet werden und daraus die Ist-Drehlage φi des Behälters 2 berechnet werden.
Es versteht sich von selbst, dass für die vorbereitende Koordinatentransformation das zuvor bei der Kalibrierung bestimmte Modell der optischen Abbildung verwendet wird, um eine schnelle und genaue Zuordnung von Bildkoordinaten u, v und Weltkoordinaten xw, yw, zw bei der Messung und Ausrichtung der einzelnen Behälter 2 zu gewährleisten. Hierbei macht man sich zunutze, dass die Orientierung von Kameras 3, 3' und Behälter 2 oder Messposition 6 zueinander, der wenigstens eine Formparameter des Behältertyps und somit auch das Modell der optischen Abbildung für jede Kamera 3, 3' und Messposition 6 während der Messung einzelner Behälter 2 im Wesentlichen konstant und/oder reproduzierbar sind.
Alternativ könnte man Weltkoordinaten xw, yw, zw auch bei der eigentlichen Messung der Behälter 2 für einzelne Bildpunkte 17 von besonderem Interesse berechnen. In diesem Fall ist das Abspeichern von Wertetabellen oder dergleichen im Vorfeld der Messung entbehrlich.
In jedem Fall erhält man aber für charakteristische Merkmale 2b auf der Behälteroberfläche 2a Weltkoordinaten xw, xy, xz, die bezüglich der jeweiligen optischen Abbildungsverhältnisse und Behältertypen korrigiert sind. Hierbei ermöglicht die erfindungsgemäße Koordinatentransformation eine erhebliche Vereinfachung sowohl bei der Kalibrierung und Wartung der Ausrichteinheit als auch im Produktionsbetrieb, beispielsweise bei häufigen Produktwechseln.
Nach Ermittlung der Weltkoordinaten xw, yw, zw der charakteristischen Merkmale 2b, wie beispielsweise Pressnähte, in den Messbildern 13 wird die Ist-Drehlage φi des Behälters 2 bezüglich der Transportbahn 3b ermittelt. Danach wird in bekannter Weise die Soll-Drehlage φa des Behälters 2 für eine nachfolgende Etikettierung oder dergleichen angefahren.
Für eine besonders genaue Bestimmung der Drehlage φ ist es hierbei lediglich notwendig, der der Recheneinheit 4 den auszurichtenden Behältertyp 2 und einen zugeordneten Formparametersatz mitzuteilen. Zu diesem Zweck werden den auszurichtenden Behältern 2 beispielsweise Positionsmarken zugeordnet, um den zugehörigen Formparametersatz für die Berechnung automatisch auszuwählen. Derartige Positionsmarken können unmittelbar auf den Behältern 2 angebracht sein und beim Einlaufen in die Ausrichteinheit 1 erkannt werden oder in elektronischer Form als Positionsmarken zur Identifizierung der Position des Behälters 2 innerhalb des Produktstroms bereitgestellt werden.
Die erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren und Ausrichtverfahren eignen sich in besonderer Weise zum Einstellen einer Ausgangsdrehlage φa für eine nachfolgende Behälteretikettierung. Die Verfahren sind aber auch für andere Produktionsschritte geeignet, bei der eine Ausrichtung von Behältern, insbesondere deren Drehlage φ, benötigt wird. Mit dem beschriebenen Verfahren ist eine hohe Ausrichtgenauigkeit möglich. Beispielsweise lassen sich aus den Bilddaten der Messbilder 13 die Weltkoordinaten xw, yw, zw mit einer Genauigkeit berechnen, die der halben Abmessung der verwendeten Bildpunkte des Bildsensors entspricht, also der halben Auflösung des Bildkoordinatensystems 15. Damit lässt sich beispielsweise die Drehlage φ der Behälter 2 mit einer Genauigkeit von wenigstens einem Grad einstellen. Dies ist für die Anforderung bei der Etikettierung von Behältern ausreichend. Es wäre aber auch denkbar, beispielsweise bei einer reduzierten Maschinenleistung, eine höhere Genauigkeit der Behälterausrichtung zu erzielen.
Erfindungsgemäß lassen sich beliebig geformte Behälter aus Kunststoff wie z. B. PET, Glas, Metall, Verbundmaterialien und dergleichen ausrichten. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Ausrichteinheit und der beschriebenen Verfahren in Getränkeabfüllanlagen, insbesondere in Etikettiermaschinen. Generell lassen sich aber beliebige befüllte oder leere Flaschen und dergleichen ausrichten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006022492 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Kalibrieren einer Ausrichteinheit (1) für Behälter (2), mit den Schritten: a) Bereitstellen eines Kalibrierkörpers (8) mit mehreren Passpunkten (9) an wenigstens einer Kalibrierposition (7) und Abbilden der derart positionierten Passpunkte mit wenigstens einer zur Behälterkontrolle an der Ausrichteinheit vorgesehenen Kamera (3, 3'); b) Ermitteln von Weltkoordinaten (xw, yw, zw) der abgebildeten Passpunkte; c) Ermitteln von Bildkoordinaten (u, v) der abgebildeten Passpunkte; d) Einsetzen der Weltkoordinaten und der Bildkoordinaten in ein mathematisches Modell der Kameraabbildung und Berechnen wenigstens eines Algorithmus zur Koordinatentransformation aus einem Kamerakoordinatensystem (15) der Kamera (3, 3') in ein Weltkoordinatensystem (16) der Ausrichteinheit (1).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das mathematische Modell auf einer Projektionsmatrix (PM) mit Parametern der inneren Orientierung der Kamera (3, 3') und der äußeren Orientierung der Passpunkte (9) und der Kamera basiert, und insbesondere wenigstens eine Korrekturfunktion zur Korrektur von Abbildungsverzeichnungen und/oder der Affinität der Kamera umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Algorithmus ausgebildet ist, um mit der Kamera (3, 3') abgebildeten Objektpunkten (17) auf auszurichtenden Behältern (2), die eine definierte Oberflächenform aufweisen und an einer definierten Messposition (6) bereitgestellt werden, Weltkoordinaten (xw, yw, zw) zuzuordnen.
Verfahren nach wenigstens einem der vorigen Ansprüche, wobei die Kalibrierposition (7) des Kalibrierkörpers (8) im Bereich einer Transportbahn (10) der auszurichtenden Behälter (2) liegt, und insbesondere identisch mit einer Messposition (6) zur Abbildung der Behälter ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorigen Ansprüche, wobei wenigstens 15 Passpunkte (9) in jeweils einem Kalibrierbild (14) abgebildet werden, insbesondere wenigstens 50 Passpunkte.
Verfahren nach wenigstens einem der vorigen Ansprüche, wobei die Passpunkte (9) im Schritt a) an wenigstens zwei unterschiedlichen Kalibrierpositionen (7) des Kalibrierkörpers (8) abgebildet werden und wenigstens ein Parameter (fx, fy, cx, cy) der inneren Orientierung der Kamera (3, 3') anhand der unterschiedlich abgebildeten Passpunkte berechnet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorigen Ansprüche, wobei anhand des mathematischen Modells der Kameraabbildung ein im Wesentlichen von der Lage der Passpunkte (9) zueinander unabhängiger Algorithmus zur Koordinatentransformation berechnet wird.
Verfahren zum Ausrichten von Behältern (2) in einer Ausrichteinheit (1), mit den Schritten: e) Bereitstellen eines auszurichtenden Behälters (2) an wenigstens einer Messposition (6) und Abbilden des derart positionierten Behälters mit wenigstens einer zur Behälterkontrolle an der Ausrichteinheit vorgesehenen Kamera (3, 3'); f) Ermitteln von Bildkoordinaten (u, v) wenigstens eines charakteristischen Objektpunkts (17) des abgebildeten Behälters; g) Bereitstellen wenigstens eines für die Oberflächenform des Behälters charakteristischen Formparameters (rb); h) Bereitstellen eines mit dem Verfahren nach wenigstens einem der vorigen Ansprüche für die Kamera (3, 3') berechneten Algorithmus zur Koordinatentransformation; und i) Transformieren von Weltkoordinaten (xw, yw, zw) des Behälters in Bildkoordinaten (u, v) mit Hilfe des Algorithmus; und/oder Transformieren von Bildkoordinaten (u, v) des Behälters in Weltkoordinaten (xw, yw, zw) mit Hilfe des Algorithmus.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner mit einem Schritt j) zum Ermitteln einer Ist-Ausrichtung des Behälters (2), insbesondere einer Ist-Drehlage (φi), anhand der im Schritt i) ermittelten Koordinaten (u, v, xw, yw, zw), und mit einem Schritt k) zum Anfahren einer Soll-Ausrichtung des Behälters, insbesondere einer Soll-Drehlage (φa) für eine anschließende Etikettierung des Behälters.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Wert des charakteristischen Formparameters (rb) aus einer Speichereinheit (4) abgerufen wird, um die Koordinatentransformation an den Typ des auszurichtenden Behälters (2) anzupassen, wobei das Abrufen insbesondere von einer an einen auszurichtenden Behälter gekoppelten Markierung automatisch ausgelöst wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Behälter (2) während des Schritts e) transportiert wird, insbesondere entlang einer Kreisbahn.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Kamera (3, 3') wenigstens zwei bezüglich der Transportbahn (10b) des Behälters (2) hintereinander liegende Messpositionen (6) zugeordnet sind und der Behälter zwischen den Messpositionen um seine Hauptachse (2c) gedreht wird, um mit der Kamera wenigstens zwei Messbilder (13) des Behälters in unterschiedlichen Drehlagen (φ) aufzunehmen.
Verfahren nach wenigstens einem der vorigen Ansprüche, wobei der Behälter (2) an wenigstens zwei bezüglich der Transportbahn (10b) des Behälters hintereinander angeordneten Kameras (3, 3') vorbeigefahren wird, um den Behälter in wenigstens vier bezüglich seiner Drehlage (φ) überlappenden Messbildern (13), und insbesondere vollumfänglich, abzubilden.
Ausrichteinheit zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder des Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 13, mit: – einer insbesondere karussellförmigen Transporteinrichtung (10) für die Behälter (2), wobei an der Transporteinrichtung Ausrichtmittel (12) vorgesehen sind, um die Behälter während des Transports individuell auszurichten, insbesondere um ihre Hauptachse (2c) zu drehen; – wenigstens einer Kamera (3, 3') zur Kontrolle der Behälter während des Transports; und – wenigstens einer Recheneinheit (4) zum Auswerten von Bildkoordinaten (u, v) und zum Transformieren der Bildkoordinaten in Weltkoordinaten (xw, yw, zw) und/oder umgekehrt, insbesondere zum Berechnen einer Ist-Drehlage (φi) der Behälter und zum Berechnen einer Drehlagenkorrektur, und insbesondere um eine Soll-Drehlage (φa) der Behälter für eine nachfolgende Etikettierung anzufahren.
Etikettiervorrichtung für Behälter, mit der Ausrichteinheit nach Anspruch 14.