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Die Erfindung betrifft ein Erfassungssystem und
eine Erfassungsvorrichtung.
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Es ist bspw. in der Automobilindustrie
bekannt, Werlstücke
durch optische Abtastung mit Kameras zu beobachten. Hierbei werden
bspw. flächige Werkstücke wie
PKW-Seitenteile,
die auf einem Förderband
bewegt werden, beobachtet und durch Bildverarbeitungsmethoden (Merkmalsextraktion)
Objekte der Werkstücke – bspw.
Löcher
und Kanten – erkannt
und vermessen. So ist eine genaue Kontrolle des Werkstücks möglich.
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Es existieren für Zwecke der Bildverarbeitung
eine breite Palette an Kamerasystemen. Man unterscheidet grundsätzlich Flächenkameras
und Zeilenkameras. Beide Systeme haben Vor- und Nachteile für verschiedene
Einsatzzwecke. Während Flächenkameras über einen
flächigen
Sensor verfügen,
umfassen Zeilenkameras einen zeilenförmigen Sensor aus lichtempfindlichen
Elementen. Hochgeschwindigkeits-Zeilenkameras liefern die Helligkeitswerte
der Zeile mit hohem Pixeltakt von bspw. 50 MHz. Zeilenkameras bieten
eine sehr hohe Auflösung
und Geschwindigkeit, und sie bieten darüber hinaus die Möglichkeit,
theoretisch "unendlich" lange Werkstücke zu erfassen.
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Flächenkameras bieten ein dem
Sehen vertrautes Aufnahmebild und damit verbunden eine für den Benutzer
verständlichere
Anzeige und Auswertung.
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Die von einer Kamera, speziell von
einer Hochgeschwindigkeits-Kamera gelieferten Datenmengen sind sehr
hoch. Die Speicherung des anfallenden Datenstroms hat sich als aufwendig
und teuer erwiesen. Zudem stellen die bei der Merkmalsextraktion
notwendigen umfangreichen Berechnungen hohe Anforderungen an die
Verarbeitungseinheit.
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Es existieren bereits Verfahren,
um mit dem stetigen Datenstrom einer Zeilenkamera eine Auswertung
in Echtzeit durchzuführen,
so dass die immensen Datenmengen nicht gespeichert werden müssen, sondern
nur die gefundenen Auswerteergebnisse.
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Bei der Beobachtung der Werkstücke kommt es
vor, daß bestimmte
Bereiche des Werkstücks
von besonderem Interesse sind. Sollen auf grossen Werkstücken einzelne
Gebiete herausgehoben, d.h. besonders betrachtet werden, so kann
dies durch die Montage mehrerer einzelner Flächenkameras erfolgen, die auf
verschiedene Gebiete desselben Werkstückes gerichtet sind. Deren
Einzeldaten müssen dann
aber wieder mit zum Teil hohem logistischen Aufwand geeignet zusammengeführt werden.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein
Erfassungssystem und eine Erfassungsvorrichtung anzugeben, mit denen
Bereiche des Werkstücks
besonders gut beobachtet werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein System nach Anspruch 8.
Abhängige
Ansprüche
beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine
Zeilenkamera als Bilderfassungselement zu benutzen und das gelieferte
Bildsignal einerseits vollständig
in der von der Kamera gelieferten Form einer Merkmalsextraktion
zuzuführen
und andererseits aus dem Gesamtbild einzelne, flächige Teilgebiete herauszugreifen
und separat zu verarbeiten oder zu speichern. Die Erfindung kombiniert
die Vorteile von Zeilenkameras mit den Vorteilen der flächenbezogenen
Auswertung.
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Erfindungsgemäß weist die Erfassungsvorrichtung
eine erste und eine zweite Verarbeitungseinheit auf. Es sei darauf
hingewiesen, daß es
sich bei diesen Begriffen um rein funktionale Bezeichnungen handelt.
Es ist zwar bevorzugt, die Einheiten als separate Baugruppen der
Erfassungsvorrichtung vorzusehen, dies ist aber nicht notwendig.
Die erste und zweite Verarbeitungseinheit können auch z. T. oder sogar
vollständig
dieselben Bauteile der Erfassungsvorrichtung umfassen. Insbesondere
ist es möglich, daß die in
beiden Verarbeitungseinheiten geleistete Verarbeitungsfunktion teilweise
oder vollständig
in Software realisiert ist, wobei die Anweisungen für beide
Verarbeitungsfunktionen auch auf derselben Zentraleinheit ausgeführt werden
können.
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Die erste Verarbeitungseinheit verarbeitet das
gelieferte Bildsignal der Zeilenkamera vollständig und extrahiert darin enthaltene
Merkmale. Diese Merkmale können
bspw. linien- oder punktförmige Strukturen
sein. So kann bspw. die Kontur eines von der Zeilenkamera aufgenommenen
Objekts als linienförmiges
Merkmal extrahiert werden. Ein solches Merkmal kann bspw. vektoriell
beschrieben werden (z. B. eine Strecke durch Anfangs- und Endpunkt, eine
Kreislinie durch Mittelpunkt und Radius, oder eine Kurvenlinie durch
Koordinaten von Stützstellen, etc.).
Derartige merkmalsbeschreibende Daten sind von weitaus geringerem
Umfang als das rohe Bildsignal und können daher mit deutlich weniger
Aufwand gespeichert oder unter Echtzeitbedingungen weiterverarbeitet
werden.
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Die zweite Verarbeitungseinheit verarbeitet nicht
das gesamte Bildsignal. Statt dessen wird von dem Bildsignal nur
mindestens ein Teilbild verarbeitet oder gespeichert. Bei dem Teilbild
handelt es sich um einen zusammenhängenden, flächigen Bereich, der sich über eine
Anzahl von aufeinanderfolgenden Zeilen und innerhalb dieser Zeilen über eine
Anzahl von zusammenhängenden
Bildpunkten erstreckt. Der Bereich ist bevorzugt bezüglich des
Zeilen/Punkte-Musters rechteckig, dies ist aber nicht zwingend.
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Das Teilbild umfaßt eine deutlich geringere Anzahl
von Bildpunkten als das gesamte von der Zeilenkamera gelieferte
Bildsignal. So kann aus einer Bildzeile bspw. nur die Hälfte, ein
Viertel oder sogar noch weniger der gesamten gelieferten Bildpunkte herausgegriffen
werden. Durch diese Reduktion der Datenmenge ist es möglich, im
Rahmen der Echtzeitverarbeitung des Bildsignals in der zweiten Verarbeitungseinheit
komplexere Bildverarbeitungen durchzuführen, als in der ersten Verarbeitungseinheit. Während bspw.
zur Merkmalsextraktion unter Echtzeitbedingungen bevorzugt wenig
rechenaufwendige Algorithmen verwendet werden, die bspw. Differenzwerte
der Helligkeitswerte zwischen benachbarten Bildpunkten bilden um
Kontraste zu erkennen, so können
bezüglich
der reduzierten Datenmenge des Teilbildes auch unter Echtzeitbedingungen
erheblich komplexere Algorithmen wie bspw. die Bildung von Durchschnittswerten über einen
Bereich mehrere Bildpunkte, oder sogar eine Betrachtung mittels
einer FFT durchgeführt
werden. Als Maß für die Komplexität eines
Algorithmus kann die Anzahl der hierfür notwendigen Elementar-Rechenoperationen
(Grundrechenarten) je Bildpunkt angesehen werden. Alternativ oder
ergänzend
hierzu ist es auch möglich,
daß von
den als binäre
Werte gelieferten Bildpunkten bei der Verarbeitung in der ersten
Verar beitungseinheit nur eine reduzierte Bitzahl verwendet wird
(höchstwertige
Bits), während
die Verarbeitung in er zweiten Verarbeitungseinheit eine höhere Bitzahl
oder sogar die gesamte Auflösung
berücksichtigt.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Verarbeitung
in der ersten und zweiten Verarbeitungseinheit gleichzeitig, bevorzugt
unter Echtzeitbedingungen, d. h., daß die gelieferten Daten – ggf. unter
Zwischenschaltung eines Puffers – mit derselben Rate gelieferte
wie verarbeitet werden.
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Die Erfindung kombiniert die Vorteile
heute verfügbarer,
hochauflösender
Zeilenkameras mit der Möglichkeit
einer (für
das Teilbild) komplexen Bildverarbeitung unter Echtzeitbedingungen.
Zeilenkameras bieten gegenüber
Flächenkameras
eine unerreicht hohe Auflösung
und werden deshalb in der Meßtechnik
bevorzugt eingesetzt. Für
das Aufnehmen besonders großer
oder langer Werkstücke,
oder für
eine Folge von Werkstükken,
die auf einer Transportvorrichtung, bspw. einem Transportband, an
der Zeilenkamera vorbei transportiert werden, ist die Aufnahme eines
"unendlichen" Bildes möglich.
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Das Teilbild umfaßt einen flächigen Bereich und kann daher
wie von Flächenkameras
aufgenommen als flächiges
Bild bearbeitet, dargestellt oder gespeichert werden. Das Teilbild
kann bspw. verwendet werden, um auf großen betrachteten Objekten einzelne
Gebiete zur besonderen Betrachtung herauszuheben.
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Werden in der zweiten Verarbeitungseinheit mehrere
Teilbilder verarbeitet, so ist eine Kombination der Bilddaten erheblich
leichter, als bei der separaten Aufnahme durch mehrere Flächenkameras. Aufgrund
der Aufnahme als einheitlicher Datenstrom und der klaren Adressierung über Zeilen/Bildpunkte liegt
die relative Lage mehrere Teilbilder zueinander fest.
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Die Festlegung, welcher Teil des
Bildsignals als Teilbild verarbeitet werden soll, kann fest sein, bspw.
durch feste Zeilen/Bildpunkt-Koordinaten, die den Bereich begrenzen.
Gemäß einer
wesentlichen Weiterbildung der Erfindung ist hingegen vorgesehen,
daß die
Lage des Teilbildes relativ zu einem von der ersten Verarbeitungseinheit
erkannten Startmerkmal festgelegt wird. Von den Merkmalen, die von
dem dargestellten Objekt bspw. seine Kontur, Oberflächenstruktur
oder interessante Bereiche wie Löcher
oder Ausschnitte beschreiben, und die aus dem Bildsignal extrahiert
werden, kann eines oder mehrere als Startmerkmale definiert werden.
Wird bei der Verarbeitung ein Startmerkmal erkannt, so wird ausgehend
von der Lage dieses Startmerkmals dann die Lage des Teilbildes festgelegt.
Dies ist besonders für
die Erfassung zur Prüfung
von Werkstücken
vorteilhaft. Als Startmerkmal kann bspw. die jeweilige Vorderkante
von an der Zeilenkamera vorbei bewegten Werkstücken definiert werden. Es kann
dann bspw. festgelegt sein, daß als
zu verarbeitendes Teilbild ein Bereich in der Mitte des Werkstücks, in
einem festgelegten Abstand (Anzahl Zeilen) von der Vorderkante herausgegriffen
wird.
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Besonders vorteilhaft ist diese relative,
dynamische Festlegung des Teilbildes für die genauere Beobachtung
der Bildstrukturen, die den erkannten Merkmalen entsprechen. Wird
als Startmerkmal bspw. eine Bohrung des Werkstücks festgelegt, so kann das
entsprechende Teilbild so gewählt
werden, daß es
den Ort des Startmerkmals, hier die interessierende Bohrung, mit
umfaßt.
Um auch den Bereich "vor" dem erkannten Merkmal mit im Teilbild
aufzunehmen, kann die Zwischenspeicherung einer Anzahl Zeilen des
Bildsignals in einem Pufferspeicher, bevorzugt einem FIFO-Puffer,
vorgesehen sein.
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Nachfolgend wird eine Ausführungsform
der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen
zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Erfassungsvorrichtung;
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2 eine
symbolische Darstellung eines von einer Zeilenkamera aufgenommenen
Werkstücks;
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3 eine
symbolische Darstellung der Signalverarbeitung in einem Erfassungssystem;
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3a eine
flächige
Anordnung von Bildzeilen aus 3;
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4 eine
schematische Darstellung von Elementen des Erfassungssystems.
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1 zeigt
in schematischer Darstellung ein Erfassungssystem 10. Auf
einem Förderband 12 werden
Werkstücke 14 in
Pfeilrichtung (X) transportiert. Über dem Förderband 12 ist eine
Zeilenkamera 16 angebracht, die den Bereich des Förderbandes 12 und
das durchlaufende Werkstück 14 zeilenweise aufnimmt.
Das Bild der Zeilenkamera 16 wird pixelweise zu einer Auswerteeinheit 18 übertragen
und dort verarbeitet.
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Im dargestellten Beispiel liefert
die Zeilenkamera 16 4.000 Bildpunkte pro Zeile, die mit
einem Pixeltakt von 50 MHz sequentiell zeilenweise ausgelesen und
durch einen A/D-Wandler
in einen 8-Bit-Digitalwert überführt werden.
Die Erfassungsvorrichtung 10 wird in dem Beispiel verwendet,
um PKW-Seitenteile, die mit einem Takt von 3 Sekunden auf dem Band 12 angeliefert
werden, zu erfassen und die Bilddaten in Echtzeit auszuwerten. Hierbei
werden die Konturen der Werkstücke
sowie einige Bohrungen jeweils als Merkmale erkannt.
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Die von der Zeilenkamera 16 aufgenommenen
Bilder des Werkstücks 14 sind
in 2 noch einmal dargestellt.
Es werden jeweils Zeilen 20 aufgenommen, die in der Bewegungsrichtung
X nebeneinander angeordnet sind. Insgesamt geben die Zeilen 20 so
ein Bild des Werkstücks 14 mit
seiner Konturlinie 22 und den Bohrungen 24, 26 wieder.
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Der Ablauf der Signalverarbeitung
ist hierbei in 3 dargestellt.
Das von der Zeilenkamera 16 gelieferte und in einem A/D-Wandler 30 digitalisierte Pixel-Signal
enthält
sukzessive die Bildpunkte aufeinanderfolgender Zeilen Z0, Z1, Z2....
In der Darstellung in 3 wird
lediglich zwischen hellen Bildpunkten (leere Quadrate) und dunklen
Bildpunkten (schraffierte Quadrate) unterschieden. Im dargestellten
Beispiel wird das Bild einer Bohrung 32 und einer schräg zur Richtung
X laufenden Linie 34 aufgenommen.
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Das entsprechende Pixel-Bild ist
in 3a dargestellt. Wie
gezeigt enthalten die Pixelzeilen Z0, Z1, Z2 das
Bild der Objekte 32, 34. Die gelieferten Pixeldaten
stellen das zu verarbeitende Bildsignal S dar. Dieses Signal wird
nun parallel einer ersten Verarbeitungseinheit 36 und über einen
Pufferspeicher 40 auch einer zweiten Verarbeitungseinheit 38 zugeführt.
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Die ersten Verarbeitungseinheit 36 verarbeitet
das Bildsignal S zeilenweise. Hierbei werden mit einfachen Bildverarbeitungsalgorithmen
Merkmale aus dem Bildsignal S extrahiert.
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Die Merkmalsextraktion umfaßt eine
Kontrasterkennung, bei der eine Differenz der Helligkeitswerte benachbarter
Bildpunkte errechnet wird. Liegt die errechnete Differenz oberhalb
einer festgelegten Schwelle, so wird davon ausgegangen, daß eine Kante
eines Bildobjektes gefunden wurde. Durch breitere Verarbeitung der
in derselben Zeile benachbarten Punkte sowie durch Verarbeitung
auch der in X-Richtung benachbarten Punkte durch Verarbeitung der
vorhergehenden und nachfolgenden Zeilen, wird die Art des erkannten
Bildobjekts (bspw. linienförmig, flächig, punktförmig) sowie
seine Größe und Lage
ermittelt. Ein so erkanntes Bildobjekt kann dann durch geometrische
Merkmale beschrieben werden. Diese Merkmale können bspw. den Objekttyp und
mehrere Maßparameter
umfassen, z. B. "Objekttyp: Linie, Startpunkt: (Zeile#Z1, Punkt#P1),
Endpunkt: (Zeile#Z2, Punkt#P2 )". Oder für eine erkannte
kreisförmige
Bohrung "Objekttyp: Kreis, Mittelpunkt: (Zeile#Z3, Punkt#P3), Radius:
10 Pixel".
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Die erste Verarbeitungseinheit 36 liefert
eine Beschreibung der erkannten Merkmale als Merkmals-Datenstrom
M. Im in 3 dargestellten
Beispiel umfaßt
der Datenstrom M die erkannten Objekte (Loch 32, Linie 34).
Gegenüber
dem verarbeiteten Datenstrom S aus "rohen" Bilddaten, umfaßt der Merkmals-Datenstrom
M nur sehr wenige Daten. Im gezeigten Beispiel werden die Bilddaten
mit 50 MB/s geliefert, während
der Datenstrom M nur wenige kB/s umfaßt.
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In der bevorzugte Ausführungsform
ist die erste Verarbeitungseinheit 36 als separate elektronische
Schaltung realisiert, die den Datenstrom S in Echtzeit
verarbeitet.
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Das Bildsignal S wird parallel auch
in der zweiten Verarbeitungseinheit 38 verarbeitet. Die zweite
Verarbeitungseinheit 38 verarbeitet das Bildsignal S ebenfalls
in Echtzeit. Hierbei erhält
sie das Bildsignal S gegenüber
der ersten Verarbeitungseinheit 36 zeitverzögert, wobei
mehrere Bildzeilen, im dargestellten Beispiel drei Bildzeilen, im
Pufferspeicher 40 zwischengespeichert werden.
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In der zweiten Verarbeitungseinheit 38 wird das
Bildsignal S selektiv verarbeitet. Aus den gesamten gelieferten
Bilddaten wird ein Teilbild 42 herausgegriffen. Die Größe und Lage
des Teilbildes ist durch dessen Zeilen/Pixel-Koordinaten festgelegt.
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In dem in 3 dargestellten vereinfachten Beispiel
umfaßt
das Teilbild 42 jeweils die Pixel 7, 8, 9 der
Zeilen Z0, Z1, Z2 (siehe 3a). Das Teilbild 42 ist ein
flächiges
Bild, das Teile von mehreren der gelieferten Bildzeilen Z0, Z1, Z2 enthält.
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Die zweite Verarbeitungseinheit 38 wählt aus dem
Bilddatenstrom S das Teilbild 42 nach vorgegebenen X- und
Y-Grenzwerten aus. Mit der X-Koordinate werden hierbei, übereinstimmend
mit der Bewegungsrichtung X, die Zeilen gezählt. Mit der Y-Koordinate werden
die Punkte innerhalb einer Zeile gezählt. Für die Auswahl des Teilbildes 42 werden
feste Grenzen vorgegeben für
Xmin, Xmax, Ymin, Ymax. Im vorliegenden Beispiel ist Xmin = 0, Xmax
= 2, Ymin = 7 und Ymax = 9. Mit Hilfe zweier Komparatoren (für X und
Y) wird während
der Lieferung des Bilddatenstroms S überprüft, ob die Zählerstände X und
Y der Bedingung genügen:
Xmin ≤ Zählerstand
X ≤ Xmax
und
Ymin ≤ Zählerstand
Y ≤ Ymax.
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Ist diese Bedingung erfüllt, werden
die aufgenommenen Bildpunkte in einen separaten Speicher für das Teilbild 42 abgelegt.
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Während
es grundsätzlich
möglich
ist, die Grenzwerte Xmax, Ymax, Xmin, Ymin von extern vorzugeben,
ist bei der gezeigten Ausführungsform
vorgesehen, daß die
Lage des Teilbildes 42 nach Erkennung eines Startmerkmals
durch die ersten Verarbeitungseinheit 36 relativ zur Position
des Startmerkmals festgelegt wird. Der entsprechende Ablauf der Verarbeitung
ist in 4 wiedergegeben.
Die von der Kamera gelieferten digitalen Daten werden einerseits in
der Verarbeitungseinheit 36 einer Zeilendaten-Verarbeitung
und Objekt-Extraktion (Merkmalserkennung) unterworfen. Während die
erkannten Objektdaten einer separaten Objekt-Verarbeitung unterzogen
werden können,
wird für
den Fall der Erkennung eines vordefinierten Startobjektes ein objektabhängiger Trigger
ausgelöst,
der für
die zweite Verarbeitungseinheit 38 die X- und Y-Grenzwerte
festlegt.
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Im Beispiel von 3 ist als Startmerkmal das Loch 32 definiert. Sobald das entsprechende
Objekt von der ersten Verarbeitungseinheit 36 erkannt wird,
werden die X- und Y-Grenzwerte für
die zweite Verarbeitungseinheit 38 festgelegt. Im vorliegenden Beispiel
liegt der Mittelpunkt des Loches bei X = 1, Y = 8. Der Radius beträgt 1 Pixel.
Daher wird der rechteckige Bereich Xmin = 0, Xmax = 2, Ymin = 7,
Ymax = 9 als Teilbild ausgewählt,
der das dem erkannten Merkmal (Loch 32) zugeordnete Bild
enthält.
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Allerdings ist die Erkennung des
Merkmals 32 erst am Ende der Zeile Z2 möglich, da erst dann das vollständige Bild
vorliegt. In einer tatsächlichen Anwendung
wäre es
voraussichtlich sogar vorgesehen, noch die nachfolgende Zeile zu
betrachten, um sicherzustellen, daß das entsprechende Bild des Merkmals 32 tatsächlich abgeschlossen
ist (helle Bildpunkte 7, 8, 9). Darüber hinaus
ist auch für
die schnelle Echtzeit-Merkmalserkennung in der ersten Verarbeitungseinheit
(36) eine Verarbeitungszeit von bspw. 50 ns erforderlich.
Entsprechend liegend die Initialisierungs-Werte (X/Y-Grenzwerte)
für die
zweite Verarbeitungseinheit 38 erst zu einem Zeitpunkt
vor, zu dem der dem gesuchten Teilbild 42 entsprechende Bilddatenstrom
S bereits verarbeitet ist. Aus diesem Grund ist der Pufferspeicher 40 vorgesehen,
in dem die Pixeldaten mehrere Zeilen zwischengespeichert sind. Enthält der Pufferspeicher 40 im
Beispiel von 3 mindestens
drei Zeilen, so kann die zweite Verarbeitungseinheit 38 rechtzeitig
initialisiert werden, um das Teilbild 42 aus dem Bilddatenstrom
S zu extrahieren.
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Im vorliegenden Beispiel wird das
Teilbild 42 durch die zweite Verarbeitungseinheit 38 lediglich
in einen zweiseitig schreib- und lesbaren Speicher (Dual Ported
Memory) abgespeichert. Die Auswertung der Daten kann bei einem solchen
Speicher zeitgleich zum Einlesen erfolgen. Die Verarbeitung kann bspw,
umfassen, daß die
Bilddaten des Bildes 42 auf einem Bildschirm angezeigt werden, damit
ein menschlicher Benutzer das Bild überprüfen kann. So kann bspw. für die Bohrung 32 festgestellt werden, ob die Bohrungskanten
sauber oder möglicherweise ausgefranst
sind.
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Alternativ kann das Teilbild 42 auch
mit Bildverarbeitungsalgorithmen weiterverarbeitet werden. Aufgrund
des erheblich reduzierten Datenstroms ist es auch unter Echtzeitbedingungen
möglich,
komplexe Algorithmen auf das Teilbild 42 anzuwenden und hierbei
die von der Zeilenkamera gelieferten 8-Bit-Daten in voller Bit-Auflösung zu
verarbeiten.
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Zurück in 2 soll nun die Anwendung der Bildverarbeitung
mit der der ersten und zweiten Verarbeitungseinheit 36, 38 auf
die Werkstückkontrolle dargestellt
werden. Das in 2 dargestellte
Werkstück 14 wird
zeilenweise aufgenommen. Während
in der ersten Verarbeitungseinheit 36 seine Merkmale – Konturlinie 22 und
Bohrungen 24, 26 – erkannt werden, wird durch
die Erkennung des als Startmerkmal festgelegten Lochs 24 ein
Teilbild 28a festgelegt. Das Teilbild 28a umfaßt ein Gebiet von 640 x 480
Bildpunkten (VGA-Standard), die aus den 4.000 Pixeln jeder Zeile
ausgewählt
werden. Als Startpunkt in X- und Y-Richtung wird das erkannte Merkmal 24 verwendet.
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Zusätzlich sind feste Werte Xmin,
Xmax, Ymin, Ymax angegeben, die ein zweites Teilbild 28b, in
diesem Fall unabhängig
von einem bestimmten Startmerkmal festlegen.