DE19616176A1

DE19616176A1 - Method and device for recognizing properties of moving objects

Info

Publication number: DE19616176A1
Application number: DE1996116176
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Kantimm; Thomas Huth-Fehre
Original assignee: Institut fuer Chemo und Biosensorik Muenster eV ICB
Current assignee: Institut fuer Chemo und Biosensorik Muenster eV ICB
Priority date: 1996-04-12
Filing date: 1996-04-12
Publication date: 1997-10-16
Also published as: WO1997039336A1; EP0892921A1

Abstract

A process and device are disclosed for detecting properties of objects (1). Images (13) are recorded in different wavelength ranges by means of a detector array (4, 12) and the wavelength-dependent pixel information is stored in a memory (6). An evaluation unit (7) determines the properties of the objects based on predetermined wavelength information and the information on the pixel wavelength. At least two images of the object having different wavelengths are simultaneously reproduced in a direction in space on different localised areas of the detector array through wavelength-selective filters (10) and optical reproduction means (11, 14, 15) associated thereto.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor richtung zur Erkennung von Eigenschaften bewegter Objekte nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs bzw. des nebengeordneten Anspruchs.The invention relates to a method and a direction for the detection of properties of moving Objects according to the preamble of the main claim or of the secondary claim.

Im Stand der Technik ist eine Sortiervorrichtung be kannt, bei der Gegenstände auf einem Band an einer Kamera, beispielsweise einer CCD-Kamera vorbeibewegt werden, die aus Pixeln zusammengesetzte Bilder auf nimmt. Vor der Kamera ist ein rotierendes Filterrad angeordnet, das für verschiedene Wellenlängen ausge legt ist. Es werden nacheinander unter Drehung des Filterrades bei verschiedenen Wellenlängen Bilder aufgenommen, wobei die Bilder als Pixel bzw. Bild punkte als dreidimensionaler Datensatz in einem Spei cher gespeichert werden. Die Wellenlängen der Filter des Filterrades sind entsprechend den zu sortierenden Gegenständen gewählt, so daß abhängig von der in dem Speicher gespeicherten wellenlängenabhängigen Pixel information geschlossen werden kann, um welches Mate rial es sich handelt. Diese bekannte Vorrichtung ist ein serielles System, das bei schnell bewegten Gegen ständen bzw. Objekten zu Meßfehlern und Artefakten führt.In the prior art, a sorting device is knows, with objects on a tape on a Camera, for example a CCD camera moved past images made up of pixels takes. In front of the camera is a rotating filter wheel arranged that out for different wavelengths sets is. It will be rotated one after the other Filter wheel at different wavelengths images recorded, the images as pixels or image points as a three-dimensional data set in a memory be saved. The wavelengths of the filters of the filter wheel are to be sorted according to Selected objects so that depending on the in the Memory stored wavelength-dependent pixels information about which mate rial it is. This known device is a serial system that works with fast moving counterparts stands or objects for measurement errors and artifacts leads.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung von Ei genschaften bewegter Objekte zu schaffen, die eine gleichzeitige Bilddetektion bei unterschiedlichen Wellenlängen mit nur einem Detektorarray ermöglichen.The invention is therefore based on the object Method and device for recognizing egg properties of moving objects that create a simultaneous image detection in different Allow wavelengths with only one detector array.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs bzw. des Ne benanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen der ent sprechenden Oberbegriffe gelöst.This object is achieved by the kenn drawing features of the main claim or the Ne claims in connection with the features of ent speaking generic terms solved.

Dadurch, daß die Objekte über mehrere Filter unter schiedlicher Wellenlängen und mehrere Abbildungsopti ken auf verschiedene örtliche Bereiche eines Detekto rarrays als Bilder mit unterschiedlichen Wellenlängen abgebildet werden, kann eine Vorrichtung zur Erken nung von Eigenschaften bewegter Objekte mit einem preiswerten und schnellen Simultandetektor zur Ver fügung gestellt werden. Es entsteht zwar durch das virtuelle Aufspalten eines Detektorarrays in ver schiedene Sektoren und Belichtung jedes Sektors mit dem vollen Bild, aber jeweils unterschiedlichen wel lenlängenselektiven Filtern ein Kompromiß zwischen spektraler Auflösung und Ortsauflösung, das jedoch viele Aufgaben zur Erkennung von Eigenschaften nur wenige Wellenlängen und eine Vielzahl von Pixeln ver langen, ist dieser Kompromiß nicht von Nachteil. Because the objects have multiple filters under different wavelengths and several imaging optics on different local areas of a detector rarrays as images with different wavelengths can be mapped, a device for detection properties of moving objects with a inexpensive and fast simultaneous detector for ver be made available. It arises from that virtual splitting of a detector array in ver different sectors and exposure of each sector the full picture, but different wel length-selective filters a compromise between spectral resolution and spatial resolution, however many property recognition tasks only few wavelengths and a large number of pixels ver long, this compromise is not a disadvantage.

Durch dieses virtuelle Aufspalten läßt sich aus einem zweidimensionalen Detektorarray wieder ein dreidimen sionaler Datensatz gewinnen, wobei, anders als im obengenannten Stand der Technik alle Datenpunkte si multan ermittelt werden, d. h. die Bewegung des Objek tes keine Rolle mehr spielt.Through this virtual splitting, one can two-dimensional detector array again a three-dimensional win regional data set, whereby, unlike in State of the art above all data points si be determined multan, d. H. the movement of the object no longer matters.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse rungen möglich.By the measure specified in the subclaims Men are advantageous further training and improvements possible.

Für den Fall, daß die Relativbewegung zwischen Objekt und Kamerasystem meßbar oder rechnerisch nachvoll ziehbar ist, kann das Detektorarray als Zeilenkamera, das heißt eindimensional ausgebildet sein, wobei die Bilder der zu erfassenden Objekte aufgrund der zei lenförmigen Abtastung und der Bewegung als Bildpunkte unterschiedlicher Intensität gespeichert werden. So läßt sich durch Hinzufügen der Dimension Zeit der benötigte dreidimensionale Datensatz mit einem nur eindimensionalen und daher preiswerten Detektorarray erzeugen.In the event that the relative movement between object and camera system measurable or arithmetically detailed can be pulled, the detector array can be used as a line camera, that is, be one-dimensional, the Images of the objects to be captured based on the time len-shaped scanning and the movement as pixels different intensity can be saved. So can be added by adding the dimension time to the needed three-dimensional data set with only one one-dimensional and therefore inexpensive detector array produce.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das Verfahren können für unterschiedliche Erkennungsaufgaben ver wendet werden, beispielsweise zur Materialerkennung, wodurch Sortieraufgaben, beispielsweise Sortierung von Dosen oder Flaschen unterschiedlicher Kunststof fe, Bauschuttsortierung oder Kompostsortierung gelöst werden können. Eine andere Erkennungsaufgabe ist die Feuchtemessung, zum Beispiel für Trockengemüse für Fertiggerichte. Es ist jedoch auch vorstellbar, daß unterschiedliche Aggregatzustände, wie Eis und Wasser insbesondere zur Feststellung des Straßenzustandes aus der Luft bestimmt werden, wobei die erfindungs gemäße Vorrichtung in einem Luftfahrzeug angeordnet ist und die Bewegung der Objekte aufgrund der Rela tivbewegung zwischen Luftfahrzeug und Erde hervorge rufen wird.The device according to the invention and the method can ver for different recognition tasks be used, for example for material detection, whereby sorting tasks, such as sorting of cans or bottles of different plastics Fe, building rubble sorting or compost sorting solved can be. Another recognition task is that Moisture measurement, for example for dry vegetables for Ready meals. However, it is also conceivable that different states of matter, such as ice and water in particular to determine the state of the road be determined from the air, the fiction according device arranged in an aircraft and the movement of the objects due to the rela movement between aircraft and earth will call.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be schreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are in the drawing tion and are described in the following section spelling explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erkennung von Eigen schaften von auf einem Transportband bewegten Objekten nach der vorliegen den Erfindung, Fig. 1 is a schematic representation of an apparatus for the detection of intrinsic properties of moving objects on a conveyor belt according to the present the invention,

Fig. 2 eine schematische perspektivische An sicht der Filter- und Abbildungsoptik sowie eines Detektorarrays nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfin dung, Fig. 2 is a schematic perspective on the filter and imaging optics and a detector array to view a first embodiment of the OF INVENTION dung,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung entsprechend der Anordnung nach Fig. 2, und Fig. 3 is a sectional view corresponding to the arrangement of FIG. 2, and

Fig. 4 eine Schnittdarstellung entsprechend Fig. 3 nach einem weiteren Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung. Fig. 4 is a sectional view corresponding to FIG. 3 for another embodiment of the invention.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zum Sortieren von Bau schutt dargestellt, bei der die Objekte 1 des Bau schutts nicht überlappend nebeneinander auf einem Transportband 2, das sich in Richtung des Pfeils 3 bewegt, angeordnet sind. Über dem Band 2 ist eine Infrarot-Kamera z. B. eine ein Detektorarray bildende CCD-Kamera angeordnet, wobei die Kamera 4 die Objekte 1 auf dem Band als Bildpunktmuster entsprechend ihrer örtlichen Auflösung abbildet. Zwischen Band 2 und Kamera 4 ist eine Filter- und Abbildungsoptikanord nung 5 in den Strahlengang geschaltet, die näher in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt ist. Die Filter- und Abbildungsoptikanordnung 5 besteht aus mehreren wel lenlängenselektiven Filtern, deren spektralen Durch laßkurven entsprechend den spektralen Eigenschaften der verschiedenen zu sortierenden Materialien im Bau schutt gewählt sind. Weiterhin weist die Filter- und Abbildungsoptikanordnung 5 den Filtern zugeordnete Abbildungsoptiken auf, die das Bild der Objekte 1 auf dem Band 2 so aufspalten, daß es mehrfach mit unter schiedlichen Wellenlängen auf verschiedene Bereiche der Detektorfläche der Kamera 4 abgebildet werden. Die wellenlängenselektiven Bilder werden als Bild punkte oder Pixel in einem Bildspeicher 6 gespei chert, der mit einer beispielsweise als Rechner aus gebildeten Auswerteeinheit 7 verbunden ist. Die Aus werteeinheit 7 nimmt eine Auswertung vor, indem sie die Bildpunktsignale mit den entsprechenden Spektral kurven der unterschiedlichen zu sortierenden Materia lien vergleicht bzw. mit diesen korreliert, um so die unterschiedlichen Materialien oder Materialeigen schaften zu erkennen. Abhängig von dem Ergebnis wer den über einen Steuereingang 8 entsprechende Signale an Trennvorrichtungen gegeben, über die die Objekte 1 entsprechend ihren Materialeigenschaften getrennt werden. Es kann ein Display 9 vorgesehen sein, auf dem die Bilder angezeigt werden.In Fig. 1, a device for sorting rubble is shown, in which the objects 1 of rubble are not overlapping side by side on a conveyor belt 2 , which moves in the direction of arrow 3 , are arranged. Above band 2 is an infrared camera, for. B. a CCD camera forming a detector array is arranged, the camera 4 imaging the objects 1 on the tape as a pixel pattern according to their local resolution. Between belt 2 and camera 4 a filtering and drying Abbildungsoptikanord is connected in the beam path 5, the detail in FIG. 2 and FIG. 3 is shown. The filter and imaging optics arrangement 5 consists of a plurality of wavelength-selective filters whose spectral pass-through curves are selected according to the spectral properties of the various materials to be sorted in construction rubble. Furthermore, the filtering and imaging optics assembly 5 on the filters associated imaging optics that split the image of the objects 1 on the belt 2 so that it can be repeatedly displayed having different wavelengths, at different regions of the detector surface of the camera. 4 The wavelength-selective images are stored as image points or pixels in an image memory 6 , which is connected to an evaluation unit 7 , for example a computer. The evaluation unit 7 carries out an evaluation by comparing the image point signals with the corresponding spectral curves of the different materials to be sorted or correlating them so as to recognize the different materials or material properties. Depending on the result, the corresponding signals are given to separating devices via a control input 8 , via which the objects 1 are separated according to their material properties. A display 9 can be provided on which the images are displayed.

In Fig. 2 und Fig. 3 ist eine Filter- und Abbildungs optikanordnung 5 mit einer Andeutung des Strahlengan ges dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel sind vier Filter 10 mit unterschiedlichen spektralen Durchlaßkurven in einer Ebene nebeneinanderliegend angeordnet, denen jeweils Linsen 11 nachgeschaltet sind, die das Objekt 1 auf unterschiedlichen Stellen des Detektorfeldes 12 als Bilder 13 bei verschiedenen Wellenlängen abbilden. Das Detektorfeld wird somit in verschiedene Sektoren oder Bereiche virtuell aufge spaltet und jeder Sektor wird mit dem vollen Bild bei unterschiedlichen Wellenlängen belichtet. Auf diese Weise dient das Detektorfeld 12 als Simultandetektor. In der Darstellung nach Fig. 2 und Fig. 3 sind die Bilder 13 auf dem Detektorfeld 12 der Übersichtlich keit wegen weit auseinander gezeichnet, selbstver ständlich werden sie näher beieinanderliegen, um das Detektorfeld 12 besser auszunutzen.In Fig. 2 and Fig. 3, a filter and imaging optics 5 is shown with a hint of the radiation gan. In this exemplary embodiment, four filters 10 with different spectral transmission curves are arranged next to one another in a plane, each of which is followed by lenses 11 , which image the object 1 at different locations in the detector field 12 as images 13 at different wavelengths. The detector field is thus virtually split into different sectors or areas and each sector is exposed to the full image at different wavelengths. In this way, the detector field 12 serves as a simultaneous detector. In the illustration of FIG. 2 and FIG. 3 marked the images 13 on the detector array 12 of the Clearly ness because far apart, they are understandable selbstver are closer together, to make better use of the detector array 12.

In Fig. 4 ist ein weiteres Beispiel der Filter- und Abbildungsoptikanordnung 5 der Fig. 1 dargestellt. Hier werden anstelle der Linsen 11 im Ausführungsbei spiel nach Fig. 2 und Fig. 3 optische Keile 14 ver wendet, die entsprechend den gewünschten Abbildungs bereichen ausgerichtet sind. Den Keilen 14 ist eine Sammellinse 15 nachgeschaltet, die die Bilder 13 auf dem Detektorfeld 12 abbilden. FIG. 4 shows a further example of the filter and imaging optics arrangement 5 of FIG. 1. Here 3 optical wedges 14 in place of the lenses 11 in the game Ausführungsbei of FIG. 2 and FIG. Ver turns, which are aligned areas corresponding to the desired imaging. Downstream of the wedges 14 is a converging lens 15 which images 13 on detector field 12 .

In Fig. 2 sind vier Filter 10 mit entsprechenden Lin sen 11 nebeneinander bzw. übereinander angeordnet. Selbstverständlich können mehr, aber auch weniger Filter mit entsprechenden Abbildungsoptiken abhängig von den Erkennungsaufgaben und von der Auflösung der Detektoranordnung gewählt werden. Es ist auch denk bar, daß eines der Filter einen breiteren Wellenlän genbereich oder das gesamte Spektrum durchläßt, wobei es in letzterem Fall weggelassen werden kann. In Fig. 2 four filters 10 with corresponding Lin sen 11 are arranged side by side or one above the other. Of course, more, but also fewer filters can be selected with corresponding imaging optics depending on the detection tasks and on the resolution of the detector arrangement. It is also conceivable that one of the filters allows a broader wavelength range or the entire spectrum to be passed through, in which case it can be omitted.

Weiterhin wird in Fig. 2 ein Detektorfeld verwendet, es kann aber auch eine Detektorzeile als eindimensio nale Detektoranordnung vorgesehen werden, wobei eine in der Richtung konstante und im Betrag der Geschwin digkeit meßbare Bewegung der Objekte dann als weitere Dimension eingeht. Beispielsweise können die Objekte gleichförmig bewegt werden, es kann jedoch auch ein anderer Bewegungszustand zugrundegelegt werden, je doch muß dieser meßbar oder berechenbar sein.Furthermore, a detector field is used in FIG. 2, but a detector line can also be provided as a one-dimensional detector arrangement, a movement of the objects which is constant in the direction and measurable in the amount of the speed then then being received as a further dimension. For example, the objects can be moved uniformly, but a different state of movement can also be used as a basis, but this must be measurable or calculable.

Im folgenden sollen einige Anwendungsbeispiele neben der oben beschriebenen Sortierung angegeben werden. Beispielsweise werden in der Getränkeindustrie PVC- Flaschen verwendet, wobei diese von anderen Getränke flaschen, die üblicherweise aus Polyethylenterepht halat (PET) bestehen, unterschieden werden. Dabei können Filter 10 mit charakteristischen Wellenlängen von z. B. 1125 und 1225 nm bzw. 1655 und 1750 nm ver wendet werden, wobei entsprechend diesen Wellenlängen die Unterscheidung vorgenommen wird.In the following, some application examples are given in addition to the sorting described above. For example, PVC bottles are used in the beverage industry, whereby these bottles are distinguished from other beverages, which usually consist of polyethylene terephthalate (PET). Filters 10 with characteristic wavelengths of z. B. 1125 and 1225 nm or 1655 and 1750 nm are used ver, the distinction being made according to these wavelengths.

Ein anderes Anwendungsgebiet gilt der Feuchtemessung, die beispielsweise für die Trocknung und Einfrierung von Gemüsen von Wichtigkeit ist, wobei charakteristi sche Wellenlängen für trocken und feucht beispiels weise 900 und 970 nm bzw. 1050 und 1650 nm bzw. 1280 und 1440 nm sind.Another area of application is moisture measurement, for example for drying and freezing of vegetables is important, being characteristic cal wavelengths for dry and moist for example as 900 and 970 nm or 1050 and 1650 nm or 1280 and 1440 nm.

Ein weiteres Anwendungsgebiet liegt in der Erkennung des Straßenzustandes in bezug auf Vereisung, wobei die Bilder der Straße von einem Luftfahrzeug bei spielsweise einem Hubschrauber aufgenommen werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, den Straßenzustand unabhängig vom Tausalzgehalt zu bestimmen. In ähnlicher Weise können Eisberge im Meer festgestellt werden. Die charakteristischen Wellen längen von Wasser und Eis liegen bei 1430 und 1480 bis 1490 nm.Another area of application is detection of the road condition in relation to icing, where the pictures of the road from an aircraft for example a helicopter. With the method according to the invention it is possible to the road condition regardless of the de-icing salt content determine. Similarly, icebergs can be found in the ocean be determined. The characteristic waves lengths of water and ice are 1430 and 1480 up to 1490 nm.

Auch kann das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Vorrichtung für die Sortierung von Kompost in Kom postwerken angewandt werden, die zur Zeit von Perso nen manuell durchgeführt wird, was gesundheitliche Risiken mit sich bringt. Beispielsweise können auch hier abbaubare organische Materialien von syntheti schen Materialien wie Wachse und Kunststoffen ge trennt werden. Charakteristische Wellenlängen wären hier für die organischen Materialien etwa 1440 nm und für die synthetischen Materialien 1200 nm.The method according to the invention or the Device for sorting compost in com post works that were used at the time of Perso is done manually, which is health Brings risks. For example, too biodegradable organic materials from syntheti materials such as waxes and plastics be separated. Characteristic wavelengths would be here for the organic materials about 1440 nm and for the synthetic materials 1200 nm.

Claims

1. A method for the detection of properties of moving objects, of which images are recorded in different wavelength ranges by means of a detector array and the wavelength-dependent pixel information is stored in a memory which is connected to an evaluation unit, the evaluation unit being based on predetermined wavelength information and the wavelength-dependent pixel information, the properties of the objects are determined, characterized in that the objects are split simultaneously via at least two wavelength-selective filters and these associated optical imaging devices into at least two object images of different wavelengths, which are different at different local Areas of a detector array are mapped.

2. The method according to claim 1, characterized in net that the objects are moved uniformly.

3. The method of claim 1 or 2 for detection of material properties of objects.

4. The method according to claim 1 or 2 for detection the moisture content of objects.

5. The method according to claim 1 or 2 for detection of the physical state of objects.

6. The method according to claim 1 or 2 for rubble or waste sorting.

7. Device for recognizing properties of moving objects with a detector arrangement provided with a filter arrangement for recording and exposing images of the objects in different wavelength ranges, a memory for storing the wavelength-dependent pixel information and an evaluation unit which is dependent on predetermined wavelength information of the objects and depending on the wavelength-dependent pixel information determines the property of the objects, characterized in that between the object ( 1 ) and the detector arrangement ( 4 , 12 ) at least two wavelength-selective filters ( 10 ) and at least two imaging optics ( 11 ) assigned to the filters ( 10 ) , 14 ) for projecting object images of different wavelengths are arranged on different local areas of the detector arrangement.

8. The device according to claim 7, characterized in that the filter ( 10 ) close to the Abbil extension optics ( 11 , 14 ) are arranged.

9. The device according to claim 7 or 8, characterized ge indicates that the imaging optics wedge-shaped are trained.

10. The device according to claim 7 or 8, characterized ge indicates that the imaging optics as for separate wavelengths from each wavelength range forms are.

11. The device according to one of claims 7 to 10, characterized in that the detector array line is formed.

12. The device according to one of claims 7 to 10, characterized in that the detector array is designed as a detector field.

13. The device according to one of claims 7 to 12, characterized in that the detector array is designed as a CCD camera.

14. Device according to one of claims 7 to 13, characterized in that the imaging opti a combination of lenses and wedges consist.