DE19537341B4

DE19537341B4 - Vorrichtung zum Ermitteln von Fehlern auf Flaschenböden durch eine die Riffelung unterdrückende Bildverarbeitung

Info

Publication number: DE19537341B4
Application number: DE19537341A
Authority: DE
Inventors: Leo B. Balwin
Original assignee: Emhart Glass SA
Current assignee: Emhart Glass SA
Priority date: 1994-10-07
Filing date: 1995-10-06
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2015-10-07
Also published as: DE19537341A1; GB2297214A; FR2725523A1; GB9519854D0; GB2297214B; US5510610A; JPH08210991A; JP3497297B2; FR2725523B1

Abstract

Vorrichtung zum Prüfen des geriffelten Ringbereichs am Boden eines Glas- oder Kunststoffbehälters auf Fehlerstellen mit
einer Einrichtung zum Haltern eines Behälters in einer Prüfposition derart, daß Licht durch den Behälterboden zur Behältermündung gelangen kann,
einer Diffuslichtquelle zum Beleuchten des Behälters von unten,
einer elektronischen Sensorfeldkamera mit einer Linse, um ein Bild des durch die Behältermündung gesehenen Behälterbodens auf das Sensorfeld zu werfen,
einer Einrichtung zum Digitalisieren des Kamerabildsignals, so daß es in einem digitalen Speicher dargestellt werden kann, und
einer Einrichtung zur Analyse des digitalisierten Bildes, die gekennzeichnet ist durch
eine Einrichtung zum Abbilden des ringförmigen geriffelten Bereichs in mindestens eine abgebildete gradlinige Fläche,
eine Einrichtung zum Kopieren der abgebildeten gradlinigen Fläche mit einem seitlichen Versatz,
eine Einrichtung zum Subtrahieren der seitlich versetzten Kopie der abgebildeten gradlinigen Fläche von der abgebildeten gradlinigen Fläche zur Erzeugung eines Differenzbildes, aus dem die Riffelung verschwunden...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Prüfung des geriffelten Ringbereichs auf dem Boden eines Glas- oder Kunststoffbehälters.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung liegt in der Bewertung des Bodens von Glas- und Kunststoffbehältern auf Fehlerstellen oder Verschmutzung unabhängig von Gestaltungselementen, die dort zwecks Identifikation, Schutzrechtangabe oder Verfestigung absichtlich vorliegen, und unabhängig von akzeptablen Rückständen des Formgebungsvorgangs. Die Prüfung kann am Ursprungsort selbst nach Herstellung der Flasche oder am Abfüllort vor dem Abfüllen des Behälters er folgen. Beispiele für solche Fehler und Fehlerstellen sind in den Behälterboden eingebettete Fremdkörper wie u.a. Luftbläschen, lose im Behälter befindliche Fremdkörper und Formgebungsfehler im Behälterboden.

In derzeit eingesetzten Anlagen wird der Behälter von einer Handhabungsmechanik in eine Prüfstation gebracht. In dieser Station wird der Behälter von unten mit diffusem Licht beleuchtet, das eine Kamera mit einer durch den Behälterhals abwärts zum Boden schauenden Linse erfaßt. Die Linse bildet den Flaschenboden auf einen Sensor ab, der das Bild zu einem elektronischen Signal umwandelt, das dann von einem Bildbearbeitungsprozessor oder einem geeignet programmierten Rechner elektronisch analysiert wird.

Bei der Analyse wird typischerweise die Intensität eines Bildpunkts (Pixel) oder die Durchschnittsintensität einer kleinen Gruppe von Bildpunkten mit der eines anderen Bildpunkts bzw. einer entsprechenden Pixelgruppe verglichen, die von dem jeweiligen Pixel in einer vorbestimmten Entfernung und Richtung versetzt liegt. Die Richtung und Entfernung des Versatzes zwischen dem Prüf- und dem Bezugspunkt sind dabei so gewählt, daß Symmetrien im Behälterboden ausgenutzt werden können. Bspw. befindet sich auf dem Boden einer runden Glasflasche ein entlang des Umfangs umlaufender Randbereich mit einem Muster aus im wesentlichen radialen Vorsprüngen, der sogen. Riffelung, die absichtlich ausgeformt sind, um die Fortpflanzung radialer Risse während der Nutzungsdauer der Flasche zu erschweren. Bei einer typischen Prüfung wird die Durchschnittsintensität eines kleinen Bildpunktbereichs innerhalb der Riffelung mit der der einer entsprechenden Bildpunktgruppe ebenfalls inner halb der Riffelung, aber in einer festen Entfernung innerhalb des geriffelten Ringbereichs der ersten Gruppe verglichen. Man vergleicht mehrere solche Bereiche mit entsprechend versetzten Bezugsbereichen, bis der gesamte geriffelte Bereich geprüft worden ist; diesen Vorgang bezeichnet man auch als "Blockverarbeitung". In anderen, nicht geriffelten Bereichen der Flasche kann der Versatz zwischen dem Prüfpunkt bzw. der Prüfpunktgruppe und dem Bezugspunkt bzw. der Bezugspunktgruppe radial, ringförmig umlaufend oder beides sein; im letzteren Fall spricht man von einer "Spiralverarbeitung".

Die GB 2 276 447 A offenbart eine Maschine zur Prüfung des Bodens eines Glasbehälters mit einer Prüfstation, die eine zweidimensionale Kamera mit einer Abbildungsfläche zur Betrachtung des Behälterbodens durch die Behälteröffnung umfaßt sowie eine Einrichtung zum Fokussieren des Bodens auf die Abbildungsfläche, einen Computer zur Auswertung des betrachteten Bildes und Mittel zum Beleuchten des Behälterbodens. Die Mittel zum Beleuchten umfassen eine Lichtquelle sowie einen Kollimator und eine Diffusor-Einrichtung für das gerichtete Licht, die zwei Glasscheiben mit Bodenflächen umfaßt, die wahlweise so angeordnet werden können, daß mindestens zwei Abstände zwischen den Bodenflächen definiert werden.

Die DE 38 09 221 A1 offenbart ein Verfahren zum Detektieren von Fehlstellen an Preßteilen oder anderen Werkstücken und eine dementsprechende Vorrichtung. Bei der optischen Abtastung werden eine Beleuchtungseinrichtung und ein Empfangssystem so zueinander und zum zu prüfenden Werkstück eingestellt, daß die unterschiedlichen Reflexionseigenschaften von Fehlstellen bei der Erzeugung des bildpunktweise aufgezeichneten Bildes sichtbar werden. Dieses Bild wird mit einem ebenfalls bildpunktweise erzeugten und vorher abgespeicherten Referenzbild verglichen, das keine Fehlstellen enthält.

Die GB 2 033 120 A offenbart eine Vorrichtung zum Identifizieren von Produktions-Binärcodes – z.B. von Formhohlraumnummern im Boden von Glasbehältern – mit einem Fotodiodenfeld zum Abstasten eines Bereiches des zu prüfenden Artikels und einer Einrichtung zum Erzeugen mindestens eines Fensters während des Abtastens, indem entsprechende Dioden ausgewählt werden. Es werden nur Signale innerhalb dieses Fensters ausgewertet, um den Code auf dem Artikel zu erhalten. Um Fehler durch Streulicht zu verringern, muß zur Auswertung eine vorbestimmte Anzahl von Dioden gleichzeitig im Fenster aktiviert sein.

Die US 5,214,713 A offenbart ein Behälter-Prüfsystem, das eine systolische Array-Verarbeitung verwendet. Das System umfaßt eine Kamera zur Erzeugung von Pixel-Bildern sowie einen Speicher zum Speichern dieser Bilddaten. Ein systolischer Array-Prozessor umfaßt eine Vielzahl von Ein-Bit-Prozessoren, die in einem rechtwinkligen Array angeordnet sind, und einen Micro-Controller zur gleichzeitigen und parallelen Steuerung der Ein-Bit-Prozessoren. Ein Master-Computer erhält Pixel-Daten von der Kamera, speichert sie pixelweise, ruft Pixel-Daten aus dem Speicher ab und lädt sie pixelweise in den systolischen Array-Prozessor, sodaß eine nicht-sequentielle und/oder datenabhängige Bildverarbeitung erreicht wird.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Algorithmus zur Erfassung von Fehlerstellen innerhalb des geriffelten Bereichs auf dem Boden eines Glas- oder Kunststoffbehälters anzugeben.

Andere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer derzeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindunng anhand der beigefügten Zeichnungen.
1 zeigt schaubildlich die räumliche Anordnung einer erfindungsgemäßen Prüfmaschine;
2 ist ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Algorithmus;
3 ist ein Flußdiagramm eines Schritts in dem in 2 gezeigten Algorithmus;
4 zeigt die Darstellung eines aufgenommenen Bildes;
5 zeigt das aufgenommene Bild zentriert;
6 zeigt das Bild und seinen zu transformierenden Bereich (verzerrt);
7 zeigt ein Transformationsbild;
8 zeigt ein seitlich versetztes Transformationsbild;
9 zeigt das versetzte vom Ausgangs-Transformationsbild subtrahiert;
10 zeigt das gefilterte subtrahierte Bild;
11 zeigt als Flußdiagramm eine erste Abänderung des offenbarten Algorithmus;
12 zeigt ein vertikal projizierts Feld des unverzerrten Bildes nach dem Schritt der Dichteprojektion;
13 zeigt das Differenzbild des eindimensionalen Feldes;
14 zeigt das vertikal projizierte Differenzbild nach der Faltung; und
15 zeigt als Flußdiagramm eine zweite Änderung des offenbarten Algorithhmus.
Es werde eine Flasche 10 mit seitlich angreifenden Riemen 12 in die dargestellte Prüfstation 10 geführt, wo die Sicht auf ihren Boden nicht verdeckt ist. Eine Diffuslichtquelle 14 unter der Flasche beleuchtet ihren Boden, während eine Kamera 16 und eine Linse 18, die über der Flasche angeordnet sind, durch den Flaschenhals abwärtsschauen, um den Flaschenboden auf dem Kamerasensor, einem elektronischen Sensorfeld, abzubilden. Sollen dünnhalsige Behälter wie bspw. Getränkeflaschen geprüft werden, läßt sich ein breiterer Produktbereich bearbeiten, wenn die Kameralinse im Bildraum telozentrisch ist, so daß die Eingangspupille unmittelbar über der Mündungsöffnung des Behälterhalses angeordnet werden kann. Das Kamerasignal wird über eine Schnittstelle auf eine Recheneinrichtung gegeben, die das Kamerasignal digitalisiert, in einem adressierbaren Speicher ablegt und dann das gespeicherte Bild nach einem gespeicherten Algorithmus analysiert.
Die 2 und 3 zeigen die Schrittfolge bei der Erfassung von Fehlerstellen innerhalb der Riffelung. Im ersten Schritt 22 (Bild erfassen) wird ein Bild von der elektronischen Kamera in den adressiebaren Speicher einer digitalen Bildverarbeitungsvorrichtung übernommen. Dieses Bild in seiner gespeicherten Form ist in 4 dargestellt. Das Bildfeld hat eine für die geforderte Meßgenauigkeit ausreichende räumliche Auflösung (bspw. 512 × 512 Bildpunkte) und eine ausreichende Amplitudenauflösung, um zu gewährleisten, daß das projizierte Bild der Flasche sich von dessen Hintergrund unterscheiden läßt. (Wird bspw. das Kamerasignal mit 8 Bit Auflösung digitalisiert und kann der Bildspeicher an jeder adressierbaren Speicherstelle mindestens 8 Bits aufnehmen, läßt sich das im vorliegenden Bild vorhandene Intensitätskontinuum in Form von 256 diskreten Helligkeitswerten darstellen.) Das elektronische Bild läßt sich unter Verwendung eines beliebigen der herkömmlichen digitalen Bildbearbeitungsverfahren aufbereiten – bspw. Histogrammegalisierung oder Abbilden der Intensitätsdarstellung bspw. mittels einer Aufsuchtabelle.
Im Schritt 24 (Mitte aufsuchen) wird die Bildmitte – bei Nichtrundheit auch die Orientierung – ermittelt. Bspw. kann man die Mittenpunkte des Schnitts einer Anzahl digital konstruierter waagerechter Linien mit dem Umfang des Flaschenbildes mitteln, entsprechend die Mittenpunkte des Schnitts vertikal angelegter Linien mit dem Flaschenumfang; diese beiden Mittelungswerte ergeben ein Koordinatenpaar, das den Bildmittelpunkt als Anzahl der Bildpunkte von der linken Bildseite und als Anzahl der Bildelemente vom Bildoberrand her definiert. Dieses Verfahren ist in der 5 graphisch gezeigt. Alternativ können andere geläufige Verfahren eingesetzt werden – bspw. die Verwendung des Mittelpunkts eines Vierecks, das das Bild des Flaschenbodens gerade umschreibt.
Im dritten Schritt 26 (Verzerrungsquelle setzen) wird eine Ringfläche 27 definiert (6), der den als Riffelung bekannten Bereich einschließt und deren Geometrie der des Riffelungsbereichs folgt. Der Ringbereich kann kreisrund sein oder auch von der Kreisform abweichen, um der Geometrie des Riffelungsbereichs zu folgen, der gestreckt, quadratisch, rechteckig oder bspw. auch halbmondförmig sein kann. Diese Fläche kann ausschließlich auf vorprogrammierter Information und der erwarteten Flaschenposition im Zeitpunkt der Bilderfassung basieren, ist hier aber als adaptiv gezeigt: die Grundgeometrie des Riffelungsbereichs wird beim Einrichten der Maschine zur Prüfung einer bestimmten Flasche vorprogammiert, aber die genaue Orientierung und der genaue Ort des Bereichs werden in jedem Fall separat aufgrund von Informationen bestimmt, die man im Schritt 24 (Auffinden des Mittelpunkts) erhält.
Im vierten Schritt 28 (Bild abwickeln) wird die Ringfläche 27 in einem anderen digitalen Speicherbereich so abgebildet, daß die Riffelung als eine oder mehrere Geraden erscheint (7). Im allgemeinen bleibt die Bildpunktfläche des Ausgangsbildes bei der Abbildung erhalten, desgl. der räumliche Zusammenhang zwischen Bildeinzelheiten des Ausgangs- und des Abbildes. Dieser Vorgang wird als "Verzer ren" des Bildes bezeichnet und stellt eine diskrete Realisierung eines als "konforme Abbildung" bekannten Vorgangs aus der Geometrie dar.
Im fünften Schritt 30 (Differenz mit Versatz) kann eine Kopie des abgebildeten Riffelungsbereichs mit einem seitlichen Versatz 31 (Mit Versatz kopieren) hergestellt werden, der gleich (oder möglichst gleich) einem ganzzahligen Vielfachen der Riffelteilung ist (8). Es sei darauf verwiesen, daß das Verhältnis, das den Zusammenhang zwischen der Bildpunkt- und der Riffelteilung darstellt, eine irrationale Zahl sein kann, so daß eine Approximation an eine rationale Zahl erforderlich sein kann, um den Versatz innerhalb der räumlichen Auflösungsgrenzen des Bildspeichers zu halten. Während der Versatzbildung wird das Bild umgebrochen. In der 8 ist das kopierte Bild nach rechts verschoben. Der Bildteil, der aus dem Bildrahmen fällt, wird links angeheftet. Auf diese Weise erhalten das transformierte Bild der Riffelung und dessen versetzte Form die gleiche Teilung und sie haben bei fluchtenden Endpunkten die gleiche Länge.
Im Schritt 33 wird nun die versetzte Kopie des Abbildes im Schritt 33 (Kopie subtrahieren) vom Transformations- bzw. Abbild subtrahiert (9). Da der Versatz ein ganzzahliges Vielfaches der Riffelperiode beträgt und die beiden Riffelungen miteinander ausgerichtet sind, wird die Riffelung im allgemeinen verschwinden. Fehlerstellen im Abwickelbild und dessen versetzter Kopie sind jedoch nicht miteinander ausgerichtet und fallen daher nicht heraus; in der Tat werden sie gedoppelt. Die Fehlerstelle im Abwickelbild ist nicht mit ihrem Pendant in der versetzten Kopie ausge richtet und hebt sich daher nicht heraus. Die Fehlerstelle in der versetzten Kopie ist nicht mit ihrem Pendant im Abwickelbild ausgerichtet und die Subtraktion (9) ergibt ein Negativbild der Fehlerstelle, das seinerseits um den Betrag des Versatzes zwischen dem Abwickelbild und seiner versetzten Kopie verschoben ist. Ist der Riffelungsbereich kreisförmig oder sonstwie symmetrisch, läßt sich der ringförmige Riffelungsbereich zu einem Differenzbild umbilden, in dem das Riffelungsbild verschwindet, wenn man eine Kopie des Ringbildes relativ zum Ausgangsbild um einen Winkel verdreht, der die Riffelungen aufeinander ausrichtet.
Für den Algorithmus ist es unwichtig, daß das Differenzbild negative Intensitäten enthalten kann. Dies kann aber problematisch werden, wenn das Differenzbild auf der Sichteinheit dargestellt werden soll. Die Situation läßt sich auf unterschiedliche Weise bewältigen – bspw. kann man negative Intensitäten zu positiven verwandeln, indem man sie in einer anderen Farbebene (falls vorhanden) darstellt. In 10 ist das Differenzbild zu einem Graustufenbild umgewandelt worden derart, daß der Wert null auf den Medianwert der Intensität und das negative Intensitätsminimum auf null abgebildet und positive Intensitäten zwischen null und den Maxima auf den Bereich zwischen dem Medianwert und dem Maximum komprimiert werden, desgl. negative Werte zwischen null und den Minima auf den Bereich zwischen dem Medianwert und null.
Optional kann im fünften Schritt 30 (Differenzbild mit Versatz) die Differenzbildung des Bildes bzw. der Bildpunktmatrix nach einem Verfahren erfolgen, nach dem der Minuend-Bildpunkt (bzw. das Minuend-Matrixelement) und der Subtra hend-Bildpunkt (bzw. das Subtrahend-Matrixelement) einzeln von der gleichen Quelle referenziert und der Differenzbildung unterzogen werden. Das Ergebnis läßt sich in ein neu erzeugtes Bild (Matrix) einsetzen oder kann den Minuend oder den Subtrahend (diejenige dieser beiden Größen, die nicht wieder referenziert wird) ersetzen, um die Matrix "am Ort" der Differenzbildung zu unterziehen. Bei bestimmten Verarbeitungsarchitekturen kann dieser Verfahren Vorteile hinsichtlich der Geschwindigkeit oder des erforderlichen Speicherraums bringen.
Im sechsten Schritt 34 (Filtern und Grenze prüfen) wird ein zweidimensionaler Faltungskern gewählt, der nur die komplementären Paare mit dem gleichen Versatz wie dem zwischen den subtrahierten Bildern anhebt. Restelemente mit der Riffelungsperiode und anderes Rauschen werden unterdrückt. Um die Ausführunngsgeschwindigkeit bei geringeren Speicheranforderungen (und einem gewissen Verlust an Empfindlichkeit) zu erhöhen, kann man in den in 2 gezeigten Algorithmus entweder vor oder nach dem Schritt 30 "Differenzbildung mit Versatz" (11 and 12 bzw. 15) einen Schritt 36 "Dichteprojektion" einfügen. Die Dichteprojektion reduziert das Bild durch vertikale Projektion (Summierung entlang Bildpunktreihen, wo das das Abbild im wesentlichen vertikal ist) zu einem eindimensionalen Feld (13), wobei die Dichteprojektion über der "Differenzbildung mit Versatz" erfolgt und man eine größtmögliche Geschwindigkeit bei potentiell größerem Verlust an Empfindlichkeit erreicht. Dieser Schritt ist nicht fundamental nötig, senkt aber drastisch – um den Preis der Empfindlichkeit für Fehlerstellen – die Anzahl der für den nächsten Schritt erforderlichen Berechnungen. Die Entscheidung, diese Reduktion anzuwenden, muß die gegenläufigen Forderungen nach Geschwindigkeit und Empfindlichkeit berücksichtigen. Steht für die zugewiesene Prüfzeit genug Rechenkapazität zur Verfügung, kann dieser Schritt entfallen.
Der Dichteprojektionsschritt 34 dient zur Anhebung der durch Fehlerstellen verursachten Signale (12) und zur Unterdrückung anderer Signale wie Rauschen und Restartefakte aus der Subtraktion. Das Verhältnis, das die Riffelungs- mit der Bildpunktteilung in Beziehung setzt, kann irrational sein. Dieser Zustand kann ein Ausrichten der Riffelung der beiden Bilder aufeinander (des Ausgangs- und des versetzten Abbildes) derart, daß sie sich bei der Differenzbildung aufheben, verhindern. Weiterhin können im Riffelungsmuster Unregelmäßigkeiten vorliegen, die zu Strukturresten im Differenzbild führen. In beiden diesen Fällen haben diese Reste jedoch eine Periode gleich der Bildpunktteilung, von Fehlerstellen verursachte Signale jedoch eine Periode gleich dem Bildversatz. Das gefilterte Bild erscheint als topographische 3D-Darstellung und die Höhe der Fehlerstelle (Intensität) unterliegt einem gewählten Schwellenwert. Sind die Daten wie im Schritt 5 auf ein eindimensionales Feld reduziert worden, genügt ein eindimensionalre Faltungskern. Sind die Daten nicht reduziert worden, ist ein zweidimensionaler Kern nötig.

Claims

Vorrichtung zum Prüfen des geriffelten Ringbereichs am Boden eines Glas- oder Kunststoffbehälters auf Fehlerstellen mit einer Einrichtung zum Haltern eines Behälters in einer Prüfposition derart, daß Licht durch den Behälterboden zur Behältermündung gelangen kann, einer Diffuslichtquelle zum Beleuchten des Behälters von unten, einer elektronischen Sensorfeldkamera mit einer Linse, um ein Bild des durch die Behältermündung gesehenen Behälterbodens auf das Sensorfeld zu werfen, einer Einrichtung zum Digitalisieren des Kamerabildsignals, so daß es in einem digitalen Speicher dargestellt werden kann, und einer Einrichtung zur Analyse des digitalisierten Bildes, die gekennzeichnet ist durch eine Einrichtung zum Abbilden des ringförmigen geriffelten Bereichs in mindestens eine abgebildete gradlinige Fläche, eine Einrichtung zum Kopieren der abgebildeten gradlinigen Fläche mit einem seitlichen Versatz, eine Einrichtung zum Subtrahieren der seitlich versetzten Kopie der abgebildeten gradlinigen Fläche von der abgebildeten gradlinigen Fläche zur Erzeugung eines Differenzbildes, aus dem die Riffelung verschwunden ist, eine Einrichtung zum Falten des Differenzbildes zur Anhebung von Fehlerstellen, und eine Einrichtung zum Definieren eines Schwellenwerters auf dem gefalteten Differenzbild, um das Vorliegen von Fehlerstellen anzuzeigen.
Vorrichtung zum Prüfen des ringförmigen geriffelten Bereichs auf dem Boden eines Glas- oder Kunststoffbehälters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Abbilden der ringförmigen geriffelten Fläche eine Einrichtung zum Kopieren der abgebildeten Fläche mit einem Versatz aufweist, der im wesentlichen gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Riffelungsperiode ist.
Vorrichtung zum Prüfen des ringförmigen geriffelten Bereichs auf dem Boden eines Glas- oder Kunststoffbehälters nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildeeinrichtung die Ringfläche in eine rechteckige Fläche abbildet.