DE19632478C2

DE19632478C2 - Verfahren zur Echtzeiterfassung von Fremdkörpern in einem Prüfobjekt

Info

Publication number: DE19632478C2
Application number: DE19632478A
Authority: DE
Inventors: Oliver Scholz; Guenther Dipl Phys Dr R Kostka; Randolf Dipl Phys Hanke; Norbert Dr Ing Bauer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1996-08-12
Filing date: 1996-08-12
Publication date: 1998-07-02
Anticipated expiration: 2016-08-13
Also published as: DE19632478A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Echtzeiterfassung von Fremdkörpern in einem Prüfobjekt. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die automatische, radioskopische Kontrolle von bestrahlten Prüfobjekten auf Fremdkörper.

In vielen Bereichen der industriellen Produktion ist es er forderlich, Fremdkörper in einem Produkt festzustellen und fehlerhafte Produkte auszuschleusen. Beispiele hierfür fin den sich z. B. in der Nahrungsmittelindustrie, wo u. a. Schrotkugeln, Glasscherben, Metallsplitter, Steine und ande re Fremdkörper in Konservendosen auftreten können.

Die zu prüfenden Objekte befinden sich im allgemeinen auf einem sich kontinuierlich mit hoher Geschwindigkeit bewegen den Fließband, auf dem sie durch eine radioskopische Prüfan lage bewegt werden. In der Prüfanlage werden sie von einer Röntgenquelle durchstrahlt, die in einer Kamera ein von der Strahlungsabsorption des Objekts abhängiges Intensitätsmu ster verursacht.

Üblicherweise wird aus wirtschaftlichen Gründen die Prüfung mit der Taktzeit der Produktionsanlage durchgeführt. Auf grund der hohen Geschwindigkeit des Fließbandes ist es aus Kostengründen nicht sinnvoll, rechenintensive Verfahren zur Bildauswertung anzuwenden, weshalb in der Regel ein einfa ches Schwellenwertverfahren eingesetzt wird. Aufgrund der Absorption eines Fremdkörpers ergibt sich ein Kontrast zum Bildhintergrund. Übersteigt dieser Kontrast einen bestimmten Schwellenwert, gilt ein Fremdkörper als erkannt, und das zu prüfende Objekt wird ausgesondert. Eine Variante des Schwel lenwertverfahrens prüft die Differenz zweier benachbarter Bildpunkte der Zeile. Ist diese Differenz größer als der Schwellenwert, wird das zu prüfende Objekt ausgesondert.

Ein Nachteil bei solchen konventionellen Schwellenwertver fahren besteht darin, daß die Wahl des geeigneten Schwellen wertes kritisch ist, d. h. durch geringe Änderungen des Schwellenwertes kann bereits eine Fehldetektion erfolgen. So kann durch statistische Schwankungen (z. B. durch Rauschen oder Störungen, aber auch durch Inhomogenitäten der Empfind lichkeit der Röntgenkamera) der Schwellenwert überschritten werden. Wird die Auslöseschwelle dagegen unempfindlicher eingestellt, können nur Fremdkörper mit einem größeren Kon trast (Absorptionsunterschied) gegenüber der Umgebung detek tiert werden.

Ferner hängt die Erkennungswahrscheinlichkeit eines Fremd körpers bei diesem Verfahren wesentlich von der Lage des Fremdkörpers ab. So ruft beispielsweise eine feine Nadel, die parallel zur Strahlungsrichtung ausgerichtet ist, auf grund der hohen Durchstrahlungslänge in der Strahlungsrich tung eine starke Grauwertveränderung in der Kamera hervor, womit dieser Fremdkörper gut erkannt werden kann. Liegt die selbe Nadel jedoch senkrecht zur Strahlungsrichtung, wird die Grauwertveränderung auf viele Bildpunkte verteilt und kann im Bildrauschen untergehen bzw. unter dem Schwellenwert liegen.

Ein weiteres Problem, das sich bei Schwellwertverfahren mit festem Schwellenwert einstellt, besteht in Objekten, deren Durchstrahlungsdicke variiert. So ist z. B. in der Mitte ei ner Konservendose erheblich mehr zu durchstrahlendes Mate rial vorhanden als am Rand der Dose. Befindet sich die Kame ra in der Mitte der Dose, wird erheblich mehr Strahlung ab sorbiert als am Rand, was eine ständige Nachführung des Schwellenwertes notwendig macht.

Die DE 40 27 359 A1 zeigt ein System und ein Verfahren zum Ermitteln bedrohlicher Gegenstände mit Hilfe von Bildern, die durch Rückstreuung und Durchstrahlung von Gegenständen mit durchdringender Strahlung gebildet werden.

Die DE 23 65 221 C2 zeigt ein Gerät zur automatischen Über wachung eines Gegenstandes auf die Anwesenheit von geladenen Handfeuerwaffen oder Munition und zur Lieferung eines autom atischen Alarms, mit einer Strahlungsenergiequelle, um den Gegenstand einem kollimierten Bündel Röntgenstrahlungsener gie auszusetzen, mit Strahlungsüberwachungseinrichtungen einschließlich einer Vielzahl von Strahlungsdetektoren und zugehöriger elektrischer Schaltung.

Die U.S. 5,490,218 zeigt ein Verfahren, das mindestens zwei Energiebänder von Röntgenstrahlen verwendet, um Gegenstände, z. B. Koffer, die einer Röntgenstrahlinspektion ausgesetzt sind, bezüglich einer spezifischen Substanz zu inspizieren, die durch eine spezifische zusammengesetzte Atomzahl "Z" ge kennzeichnet ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen den Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Echtzeiterfassung von Fremdkörpern in einem Prüfobjekt zu schaffen, bei dem eine lageinvariante Erken nung von Fremdkörpern in dem Prüfobjekt mit variablen geo metrischen Abmessungen bei einem hohen Prüfdurchsatz ermög licht wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine lageinvariante Erkennung von Fremdkörpern in einem Prüfobjekt dadurch ermöglicht wird, daß gegenüber herkömmli chen Verfahren ein Absorptionsintegral über das zu prüfende Objekt gebildet wird. Die absorbierte Intensität der Rönt genstrahlung hängt vom Volumen des Objekts, sowie von seinem Absorptionskoeffizienten ab. Je größer die Differenz der Ab sorptionskoeffizienten von Fremdkörper und Hintergrund ist, desto besser ist der Fremdkörper erkennbar.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß durch die Integration des Absorptionswertes über die durch strahlte Fläche senkrecht zur Strahlrichtung die lageinva riante Erkennung von Fremdkörpern in Objekten ermöglicht wird.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht dar in, daß das erfindungsgemäße Verfahren zur hardwaremäßigen Implementierung geeignet ist, wodurch ein hoher Prüfdurch satz erreicht wird und damit hohe Bandgeschwindigkeiten, auf denen die Prüfobjekte an der Röntgenquelle vorbeigeführt werden, realisiert werden können.

Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Nachfolgend wird anhand der beiliegenden Zeichnung ein be vorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vor richtung zur Echtzeiterfassung von Fremdkörpern in einem Prüfobjekt.

Anhand der Fig. 1 wird nachfolgend ein bevorzugtes Ausfüh rungsbeispiel einer Vorrichtung näher be schrieben. Die Vorrichtung ist in der Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 100 versehen.

Die Vorrichtung 100 zur Echtzeiterfassung von Fremdkörpern in einem Prüfobjekt umfaßt eine Bestrahlungseinrichtung 102, die ein Prüfobjekt 104 mit einer Strahlung 106 bestrahlt. Das Prüfobjekt wird bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausfüh rungsbeispiel auf einer Fördereinrichtung 108 durch die Vor richtung 100 bewegt.

Mittels einer Strahlungserfassungseinrichtung 110 wird die das Prüfobjekt durchdringende Strahlung pixelweise erfaßt, und in einer Berechnungseinrichtung 112, die wirksam mit der Strahlungserfassungseinrichtung 110 verbunden ist, wird ein Absorptionswert aufgrund einer Mehrzahl von in einem vorbe stimmten Flächenbereich liegenden Pixeln bestimmt. Ferner vergleicht die Berechnungseinheit 112 den Absorptionswert mit einem vorbestimmten Schwellenwert und bestimmt aufgrund des Vergleichsergebnisses, ob ein Fremdkörper in dem Prüf objekt vorhanden ist. Wenn ein Fremdkörper in dem Prüfobjekt vorhanden ist, gibt die Berechnungseinheit 112 ein Steuersi gnal an die Steuerung 114 ab, die ihrerseits ein Signal 116 an die Fördereinheit 108 abgibt, um zu bewirken, daß das Prüfobjekt 104, das einen Fremdkörper aufweist, nach dem Durchlaufen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgesondert wird.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird als Bestrahlungsquelle eine Röntgenstrahlungsquelle verwendet, und als Strahlungserfassungseinrichtung 110 dient eine Rönt genzeilenkamera.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt die Berechnungseinheit 112 der Vorrichtung 100 einen Spei cher, bevorzugterweise einen FIFO-Speicher (FIFO = first-in-first-out), sowie ein Rechenwerk.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des er findungsgemäßen Verfahrens näher beschrieben.

Wie es bereits oben ausgeführt wurde, besteht der grundle gende Unterschied gegenüber herkömmlichen Verfahren darin, daß das Absorptionsintegral über das zu prüfende Objekt ge bildet wird. Die absorbierte Intensität der Röntgenstrahlung hängt vom Volumen des Objekts sowie von seinem Absorptions koeffizienten ab. Je größer die Differenz der Absorptions koeffizienten von Fremdkörper und Hintergrund ist, desto besser ist der Fremdkörper erkennbar.

Üblicherweise wird die Untersuchung der Kameradaten zeilen weise durchgeführt, was insbesondere bei Zeilenkameras der Fall ist. Um unabhängig von Veränderungen der Abmessungen des Prüfobjekts zu sein, ist es notwendig, die Ergebnisse einer vorhergehenden Zeile zwischenzuspeichern, um die Dif ferenz der aktuellen Zeile und des Mittelwerts der vorheri gen Zeile zu bilden. Dies führt dazu, daß das Ergebnis we sentlich unabhängiger von den Abmessungen des durchstrahlten Prüfobjekts ist, da die durchstrahlte Strecke von Zeile zu Zeile nicht stark schwankt. Es wird jedoch darauf hingewie sen, daß bei Prüfobjekten mit einer konstanten Durchstrah lungsdicke auf diesen Vorverarbeitungsschritt verzichtet werden kann.

Um vom inhärenten Bildrauschen unabhängig zu werden, bietet es sich an, im weiteren nur diejenigen Pixel zu betrachten, bei denen das Resultat der Vorverarbeitung über einem Schwellenwert bzw. oberhalb der Maskierungsschwelle liegt, der durch das typischerweise in einem Bild vorhandene Rau schen bestimmt ist. Die Wahl der Maskierungsschwelle ist im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren unkritisch, da sie le diglich dazu dient, den eventuell störenden Einfluß eines Bildrauschens zu unterdrücken.

Betrachtet man nun ein einzelnes Pixel P(n) einer aktuellen Zeile, so hängt dessen Grauwert von den Absorptionskoeffi zienten der Materialien in dem durchstrahlten Volumen ab. Da durch die Vorverarbeitung bereits durch die geometrischen Abmessungen des Objekts bedingte Variationen des Grauwerts weitgehend eliminiert wurden, beruhen die nun noch vorhande nen Schwankungen im Signal auf der unterschiedlichen Absorp tion der verschiedenen Materialien (Fremdkörper) im Strah lengang sowie der durchstrahlten Länge der Materialien. Der Grauwert des Pixels P(n) ist somit proportional zur in Strahlungsrichtung liegenden durchstrahlten Länge des Fremd körpers.

Nach der Vorverarbeitung werden alle Pixel der Zeile oder eines gewählten Ausschnittes der Länge N zum Zeilenergebnis Z(m) aufaddiert. Damit gehen die Abmessungen des Fremdkör pers in zwei Raumrichtungen (Ausschnitt der Länge N sowie durchstrahlte Dicke) in das Ergebnis ein:

Durch Addition der Zeilenergebnisse Z(m) der letzten M Zei len wird so das Flächenintegral über die Fläche N×M gebil det:

Somit gehen die Abmessungen des Fremdkörpers in allen drei Raumrichtungen in das Meßergebnis ein. Je größer das Volumen des Fremdkörpers ist und je größer sein Absorptionskoeffi zient ist, desto größer ist der Wert V(m). Überschreitet dieser Wert einen gewissen Schwellenwert, gilt ein Fremdkör per als erkannt. Dieser Schwellenwert hängt vom Material und vom Volumen der zu erkennenden Fremdkörper ab.

Da das gesamte Volumen des durchstrahlten Materials auf das Meßergebnis einwirkt, ist es unerheblich, welche Orientie rung der Fremdkörper hat, da sich im wesentlichen nur die Verteilung der Absorption auf die Bildpunkte ändert, ihre Summe aber annähernd gleich bleibt. Einzelne Bildpunkte steuern daher nur einen kleinen Anteil zum Resultat V(m) bei, wodurch die Festlegung eines Schwellenwertes im Ver gleich zu herkömmlichen einfachen Schwellwertverfahren we sentlich unkritischer wird.

Eine weitere Eigenschaft des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß pro Pixel im wesentlichen nur drei ein fache Operationen (Additionen) durchzuführen sind, nämlich die Addition des aktuellen Grauwertes zur Mittelwertsbildung der aktuellen Zeile, sowie die Subtraktion des Mittelwerts der vorherigen Zeile, und die Addition dieses Ergebnisses auf das Zeilenintegral der aktuellen Zeile. D.h., daß die Daten einer Aufnahmezeile auf einen einzigen Wert Z(m) zu reduzieren sind, der ein Maß für die Absorption entlang der Zeile darstellt. Bei einem Prüffenster der Länge M ist es also nur erforderlich, die letzten M Ergebnisse zwischenzu speichern. Kommt z. B. ein neues Zeilenergebnis Z(m') hinzu, ist das aktualisierte Ergebnis für das Volumen:

V(m') = V(m'-1) + Z(m') - Z(m'-M)

Es müssen somit nur M Zwischenergebnisse gespeichert werden, und pro Zeile zwei weitere Additionen und ein Vergleich mit dem Schwellenwert ausgeführt werden, um das Ergebnis zu ak tualisieren. Weiterhin ist eine Division pro Zeile nötig, um den mittleren Grauwert der aktuellen Zeile zu normieren.

Es ist offensichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren somit besonders dazu geeignet ist, hardwaremäßig realisiert zu werden, was die hohe Verarbeitungsleistung erst ermög licht.

Wie es bereits oben ausgeführt wurde, umfaßt die erfindungs gemäße Vorrichtung einen Speicher zur Speicherung der letz ten M Zeilenintegrale sowie ein Rechenwerk und eine Ablauf steuerung. Die Ablaufsteuerung steuert Speicher und Re chenwerk derart, daß pro Zeile ein Gut/Schlecht-Ergebnis über das durch die letzten M Zeilen definierte Volumen be rechnet wird. Durch die Bewertung des Volumens des Fremdkör pers und durch Eliminierung von Schwankungen des Zeilenmit telwertes ist die Erkennung weitgehend unabhängig von Lage und Größe des zu erkennenden Fremdkörpers und den geometri schen Schwankungen des zu prüfenden Objekts.

Es wird darauf hingewiesen, daß die obige Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich ein bevorzugtes Aus führungsbeispiel darstellt, auf das die vorliegende Erfin dung nicht beschränkt ist. Die wesentlichen Schritte des er findungsgemäßen Verfahrens zur Echtzeitbestimmung von Fremd körpern in einem Prüfobjekt sind das Bestrahlen des Prüfob jekts mit einer Strahlung, das pixelweise Erfassen der Strahlung, die das Prüfobjekt durchdringt, das Bestimmen eines Absorptionswertes aufgrund einer Mehrzahl von in einem vorbestimmten Flächenbereich liegenden Pixeln, das Verglei chen des Absorptionswertes mit einem vorbestimmten Schwel lenwert und das Bestimmen, ob ein Fremdkörper in dem Prüf objekt vorhanden ist aufgrund des Vergleichsergebnisses.

Claims

1. Verfahren zur Echtzeiterfassung von Fremdkörpern in ei nem Prüfobjekt mit folgenden Schritten:

a) Bestrahlen des Prüfobjekts (104) mit einer Strah lung (106);
b) pixelweises Erfassen der Strahlung, die das Prüfob jekt (104) durchdringt;
c) Bestimmen eines Absorptionswertes aufgrund einer Mehrzahl von in einem vorbestimmten Flächenbereich liegenden Pixeln;
d) Vergleichen des Absorptionswertes mit einem vorbe stimmten Schwellenwert; und
e) Bestimmen, ob ein Fremdkörper in dem Prüfobjekt (104) vorhanden ist, anhand des Ergebnisses des Vergleichs aus Schritt d);

dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt c) folgende Schritte umfaßt:

c1) Aufaddieren der Grauwerte von Pixeln (P(n)) einer Zeile oder eines vorbestimmten Abschnitts zu einem Zeilenergebnis (Z(m)) gemäß folgender Gleichung:
c2) Aufaddieren der Zeilenergebnisse (Z(m)) für eine vorbestimmte Anzahl (M) von Zeilen, um den Absorp tionswert zu erhalten, gemäß folgender Gleichung:

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem vor dem Schritt c1) die Differenz der erfaßten Zeile und des Mittelwertes der vorhergehenden Zeile gebildet wird, um eine Maskie rungsschwelle zu bilden, und nur solche Pixel zur Be stimmung des Absorptionswertes herangezogen werden, de ren Grauwert oberhalb der Maskierungsschwelle liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zur Be strahlung verwendete Strahlung eine Röntgenstrahlung ist.