DE102014101167B4 - Steuervorrichtung für eine Zugangsvorrichtung für Tiere, insbesondere für eine Katzenklappe - Google Patents

Abstract

Steuervorrichtung für eine Zugangsvorrichtung für Tiere, insbesondere für eine Katzenklappe, die eine Klappe oder einen anderen schließbaren Zugang (2) und eine Verriegelung (6) für den Zugang (2) aufweist, mit einer Elektronik (4) zum Erfassen und Auswerten des Kopfes eines die Zugangsvorrichtung nutzenden Tieres, mit einer mit der Elektronik (4) verbundenen Verriegelungsansteuerung (14) zum Betätigen der Verriegelung, wobei eine Bildverarbeitungseinheit (4) für die Aufnahme einer Katzenkopfsilhouette mit Auswerteelektronik (10) zur Analyse der Katzenkopfumrisslinie (17) und direkter Freigabe des Zugangs (2) bei Erkennung der Umrisslinie im Maulbereich der Katze (20) ohne Beutetier angewandt wird,wobei aus der aufgenommenen Katzenkopfsilhouette die Katzenkopfumrisslinie (17) berechnet und analysiert wird und der Zugang (2) bei Erkennung einer lokalen Konvexität der Umrisslinie im Maulbereich der Katze freigegeben wird,dass die Auswerteelektronik (10) die Umrisslinie (17) als Kontur verarbeitet,dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungseinheit (4) für die Aufnahme der Katzenkopfsilhouette im Durchlicht (16) angewandt wird,dass die Außenlinie der Katzenkopfsilhouette (17) als zusammenhängende Kontur weiterverarbeitet (18-21) wird,dass die Auswerteelektronik (10) die Umrisslinie (17) in einzelne Kontursegmente (18-21) teilt,dass die Auswerteelektronik (10) ausgebildet ist, um automatisch das Kontursegment geschlossenes Maul (20) zu erkennen,unabhängig von der individuellen Katze und von der Beutetiergröße,auf seine Konvexität zu prüfen (20) und nur bei konvexer Maulkontur,unabhängig von der individuellen Katze und von der Beutetiergröße,den Riegel (6) durch die Verriegelungsansteuerung (14) freizugeben.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
• Stand der Technik
• Das Jagen ist ein natürliches Bedürfnis jeder Katze. Auch Hauskatzen, die Freigang haben, jagen und töten bevorzugt Mäuse, aber auch Vögel, Ratten, Kaninchen, Frösche und weitere Tiere dieser Größenordnung. Da Hauskatzen gewöhnlich gut genährt sind, fressen sie ihre Beutetiere oft nicht sofort, sondern bringen sie als „Liebesbeweis“ mit ins Haus. Die meisten Katzenbesitzer/innen möchten natürlich aus hygienischen Gründen keine Beutetiere im Haus haben. Daher gibt es einen Bedarf, Katzen daran zu hindern, mit Beutetieren das Haus zu betreten. Die unten aufgeführte Erfindung ermöglicht die entsprechende Durchlasskontrolle.
• Bekannt ist:
1. 1. Katzen passieren Katzenklappen ohne Kontrolle auf Beutetiere.
2. 2. Darüber hinaus gibt es zwei weitere bekannte Verfahren zur Kontrolle auf Beutetiere:
   • 2.1 Das Kontrollverfahren über Lichtschranken ( EP 2 226 460 A2 ) funktioniert nur bei voluminösen Beutetieren.
   • 2.2 Das Kontrollverfahren über Gesichtserkennung erfordert entweder einen komplexen Einlernvorgang, der dem Käufer/der Käuferin nicht zugemutet werden kann (2.2.1) oder es arbeitet sehr ungenau (2.2.2):
     • • 2.2.1: Typische Einlernvorgänge erfolgen über Beispielbilder, mit denen ein neuronales Netz eingelernt wird. Die Erzeugung der Beispielbilder und das Einlernen benötigt eine komplexe Interaktion des Benutzers mit einem externen Steuerungsmodul. Eine Benutzerschnittstelle ist zusätzlich erforderlich.
     • • 2.2.2: Simpler Gesichtsvergleich über ein einzelnes gespeichertes Abbild des Gesichts ( DE 20 2010 014 747 U1 ) der Katze führt zu hoher Fehldiagnose aufgrund von Abhängigkeiten der Größe von Katze/Beutetier, Größe des aus dem Katzenmaul herausragenden Beutetierteiles, Umgebung, Tages-/Nachtlicht und identischer Fellfarbe von Katze und Beutetier.
• Auf der Internetseite von QUANTUM PICTURE: The Flo Control Project, URL:
• http://www.quantumpicture.com/Flo_Control/flo_control.htm, archiviert in http://www.archive.org im Oktober 2008 (abgerufen am 23.10.2014) wurde eine Vorrichtung erwähnt, die nur mit einer speziellen Katze „Flo“ arbeitet, wobei an einer Stelle auch ausdrücklich von dem Erkennen dieser speziellen Katze die Rede ist, auch wenn diese Katze kein Beutetier gefangen hat. Mit anderen Worten: Das aufgenommene Bild des Katzenkopfes wird verglichen mit dem speziellen Profil der Katze Flo. Falls eine andere Katze als die Katze Flo sich der Katzenklappe nähert, öffnet sich die Katzenklappe nicht, selbst wenn diese Katze kein Beutetier im Maul hält.
• Die Vorrichtung ist abhängig von der speziellen Form des Katzenkopfes, sodass der Anwender das System mit Bildern der Katze einlernen muss. Eine Benutzerschnittstelle ist daher erforderlich.
• In der DE 10 2006 048 321 A1 wird eine weitere Vorrichtung präsentiert, bei der die biometrischen Daten der Katze erfasst werden müssen. Es soll „eine eindeutige Erkennung eines Haustieres“ ermöglicht werden. Die Vorrichtung arbeitet wie die zuvor genannte bekannte Vorrichtung nicht unabhängig von der speziellen Form des Katzenkopfes. Dieses bekannte System ist nicht darauf ausgelegt, bei einer beliebigen Katze automatisch festzustellen, ob diese ein Beutetier im Maul hält. Es soll hier das Problem gelöst werden, dass mehrere Haustiere in einer Umgebung Halsbänder mit derselben Codierung tragen. Dieses Identifikationssystem soll dazu dienen, bestimmten Haustieren selektiv den Zugang beispielsweise zu einer Wohnung oder einem Haus zu ermöglichen, oder auch die Ausgabe von Futter individuell für bestimmte Tiere zu steuern. Von einer Untersuchung, ob die Katze ein Beutetier im Maul trägt, unabhängig von der Größe und Form des Katzenkopfes, ist hier jedoch keine Rede.
• Aufgabe und Lösung der Erfindung
• Aufgabe der Erfindung: Nach einmaligem geringem Einrichtungsaufwand (Einbau) der kompakten Katzenklappe wird Katzen mit Beutetieren im Maul (unabhängig von der individuellen Katze und von der Beutetiergröße und von Umgebungsbedingungen) der Zugang automatisch gesperrt.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.
• Katzen können nur ohne Beutetiere die Durchgangsklappe (2) passieren. Auch kleine Beutetiere werden über die Bildverarbeitungseinheit (4) erkannt.
• Die hier vorgestellte Technik der Katzenmaulerkennung (7, 22-33) ermöglicht ein störsicheres und von Umgebungsfaktoren unabhängiges Zugangs-Kontrollverfahren.
• Die Katzenklappe arbeitet sofort nach der Installation selbstständig und automatisch. Der Anwender muss das System nicht mit Bildern der Katze einlernen. Eine Benutzerschnittstelle ist nicht erforderlich.
• Durch den Einsatz einer preiswerten Bildverarbeitungseinheit (4) entfallen Komponenten wie externe Steuerungsmodule. Es handelt sich bei der hier vorgestellten Technik um eine kompakte Einbaueinheit mit geringen Betriebskosten aufgrund geringer Leistungsaufnahme.
• Der Riegel (6) ermöglicht die gesteuerte Freigabe der Durchgangsklappe (2) durch die automatische Zugangskontrolle der Bildverarbeitungseinheit (4).
• Die Katze bewegt sich zum Passieren der Durchgangsklappe (2) zwischen der Bildverarbeitungseinheit (4) und der Beleuchtung (5). Diese Anordnung ermöglicht die Aufnahme einer kontrastreichen dunklen Katzenkopfsilhouette (16) vor hellem Hintergrund (15), unabhängig von natürlichem Umgebungslicht. Der Riegel (6) bleibt so lange verschlossen, bis ein Katzenmaul ohne Beutetier nach den unten aufgeführten Algorithmen erkannt wurde.
• Die Bildverarbeitungseinheit (4) mit den in einem Gehäuse (8) integrierten Komponenten (9-14) und den Algorithmen (7, (22-33)) ermöglicht eine kleine, kompakte Bauform ohne externe Steuerungsmodule.
• Die Algorithmen (7, (22-33)) in der Auswertelektronik (10) ermöglichen die automatische Bildauswertung zur Freigabe des Riegels (6):
• - Die dunkle Katzenkopfsilhouette (16) wird vor dem hellen Hintergrund (15) erkannt.
• - Die natürliche Katzenbehaarung wird durch eine Filterfunktion eliminiert.
• - Die Außenlinie der Katzenkopfsilhouette (17) wird als zusammenhängende Kontur weiterverarbeitet (18-21).
• - Innerhalb dieser Kontur gibt es bei einer Katze ohne Beutetier folgende Segmente: Ohr/Ohren (18), konkaves Kontursegment der Stirn/Nase (19), konvexes Kontursegment geschlossenes Maul (20).
• - Der Algorithmus erkennt automatisch das Kontursegment Ohr/Ohren (18) und folgt der Kontur über das Kontursegment Stirn/Nase (19) bis zum Kontursegment geschlossenes Maul (20). Die Erkennung des Segments Stirn/Nase (19) ist über die konkave Form eindeutig zuzuordnen. Die Konkavität dieser Region ist bei allen Katzen gegeben. Anschließend wird das Kontursegment geschlossenes Maul auf seine Konvexität geprüft (20). Eine erfolgreiche Prüfung ergibt die automatische Freigabe des Riegels (6) durch die Verriegelungsansteuerung (14). Bei Katzen mit geöffnetem Maul oder Beute im Maul ist die Maulkontur nicht konvex (21), der Riegel (6) bleibt verschlossen.
• Ausführungsbeispiel
• Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In allen Zeichnungen haben gleiche Bezugszeichen die gleiche Bedeutung und werden daher gegebenenfalls nur einmal erläutert. Das Ausführungsbeispiel beschreibt eine einbaufähige kompakte Katzenklappe für Katzen ohne Beute im Maul, mit Riegel, Bildverarbeitungseinheit und Algorithmen (7, (22-33)) zur Durchlasskontrolle.
• Es zeigen
• 1: Katzenklappe - Frontansicht von Außen
• 2: Katzenklappe - Seitenansicht
• 3: Elektronische Bildverarbeitungseinheit (4)
• 4: Elektrische Schnittstellen (in der Bildverarbeitungseinheit)
• 5: Katzenbilder in der Bildverarbeitungseinheit, ohne (5.1) und mit (5.2) Beutetier im Maul
• 6: Konturen der Katzenkopfsilhouetten, mit Kennzeichnung verschiedener wesentlicher Kontursegmente
• 7: Flussdiagramm der Algorithmen.
• Zum mechanischen Aufbau (Figuren 1 und 2)
• Bei der Erfindung handelt es sich um eine kompakte und einfach einzurichtende Katzenklappe zur Installation in eine Türe, ein Fenster oder eine Wand (1). Die Elemente der Zugangskontrolle (4, 5) sind an der nach außen liegenden Seite angebracht, der Riegel (6) an der inneren Seite. Durch diesen Aufbau ist die Durchgangsklappe (2) in der Durchlassrichtung von innen nach außen immer entriegelt.
• Die Durchgangsklappe (2) befindet sich in der Mitte des Gehäuses/Rahmens (3), der in der Türe/dem Fenster/der Wand (1) eingebaut ist. Im Außenbereich seitlich neben der Durchgangsklappe ist die Bildverarbeitungseinheit (4), auf der anderen Seite die Beleuchtung (5) integriert.
• Nur Katzen, die in Durchlassrichtung von außen nach innen die Katzenklappe passieren wollen, werden über die Bildverarbeitungseinheit (4) auf Beutetiere kontrolliert.
• Beschreibung des Aufbaus (Figuren 3 und 4)
• 3: Die Bildverarbeitungseinheit (4) besteht aus Kamera mit Objektiv (9), Auswerteelektronik (10), und elektrischen Schnittstellen (11).
• 4: Die elektrischen Schnittstellen (11) in der Bildverarbeitungsseinheit (4) bestehen aus den Spannungsversorgungen (12) (für die Bildverarbeitungseinheit (4) und die Beleuchtung (5)), einem Ethernet-Anschluss (13) und einer Verriegelungsansteuerung (14). Letztere steuert den Riegel (6) bei Durchlassrichtung von außen nach innen an.
• Beschreibung der Funktionsweise anhand der Figuren 5, 6 und 7
• 5.1 zeigt Beispielbilder von Katzen ohne Beute.
• 5.2 zeigt Beispielbilder von Katzen mit Beute. Die Aufgabe der Bildverarbeitungseinheit (4) ist es, anhand von Algorithmen (7, 22-33) die Daten von einem Bild mit Katze auf die Entscheidung zur Ansteuerung des Riegels (6) umzurechnen.
• 6.1 zeigt Beispiele der Kopfkontur einer Katze ohne Beute. 6.2 zeigt Beispiele der Kopfkontur einer Katze mit Beute.
• Die Algorithmen (7, (22-33)) in der Auswerteelektronik (10) ermitteln zunächst die Umrisslinie (17) der Katze durch die Extraktion der Silhouette (27, 5.1/5.2) in Konturpunkte. Weiterhin wird die Umrisslinie (17) wie folgt umgerechnet:
• - Kontursegment Ohr/Ohren (18)
• - Konkaves Kontursegment der Stirn/Nase (19)
• - Konvexes Kontursegment geschlossenes Maul (20, 6.1) oder
• - Kontursegment Maul mit Beutetier (21, 6.2)
• 7: Mit aktivem elektrischem Anschluss starten die Algorithmen (7) in der Auswerteelektronik (10) automatisch (22). Nach dem Start wird der Riegel (6) sofort gesperrt und damit der Katze der unkontrollierte Zugang von außen nach innen verwehrt (23). Die Kamera mit Objektiv (9) beginnt, kontinuierlich und selbständig Bilder aufzunehmen (24) und zu analysieren. Ergibt sich bei der Analyse, dass ein dunkler Vordergrund vor dem hellen Hintergrund (15) erkannt wird, erfolgt die Berechnung der Position und des Kontrastes im Bild (25). Anhand dieser Position und des Kontrastes entscheiden die Algorithmen, ob ein neues Bild aufgenommen wird (Rücksprung auf (24)) oder ob davon ausgegangen wird, das sich eine Katzenkopfsilhouette in korrekter Bewegungsrichtung mittig im Bild befindet, so dass die Analyse fortgesetzt wird. Im nächsten Schritt werden die Katzenhaare über eine Filterfunktion aus der Silhouette eliminiert (26). Aus der Katzenkopfsilhouette (16) wird die Umrisslinie (17, 6.1/6.2) errechnet (27). Die Umrisslinie (17) beginnt im Nacken, wird über die Ohr/Ohren, Stirn und Maul fortgeführt und endet unten am Hals.
• Die Zielsetzung der nächsten Analyseschritte ist die Segmentierung der Kopfkontur (17) in die Kontursegmente (6.1/6.2):
• - Kontursegment Ohr/Ohren (18)
• - Konkaves Kontursegment der Stirn/Nase (19)
• - Konvexes Kontursegment geschlossenes Maul (20) oder
• - Kontursegment Maul mit Beutetier (21).
• Im Analyseschritt (28) wird das Kontursegment Ohr/Ohren (18) aus der Umrisslinie (17) berechnet. Dazu erfolgt die Abstandsbestimmung der Konturpunkte zum Konturmittelpunkt. Das lokale Maximum im oberen Bereich der Kontur wird als Segment Ohr/Ohren (18) klassifiziert.
• Im Analyseschritt (29) wird das konkave Kontursegment der Stirn/Nase (19) berechnet. Das Kontursegment beginnt hinter dem bereits segmentierten Kontursegment Ohr/Ohren (18). Durch Berechnung von lokalen Konkavitäten der Kontur lässt sich die Region zwischen Stirn und Nase (19) bestimmen, da diese konkav ist.
• Im Analyseschritt (30) wird die Maulregion untersucht. Diese Region schließt sich unterhalb der Nase an. Hier wird die lokale Konvexität berechnet, anhand derer die nachfolgende Entscheidung (31) getroffen wird.
• Falls die Katze ein Beutetier im Maul hat, ist das Kontursegment Maul nicht konvex (21). Der Riegel (6) bleibt gesperrt und die Kamera mit Objektiv (9) muss ein neues Bild aufnehmen (Rücksprung auf (24)). Wenn dagegen das Kontursegment Maul konvex (20) ist, entsperrt die Auswerteelektronik (10) den Riegel (6) und die Katze kann die Durchgangsklappe (2) passieren (32). Parallel dazu startet die Software einen Timer (Zeitgeber) (32).
• Der abgelaufene Timer (Zeitgeber) führt automatisch zum erneuten Sperren des Riegels (6, 33).
• Vorteilhaft ist außerdem die Möglichkeit zur Nachrüstung, also zum nachträglichen Einbau der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung bei bestehenden, bereits installierten Katzenklappen.
• Vorteilhaft ist weiterhin die Verwendung einer Reflexionsfolie statt der Beleuchtung (5), wenn die Beleuchtung in den Bildverarbeitungssensor (4) integriert wird oder aus der Richtung des Bildverarbeitungssensors strahlt.
• Der Ethernet-Anschluss (13) ermöglicht die Option, die Erfindung an das Internet anzuschließen, um z.B. folgende Möglichkeiten zu nutzen:
• - Firmware-Updates
• - außerplanmäßige Ansteuerung des Riegels (6)
• - Datenaustausch
• - Zeitlicher Verlauf des Zugangs der Katze
• - Webasiertes graphisches Benutzer-Interface
• Die Auswahl einer Bildverarbeitungseinheit (4) zur technischen Realisierung der Erfindung bietet den Vorteil einer wirtschaftlich günstigen Anschaffung sowie geringer Folgekosten aufgrund geringer elektrischer Leistungsaufnahme:
1. a) Auf weitere kostspielige Komponenten wie externer PC, Benutzerinterface, Monitor und Kamera wird verzichtet.
2. b) Die elektrische Leistungsaufnahme der Bildauswerteelektronik liegt bei ca. 10 W.
• Bezugszeichenliste
• (in Klammern stehen ggfs. die konkreten Bezeichnungen aus der Beschreibung des Ausführungsbeispiels)

1

Türe / Fenster

2

Zugang (Durchgangsklappe für Katzen)

3

Gehäuse/Rahmen der Durchgangsklappe

4

Elektronische Bildverarbeitungseinheit

5

Beleuchtung

6

Verriegelung (Riegel), optional ferngesteuert

7

Durchlasskontrolle von außen nach innen

8

Gehäuse für Bilderfassungseinheit und Auswerteelektronik

9

Kamera mit Objektiv

10

Auswerteelektronik

11

Elektrische Schnittstellen

12

Spannungsversorgungen

13

Ethernet-Anschluss/WiFi

14

Verriegelungsansteuerung

15

Heller Hintergrund

16

Dunkler Vordergrund mit Katzenkopfsilhouette

17

Umrisslinie (Kontur der Katzenkopfsilhouette)

18

Kontursegment Ohr/Ohren

19

Konkaves Kontursegment der Stirn/Nase

20

Konvexes Kontursegment geschlossenes Maul

21

Kontursegment Maul mit Beutetier

22

Automatischer Start

23

Verriegelung

24

Bildaufnahme

25

Fallunterscheidung: Ist eine Katzenkopfsilhouette im Bild?

26

Filterfunktionen zur Eliminierung der Katzenhaare

27

Umrechnung der Katzenkopfsilhouette in die Katzenkopfkontur

28

Analyseschritte

29

Berechnung konkaves Kontursegment Stirn/Nase

30

Berechnung konvexes Kontursegment Maul

31

Fallunterscheidung: Ist das Katzenmaul konvex (= ohne Beutetier)?

32

Entriegelung der Durchgangsklappe, Starten eines Timers (Zeitgebers)

33

Timer (Zeitgeber) abgelaufen, Durchgangsklappe verriegeln

Claims (5)

1. Steuervorrichtung für eine Zugangsvorrichtung für Tiere, insbesondere für eine Katzenklappe, die eine Klappe oder einen anderen schließbaren Zugang (2) und eine Verriegelung (6) für den Zugang (2) aufweist, mit einer Elektronik (4) zum Erfassen und Auswerten des Kopfes eines die Zugangsvorrichtung nutzenden Tieres, mit einer mit der Elektronik (4) verbundenen Verriegelungsansteuerung (14) zum Betätigen der Verriegelung, wobei eine Bildverarbeitungseinheit (4) für die Aufnahme einer Katzenkopfsilhouette mit Auswerteelektronik (10) zur Analyse der Katzenkopfumrisslinie (17) und direkter Freigabe des Zugangs (2) bei Erkennung der Umrisslinie im Maulbereich der Katze (20) ohne Beutetier angewandt wird, wobei aus der aufgenommenen Katzenkopfsilhouette die Katzenkopfumrisslinie (17) berechnet und analysiert wird und der Zugang (2) bei Erkennung einer lokalen Konvexität der Umrisslinie im Maulbereich der Katze freigegeben wird, dass die Auswerteelektronik (10) die Umrisslinie (17) als Kontur verarbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungseinheit (4) für die Aufnahme der Katzenkopfsilhouette im Durchlicht (16) angewandt wird, dass die Außenlinie der Katzenkopfsilhouette (17) als zusammenhängende Kontur weiterverarbeitet (18-21) wird, dass die Auswerteelektronik (10) die Umrisslinie (17) in einzelne Kontursegmente (18-21) teilt, dass die Auswerteelektronik (10) ausgebildet ist, um automatisch das Kontursegment geschlossenes Maul (20) zu erkennen, unabhängig von der individuellen Katze und von der Beutetiergröße, auf seine Konvexität zu prüfen (20) und nur bei konvexer Maulkontur, unabhängig von der individuellen Katze und von der Beutetiergröße, den Riegel (6) durch die Verriegelungsansteuerung (14) freizugeben.
2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (9) an der einen Seite des Zugangs (2) und eine auf die Kamera (9) gerichtete Beleuchtung (5) an der gegenüberliegenden Seite angeordnet sind.
3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (9) und eine Beleuchtung an der einen Seite des Zugangs (2) und ein auf die Kamera (9) und die Beleuchtung gerichteter Reflektor an der gegenüberliegenden Seite angeordnet sind.
4. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (10) Filterfunktionen verwendet, um die Katzenbehaarung aus der Silhouette zu entfernen und eine Umrisslinie zu erstellen
5. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung auch bei bereits eingebauten Katzenklappen nachrüstbar ist.

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