DE19547260A1 - Verfahren zur kontinuierlichen optoelektronischen Aufnahme von Eigenschaften des Holzes und Bestimmung der Holzqualität - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur kontinuierlichen optoelektronischen Aufnahme von Eigenschaften des Holzes zur Bestimmung der Holzqualität.

Bisher sind diskontinuierliche bzw. kontinuierlich arbeiten­ de Anlage (mit Längs- bzw. Quervorschub) zur optoelektroni­ schen Kontur- und Dimensionsvermessung und/oder der Bestim­ mung der Holzqualität (Häufung und Ausprägung von Holzfeh­ lern) bekannt.

Die Konturabmessungen bzw. Holzqualität wird mit verschie­ densten Strahlungsquellen und Empfängern gemessen. Dabei können die an der Oberfläche emittierte Strahlung und/oder eine das Holz durchdringende Strahlung gemessen werden. Aus dem Meßwerten wird eine digitales Bild erzeugt und durch nachgeschaltete Computer oder ähnliche Baugruppen ausgewer­ tet.

Die Arten und Eigenschaften der Strahlung entscheiden über die Information des Messignals. Als Strahlungen werden Licht, UV-Strahlung, IR-Strahlung, Gammastrahlung und/oder Röntgenstrahlung eingesetzt. Über entsprechende Empfänger werden Remission, Transmission der Strahlung und/oder Änderungen bezüglich Intensität, Kohärenz oder Polarisation gemessen. Die Meßdaten werden in digitalisierten Dateien bzw. Datenströmen örtlich bzw. zeitlich festgehalten.

Da der Winkel der Bestrahlung und der Aufnahmewinkel bzgl. der zu untersuchenden Holzoberfläche bzw. die Winkel zur Phasenrichtung des Holzes einen erheblichen Einfluß auf das Meßergebnis haben, sind Remission und Polarisation der zu messenden Strahlung und der Kontrast der erhaltenen Abbil­ dungen davon abhängig. Eine Eichung des Meßsystems ist deshalb unbedingt erforderlich.

Die vom Empfänger (CCD-Sensoren) aufgenommenen Meßwerte, werden digitalisiert und als Datei bzw. zeitliche Folge von Daten der Auswertung übergeben. Im Laufe der Auswertung werden mit Methoden der digitalen Bildverarbeitung Aussagen über das betrachtete Meßobjekt gewonnen.

Die Qualität der gewonnenen Aussagen hängt entscheidend von den eingesetzten Meßverfahren und den Meßbedingungen sowie von den Auswertungsverfahren ab.

Neben speziellen Verfahren sind auch Kombinationen einzel­ ner Meßverfahren bekannt. Ebenso werden die bekannten Verfahren in einer Anlage mehrfach angewandt, um mehrere Seiten des Objektes für die Auswertung zu erfassen.

Die bisher bekannten Verfahren als auch die bekannten Kombinationen von Verfahren sind nicht in der Lage, alle relevanten Eigenschaften des Holzes zu messen, und auszuwer­ ten. Bestimmte Eigenschaften und Merkmale des Holzes sind nur unsicher bzw. nicht bestimmbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zu schaffen, das es erlaubt, wesentliche Parameter für die Holzqualität zu erfassen und die Informationsqualität- und Quantität zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß für die Holzqualität wesentlichen Parameter durch die Kombinati­ on von mehreren Meßverfahren erfaßt und die Auswertung synchron erfolgt. Wesentliche Merkmale für die Holzqualität unterscheiden sich bezüglich ihrer optischen Helligkeit, Farbe, Dichte und chemischen Zusammensetzung. Zur Erfassung dieser Parameter werden in Kombinationen Verfahren ange­ wandt, die bei spezifischen Wellenlängenbereichen, die optischen Oberflächeneigenschaften, die geometrischen Ober­ flächeneigenschaften, die Dichte und die speziellen chemi­ schen Eigenschaften erfassen.

Zur Fassung werden verschiedenste Strahlungsquellen und Sensoren eingesetzt. Jedes einzelne Meßverfahren, sowie die anschließende Auswertung der Meßdaten bedingt eine notwendi­ ge photometrische Auflösung der Intensität und eine notwen­ dige geometrische Auflösung der Meßwerte.

Durch den Maßstab der optischen Abbildung zwischen Meßob­ jekt und Sensor entsteht die erste Dimensionsinformation über die Breite des Meßortes. Durch Relativbewegung des Meßobjektes zum Meßsystem, entsteht in jedem Fall eine zweite Dimensionsinformation und zwar über die Länge des Meßortes. Durch die Messung der parallelen Verschiebung eines zum Meßobjekt schrägen Meßstrahles kann eine dritte Dimensionsinformation, nämlich die Tiefe des Meßortes gewonnen werden. Durch den Einsatz von Bildleitern zur Übertragung der remitierten Strahlung zwischen dem Meßort und den Sensoren erfolgt eine vollständige mechanische und elektrische Entkupplung der Sensorik von dem Vorschubsystem und der sonstigen mechanischen und elektrischen Anlage.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur optoelektronischen Aufnahme der Eigenschaften des Holzes werden in Kombination folgende Meßverfahren eingesetzt:

• a) die photometrisch hochauflösende Intensitätsmessung der Remission der Holzoberfläche in verschiedenen sichtbaren Längenbereichen. Mit diesem System wird eine photometrisch hochauflösende Farbinformation bei vorzugsweise geringer geometrischer Auflösung erhalten. Dabei messen mindestens zwei CCD-Sensoren in einem optischen System, welches einen Meßort betrachtet und die einfallende Strahlung spektral zerlegt oder in verschiedenen optischen Systemen, welche ebenfalls einen Meßort betrachten bzw. auf einen Meßort synchronisiert werden und jeweils einen bestimmten Wellen­ längenbereich aufnehmen. Vorzugsweise wird eine Strahlungs­ quelle, mit einer spektralen Strahlungsverteilung einge­ setzt, welche alle zu messenden Bereiche gleichmäßig ent­ hält, vorzugsweise einen Halogenstrahler,
• b) die zweidimensional geometrisch hochauflösende Intensi­ tätsmessung der Remission der Holzoberfläche in einem engbegrenzten Wellenlängenbereich bzw. bei einer Wellenlän­ ge. Es wird eine hoch energetische Strahlungsquelle mit einem begrenzten spektralen Strahlungsbereich eingesetzt, vorzugsweise ein Laser. Die Meßwerte werden wiederum durch einen auf den Meßort gerichteten CCD-Sensor durch ein optisches System erfaßt.

Mit diesem System wird eine zweidimensional hochaufgelöste Intensitätsinformation gemessen.

Neben der zweidimensional geometrisch hochauflösenden Intensitätsmessung kann gleichzeitig oder ersatzweise die dreidimensional geometrisch hochauflösende Intensitätsmes­ sung der Remission der Holzoberfläche, welche durch eine gerichtete Strahlungsquelle mit einem fokussierten Strahl in Größe des Meßortes bestrahlt wird, gemessen werden. Die Erfassung der Meßwerte erfolgt vorzugsweise mit einer CCD-Sensor-Matrix durch ein optisches System, welches unter einem von der Bestrahlung verschiedenen Winkel aufnimmt. In diesem System ist eine dreidimensional geometrische Dimensi­ onsmessung (Breite, Länge und Tiefe) des Meßortes durchführ­ bar.

Durch die geeignete optische Anordnung können die Verfahren der zweidimensional und der dreidimensional geometrisch hochauflösenden Intensitätsmessung vereinigt werden.

Neben der Kombination der vorgenannten Verfahren kann auch eine Intensitätsmessung der Transmission von Gamma- oder Röntgenstrahlung durch den Holzkörper erfolgen, die die Messung der Dichte bei vorzugsweise geometrisch geringer Auflösung erlaubt. Dazu mißt ein CCD-Sensor die Strahlung, welche von der Strahlungsquelle, einer Gamma- oder Röntgen­ strahlquelle direkt durch den Holzkörper dringt.

Ebenso kann zusätzlich ein Verfahren zur Intensitätsmessung der Remission der Holzoberfläche in einem eng begrenzten Wellenlängenbereich bzw. bei einer Wellenlänge außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs, vorzugsweise im Infrarot, eingeordnet werden. Die Meßwerte werden durch einen auf dem Meßort gerichteten CCD-Sensor durch ein optisches System erfaßt.

Mit diesem System ist eine Intensitätsinformation meßbar, welche Aussagen zu bestimmten chemischen Eigenschaften bzw. der Zusammensetzung des Holzes am Meßort ermöglicht.

Es wird eine Strahlungsquelle eingesetzt, welche Strahlung in dem zu messenden Wellenlängenbereich imitiert, vorzugs­ weise ein Temperaturstrahler bzw. Planckscher Strahler.

Durch eine geeignete optische Anordnung, kann dieses Verfah­ ren, mit dem Verfahren unter a vereinigt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird jeder Sensor abhängig von seiner Meßaufgabe so kalibriert, daß die geometrischen und spektralen Eigenschaften über das gesamte Meßfeld erfaßt werden. Gleichzeitig werden die Sensoren untereinander synchron auf den Meßort des zu messenden Objektes ausgerichtet.

Die durch die Sensoren aufgenommenen Meßwerte werden digita­ lisiert und mit dem bei der Kalibrierung bestimmten Fakto­ ren normiert. Die so erhaltenen Meßdaten der verschiedenen Systeme werden nach der Synchronisierung untereinander mit bestimmten Transformationen vorverarbeitet und für die Auswertung aufbereitet.

So werden z. B. Meßwerte aus den Verfahren zu a in verschie­ dene physikalische Farbsysteme umgewandelt. Dazu werden die synchronisierten Daten in parallelen Datenkanälen der Auswertung übergeben.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wird mit einer Anlage gearbeitet, in welcher ein Förderer das Holz längs bzw. quer zu seiner Faserrichtung kontinuierlich durch die örtlichen Meßbereiche der CCD-Sensoren hindurchbe­ wegt. Die CCD-Sensoren weisen eine ihrer erforderlichen geo­ metrischen Auflösung entsprechende Bauform auf, vorzugswei­ se werden CCD-Sensoren in Zeilen- bzw. Matrixform einge­ setzt.

Die Messungen erfolgen in zeitlichen Intervallen, deren Folge durch den Vorschub des Holzförderers bestimmt wird. Den Start der jeweiligen Messung bestimmt das Signal eines inkrementalen Gebers, der mit dem Vorschub des Förderers gekoppelt ist. Dadurch wird eine geometrische Synchronisati­ on des Meßbeginns bezogen auf das Meßobjekt erreicht.

Da die zeitliche Folge der Startsignale nicht konstant ist, erfolgt die Messung mit konstanten Integrationszeiten der Sensoren bzw. werden alle Meßwerte zeitlich normiert.

Ebenso muß berücksichtigt werden, daß alle Strahler und Optiken üblicherweise eine örtlich unterschiedliche Strah­ lungsintensität bzw. -Verteilung und alle CCD-Elemente eines Sensors unterschiedliche Empfindlichkeiten aufweisen. Da diese Unregelmäßigkeiten in die Meßwerte eingehen, müssen sie durch eine Shadingkorrektur berücksichtigt werden.

Für die Meßverfahren werden die Strahlungsquellen in einem bestimmten Winkel zwischen optischer Achse und Vorschubrich­ tung angeordnet.

Der Winkel für die photometrisch hochauflösende Intensitäts­ messung der Remission beim Verfahren a beträgt 20° bis 60°.

Der Winkel beim Verfahren b für die zweidimensional geome­ trisch hochauflösende Intensitätsmessung beträgt 0° bis 60°.

Der Winkel beim Verfahren für die dreidimensional geome­ trisch hochauflösende Intensitätsmessung der Remission beträgt 0° bis 45°.

Der Winkel beim Verfahren zur Intensitätsmessung der Remis­ sion in einem engbegrenzten Wellenlängenbereich beträgt 20° bis 60°.

Beim Verfahren zur Intensitätsmessung der Transmission von Gamma- oder Röntgenstrahlung beträgt der Winkel 180°.

Die Anordnung der Sensoren bzw. der Optiken für den einfal­ lenden Strahlengang erfolgt vorzugsweise außer beim Verfah­ ren für die dreidimensional geometrisch hochauflösende Intensitätsmessung der Remission senkrecht über der Vor­ schubrichtung des Holzkörpers.

Bei den Verfahren für die photometrisch hochauflösende Intensitätsmessung der Remission und bei der Intensitätsmes­ sung der Remession in einem eng begrenzten Wellenlängenbe­ reich ist eine Konzentration der Strahlung aus den einge­ setzten Strahlungsquellen auf den Meßort wichtig, um die Strahlungsenergie maximal zur Beleuchtung zu nutzen und die Verlustleistung zu minimieren.

Die eingesetzten Temperaturstrahler bzw. Halogenlampen besitzen Spezialreflektoren, die die Strahlung auf die Holz­ oberfläche als Linie fokussieren.

Die spektrale Zerlegung der remitierten Strahlung beim Verfahren zur photometrisch hochauflösenden Intensitätsmes­ sung der Remisson der Holzoberfläche, ggf. auch bei der Intensitätsmessung der Remission der Holzoberfläche in einem eng begrenzten Wellenlängenbereich erfolgt durch einen optischen Strahlteiler. Der Strahlteiler kann als Prisma oder als ein aus mehreren Schichten aufgebauter Glaskörper ausgebildet sein, dessen innere Grenzflächen mit unterschiedlichen spektralen Transmissionseigenschafen für bestimmte Wellenlängenbereiche als Spiegel wirken.

Die exakte spektrale Zerlegung der zu messenden Strahlung ist Voraussetzung für eine Abbildung der Meßwerte in physi­ kalischen Farbsystemen, welche der Helligkeits- und Farbwahrnehmung des Menschen nachempfunden (XYZ, YIQ, VHS, UCS, Luv oder Lab laut CIE) bzw. für besondere Auswertungen entwickelt wurden. Die Wiedergabe der Meßwerte in derarti­ gen Systemen erfolgt durch Transformation der Meßwerte mittels linearer mathematischer Matrizenrechnungen und/oder anderer nichtlinearer Rechnungen zwischen den Meßwerten un­ terschiedlicher Spektralbereiche.

Als Strahlungsquelle für die Verfahren zur zweidimensional geometrisch hochauflösenden Intensitätsmessung der Remissi­ on und der dreidimensional geometrisch hochauflösenden In­ tensitätsmessung der Remission, ggf. auch für die Intensi­ tätsmessung der Remission der Holzoberfläche in einem eng begrenzten Wellenlängenbereich wird vorzugsweise ein Laser eingesetzt. Dieser bringt die für die geometrisch hochauflö­ senden Messungen benötigte Strahlungsenergie auf, und bei entsprechend hoher Frequenz der Messungen Meßwerte mit ausreichender Qualität. Die Laserstrahlung wird in geeigne­ ter Weise auf den Meßort gelenkt. So kann sie durch Stablin­ sen gespreizt oder durch schwingende Spiegelsysteme umge­ lenkt werden.

Zur Unterstützung der Auswertung der Meßergebnisse kann zusätzlich die Änderung der Polarisationsrichtung der Laserstrahlung an der Holzoberfläche gemessen werden, wozu Polarisationsfilter in die Optik eingesetzt werden.

Werden in den verwendeten optischen Systemen zur Übertra­ gung der optischen Strahlung vom Meßort zu den Sensoren, Bildleiter eingesetzt, so werden die Sensoren vom Vorschubsystem mechanisch vollständig entkoppelt.

Ebenso ist eine örtliche Verschiebung der Meßorte zueinan­ der möglich und Messungen aus verschiedenen Optiken mit einem Sensor erfaßbar.

Die Erfindung soll nachfolgend in einem Beispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 Die Anordnung der Strahler und Sensoren für die Erfassung der Meßwerte von der Holzoberfläche beim erfindungsgemäßen Verfahren.

Fig. 2 Die Anordnung der Strahler und Sensoren für die Erfassung der Meßwerte von der Holzoberfläche und einer Vertiefung der Holzoberfläche.

Fig. 3 Die Anordnung der Strahler und Sensoren für die Erfassung der Meßwerte von der Holzoberfläche und einer Vertiefung der Holzoberfläche, bei der die Werte der zweidimensional und dreidimensional geometrisch hochauflösenden Intensitätsmessung der Remission in einem Sensor erfaßt werden.

In Fig. 1 ist das zu untersuchende Holz mit 1 bezeichnet. 2 zeigt eine Meßstelle für die Wegmessung zur Synchronisation der Meßwerte der einzelnen Sensoren. 3 bezeichnet die Strahlungsquelle und 4 den Sensor für die photometrisch hochauflösende Intensitätsmessung der Remission in verschie­ denen Wellenlängenbereichen. Die erhaltenen Meßwerte werden in kontrastreiche Farben umgewandelt. Mit 5 ist die Strah­ lungsquelle für die zweidimensional als auch dreidimensio­ nal geometrisch hochauflösende Intensitätsmessung der Remis­ sion bezeichnet. Mit 6 ist ein halbdurchlässiger Spiegel zur Umlenkung des Remissionsstrahles der zweidimensional geometrisch hochauflösenden Intensitätsmessung bezeichnet. Der Sensor für die Meßwerterfassung der zweidimensional geometrisch hochauflösenden Intensitätsmessung der Remissi­ on ist mit 7 bezeichnet. Der Sensor für die dreidimensional geometrisch hochauflösenden Intensitätsmessung der Remissi­ on trägt die Ziff. 8.

Wie in Fig. 3 gezeigt, wird der von der Strahlungsquelle 5 ausgehende Strahl sowohl für die Messung der zweidimensio­ nal geometrisch hochauflösenden Intensitätsmessung als auch für die dreidimensional hochauflösende Intensitätsmessung benutzt und die Ergebnisse im Sensor 11 erfaßt. Dabei wird sowohl ein Meßsignal der dreidimensional geometrisch hochauflösenden Intensitätsmessung von der normalen Oberflä­ che des Holzes als auch von einer Vertiefung in der Oberflä­ che 9 gemessen und im Sensor 10 erfaßt.

Claims (10)

1. Verfahren zur kontinuierlichen optoelektronischen Aufnah­ me von Eigenschaften und zur Bestimmung der Qualität von Holz, gekennzeichnet dadurch, daß die Informationen aus der Kopplung
eines Systems a
zur photometrisch hochauflösenden Intensitätsmessung der Remission der Holzoberfläche in verschiedenen sichtbaren Wellenlängenbereichen mit mindestens zwei CCD-Sensoren in einem optischen System, welches einen Meßort betrach­ tet und die einfallende Strahlung spektral zerlegt oder einer derartigen Messung in verschiedenen optischen Sy­ stemen, welche ebenfalls auf einem Meßortes messen bzw. auf einen Meßort synchronisiert werden und jeweils einen bestimmten Wellenlängenbereich aufnehmen
mit einem System b
zur zweidimensional geometrisch hochauflösenden Intensi­ tätsmessung der Remission der Holzoberfläche auf einem Meßort in einem eng begrenzten Wellenlängenbereich bzw. bei einer Wellenlänge durch ein optisches System mittels CCD-Sensor
und/oder mit einem System c
zur dreidimensional geometrisch hochauflösenden Intensi­ tätsmessung der Remission der Holzoberfläche, welche durch eine gerichtete Strahlungsquelle mit einem fokus­ sierten Strahl in Größe des Meßortes bestrahlt wird, und die Messung vorzugsweise mit einer CCD-Matrix durch ein optisches System erfolgt, das die remittierte Strahlung unter einem von der Bestrahlung verschiedenen Winkel aufnimmt,
erhalten werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß für die zweidimensional geometrisch hochauflösende Inten­ sitätsmessung der Remission der Holzoberfläche und die dreidimensional geometrisch hochauflösende Intensitäts­ messung der Remission der Holzoberfläche eine Strahlungs­ quelle benutzt wird und die remittierten Strahlen von je einem Sensor aufgenommen werden, wobei die remittierte Strahlung für die zweidimensional geometrisch hochauflö­ sende Intensitätsmessung aus dem Strahlengang der Strah­ lungsquelle ausgekoppelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Strahlengänge für die zweidimensional geome­ trisch hochauflösende und für die dreidimensional geome­ trisch hochauflösende Intensitätsmessung der Remission der Holzoberfläche mit einem Sensor erfaßt werden, wobei der Strahlengang der zweidimensional geometrisch hochauf­ lösenden Intensitätsmessung der Remission der Holzober­ fläche auf einem Teil (z. B. einer Zeile) der Sensorma­ trix der dreidimensional geometrisch hochauflösenden In­ tensitätsmessung der Remission erfaßt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur spektralen Trennung der Wellenlängenbereiche für die photometrisch hochauflösende Intensitätsmessung der Remission der Holzoberfläche in verschiedene sichtbare Wellenlängenbereiche

• a) ein oder mehrere optische Filter,
• b) ein Prisma, das einer Optik nachgeordnet ist, welche die einfallende Strahlung auf die Größe des Prismas bündelt und parallelisiert und nur eine bestimmte Strahlengeometrie durch eine Schlitzblende auf das Prisma leitet oder
• c) ein optischer Strahlteiler, bei dem die spektrale Trennung durch optische Schichten mit unterschiedli­ chen spektralen Transmissionseigenschaften (Hoch- bzw. Tiefpaßfilter) realisiert wird, welche auf bestimmte Wellenlängenbereiche als Spiegelebenen wirken,

verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß die photometrisch hochauflösende Intensitätsmessung der Remission der Holzoberfläche in verschiedenen sicht­ baren Wellenlängenbereichen der menschlichen Seh-Wahrneh­ mung nachempfunden ist und nach Wichtung der spektralen Anteile die Farbwahrnehmung und die Helligkeitswahrneh­ mung des Menschen nachgebildet werden.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß es mit einem Verfahren zur Transmissionsmessung von Gamma- oder Röntgenstrahlen gekoppelt wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Verfahren mit einem Verfahren zur Messung der Intensitätsmessung der Remissi­ on in einem eng begrenzten Wellenlängenbereich oder bei einer Wellenlänge außerhalb des sichtbaren Spektralbe­ reichs gekoppelt werden.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß die erhaltenen analogen oder digitalen Meßwerte sofort nach der Aufnahme in physikali­ sche Farbsysteme wie XYZ, YIQ, VHS, UCS, Luv oder Lab laut CIE oder andere, insbesondere in durch lineare ma­ thematische Matrixoperationen beschreibbare Systeme, transformiert werden.

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 7, gekennzeichnet durch den Einsatz von Bildleitern zur Übertragung der remittierten Strahlung zwischen dem Meßort und den Sensoren zur vollständigen mechanischen und elektrischen Entkopplung der Sensorik von dem Vor­ schubsystem und der sonstigen mechanischen und elektri­ schen Anlage, sowie eine Einleitung der Strahlung von verschiedenen Meßverfahren oder Meßorten in einen Sen­ sor.