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Verfahren und Anordnung zur elektronischen Bildanalyse
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Die vorliegende Erfindung betrifft elektronische Bildanalysevorrichtungen
und insbesondere eine elektronische Anordnung zur Analyse der Bilder von transparenten
Gegenständen, wie beispielsweise BehäLtern, wie sie in der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie
verwendet werden.
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Bei für den menschlichen Verbrauch gedachten Nahrungsmitteln und Getränken
ist es besonders wichtig, dass die hierfür eingesetzten handelsüblichen Behälter
frei von Fremdstofren sind, die den Behälterinhalt verderben oder den Menschen schaden
können.
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Die wachsende Notwendigkeit, enorme Mengen solcher Behälter zu bearbeiten,
um dem tom Handel erhobenen Bedarf zu genügen, erfordert sehr schnelle Inspektionseinrichtungen,
die in der Lage sind, die Behälter schnell und sehr genau auf Fremdkörper zu prüfen.
Die Geschwindigkeit, mit der die Behälter die Prüfanlagen durchlaufen, sind in der
Zwischenzeit grösser geworden, als sie von derzeit verfügbaren Analyseeinrichtungen
aufgenommen werden können.
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Elektronische Prüfeinrichtungen aus dem Stand der Technik sind bisher
im Einsatz durch ihre Unfähigkeit beschränkt gewesen, Schatten die durch die Behälterkonstruktion
und die Konstruktion der Lichtquelle bedingt sind, von Fremdkörpern zu unterscheiden.
Diese Einrichtungen erkennen nur Fehlstellen und Fremdkörper, die einen erheblich
stärkeren Kontrast als die Eigenschaften erzeugen. Damit ist die Fähigkeit solcher
Einrichtungen,
kleine oder kontrastarme Fehlstellen und Fremdkörper
zu erkennen, auch dann eingeschränkt, wenn man einediffuse Lichtquelle verwendet,
um die Schatten so weich zu halten wie möglich. Das hier offenbarte elektronische
Suchfenster macht es möglich, die klaren Teile des Behälters mit höherer Empfindlichkeit
unabhängig von der Art der Störschatten zu untersuchen, die in anderen Bildteilen
vorliegend können.
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Es ist daher ein wesentliches Ziel der vorliegenden Erfindung, eine
sehr schnelle und genaue elektronische Einrichtung für die Analyse von transparenten
Gegenständen, wie beispielsweise Behältern, anzugeben, während diese Gegenstände
mit hoher Geschwindigkeit eine Prfstation durchlaufen.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur elektronischen
Analyse des Abbildes eines beleuchteten Gegenstands auf signifikante Änderungen
des Lichtniveaus um einen vorbestimmten Wert, indem man den Gegenstand von einer
Seite her beleuchtet, eine optische Einrichtung auf die entgegengesetzte Seite des
beleuchteten Gegenstandes ausrichtet, und das Abbild des beleuchteten Gegenstandes
auf eine Bilderfassungseinrichtung projiziert, um Signale zu erzeugen, die dem Lichtniveau
des erfassten Bildes des beleuchteten Gegenstandes entsprechen. Hierbei legt man
die dem erfassten Bild des beleuchteten Gegenstandes entsprechenden Signale an ein
Signalverarbeitungsnetzwerk, speist Synchronisierungsinformation aus der Erfassungseinrichtung
in ein digitales elektronisches Netzwerk, um ein elektronisches Suchfenster
herzustellen,
bei dem es sich um die von einem Bezugsgegenstand unabhängig abgeleitete digitale
Darstellung eines vorbestimmten Teils des zu analysierenden beleuchteten Gegenstandes
handelt, setzt elektronisch die beiden Netzwerke in Beziehung, um die von einem
Bezugsgegenstand unabhängig abgeleitete digitale Darstellung des vorbestimmten Teils
des beleuchteten Gegenstands den dem erfassten Bild entsprechenden Signalen zu überlagern,
und vergleicht nur diejenigen Signale, die in dem elektronischen Suchfenster erscheinen
und von den Lichtniveauwerten des erfassten Bildes erzeugt werden, mit einem Bezugswert
Die vorliegende Erfindung schafft weiterhin eine elektronische Bildanalyseeinrichtung
mit einer Beleuchtungsquelle, einer Einrichtung, die Gegenstände einzeln an der
Beleuchtungsquelle vorbeführt, einer Einrichtung, die ein beleuchtetes Abbild derselben
erzeugt, einer lichtempfindlichen Einrichtung, die so angeordnet ist, dass sie ein
beleuchtetes Abbild jedes Gegenstandes aufnehmen kann, und mit einem Netzwerk aus
Schaltungen, die die dem beleuchteten Bild entsprechenden Signale verarbeiten können
und an die lichtempfindliche Einrichtung angeschlossen sind. Diese Anordnung ist
gekennzeichnet durch einen Suchfenstergenerator, der die unabhängig abgeleitete
Kontur eines Normalgegenstandes gespeichert enthält und ein elektronisches, an die
Verarbeitungsschaltung angeschlossenes Netzwerk aufweist, und durch eine Einrichtung
in der Signalverarbeitungsschaltung,
die das Suchfenster aus der
Generatoreinrichtung den Bildsignalen von jedem der beleuchteten Gegenstände überlagert,
um die Bildsignale auf signifikante Änderungen des Lichtniveaus innerhalb des Suchfensters
zu analysieren.
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Die vorliegende Erfindung soll nun anhand bevorzugter Ausführungsformen
unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich erläutert werden.
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Fig. 1 ist eine schematisierte Draufsicht wesentlicher Teile der Anordnung
nach der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 ist eine schematisierte Seitenansicht der
verschiedenen in der Fig. 1 dargestellten BiRPichtungen; Fig. 2A ist eine Darstelllmg
einer Platte vor der Lichtquelle, die eine oeffnung enthält, die einem Behälter
entspricht, wie auf der Linie 2A-§A in Fig. 2 gezeigt; Fig. 3 ist das elektrische
Blockschaltbild des Systems und zeigt eine typische Darstellung eines elektronischen
Suchfensters und einer Partialmaske im Abbild eines von der Kamera betrachteten
Behälters; Fig. 4 ist ein elektrisches Blockschaltbild des zur Erzeugung des elektronischen
Suchfensters verwendeten Speichernetzwerks; Fig. 5 stellt ein Verfahren zur Darstellung
der Behälterkontur in der XY-Ebene dar; Fig. 6 zeigt ein weiteres Verfahren zur
Darstellung der Behälterkontur
in mathematischer Form dar; Fig.
7 ist ein Blockschaltbild eines typischen Netzwerks zur Rückgewinnung der gespeicherten
Information über das elektronische Suchfenster; Fig. 8 ist ein abgeändertes elektronisches
Blockschaltbild des Speichernetzwerks, in dem eine Vielzahl unterschiedlich programmierter
Speicherchips wahlweise eingesetzt werden kann; Fig. 9 ist eine modifiziertes Blockschaltbild
und zeigt, wie zwei lineare Festkörperabtaster zur Bildanalyse verwendet werden
können; Fig. 9A zeigt das auf die Linearabtaster projizierte Behälterbild und das
Suchgebiet auf dem Behälter, während dieser am Vertikalabtaster vorbeiläuft; und
Fig. 10 zeigt ein typisches Blockschaltbild mit einer Festkörper-Flächenanordnung
zur Bilderfassung und -analyse.
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Die folgende Beschreibung befasst sich mit transparenten Behältern.
Es ist jedoch einzusehen, dass die zu analysierenden Behälter nicht unbedingt Behälter
zu sein brauchen. Die Lichtniveauanalyse lässt sich auch an Gegenständen durchführen,
die nicht transparent sind, sondern lediglich eine Silhouette erzeugen, die sich
mit einer gewünschten Bezugskontur vergleichen lässt.
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Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, führt der Förderer 10 die
Behälter
11 nacheinander durch die Prüfstation 12. Der in der Station 12 befindliche Behälter
erhält aus dem Lichtkasten 13 diffuses Licht. Der auf der Säule 14 gelagerte Lichtkasten
13 enthält eine Lichtquelle 15, einen Reflektor 16, ein Diffusionsfenster 17, eine
Blendplatte 17a (Fig. 2A) sowie die erforderlichen Lagerungsmechaniken. Die Lichtquelle
15 ist eine langgestreckte Blitzröhre, die in der Brennlinie eines parabolisch-zylindrischen
Reflektors 16 liegt. Eine Hochspannungsversorgung 13A (Fig. 2) ist an die Röhre
15 angeschlossen und erregt diese zu einem sehr kurzen Lichtblitz, wenn die Einrichtungen
18, 19 in der Prüfstation 12 einen Behälter erfassen.
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Die Ankunft eines Behälters in der Station 12 unterbricht einen Lichtstrahl,
der aus der Einrichtung 18 austritt und normalerweise von einem Sensor 19 aufgenommen
wird. Auf diene Weise entsteht ein Impuls, der die Lichtquelle 15 einschaltet, die
den Behälter beleuchtet. Gleichzeitig triggert der Impuls aus dem Sensor 19 auch
die Prüfschaltungen innerhalb des Kastens 20.
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Die in dieser Offenbarung gezeigte Anordnung ist auf Kompatibilität
mit Hochgeschwindigkeitsförderern ausgelegt, die Behälter in einem kontinuierlichen
Strom führen.
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Der kurze Lichtblitz aus der Röhre 15 (kürzer als 0,5 ms) beleuchtet
den Behälter in der Station 12. Eine Fernsehkamera 24 wird verwendet, um das Bild
des Behälters in der Station 12 durch ein geeignetes Linsensystem 23 an der Kamera
24 auf zunehmen. Da zur vollständigen Abtastung des Bildes in einem FS-Halbbild
etwa 16,6 ms nötig sind, bewegt sich ein Behälter
mit einem Durchmesser
von 63,5 mm (2,5 in.), der die Station mit einer Laufgeschwindigkeit von 800/min.
durchläuft, in der zum Abtasten erforderlichen Zeitspanne etwa 14 mm (0,55 in.)
weiter. Bei stetiger Beleuchtung ergibt dies ein verwaschenes und verzerrtes Bild,
das nicht für die Prüfung verarbeitet werden kann. Daher wird eine Impulslichtquelle
eingesetzt, die ein scharfes Abbild des Behälters auf den Bildschirm wirft, das
von der Behälterbewegung nicht beeinträchtigt wird. Auf diese Weise lässt sich die
Prüfung der Behälter auch bei hohen Durchlaufgeschtindigkeiten durchführen. Die
auf dem Rahmen 22 befestigte optische Filteranordnung 21 sitzt vor der Optik 23;
kompensiert Farbschwankungen der Behälter untereinander und dämpft Umlichtreflektionen.
Die Kamera 24 befindet sich in einem geeigneten Abstand vom Behälter, so dass die
Optik ein geeignetes Bild des Behälters auf die photoempfindliche Oberfläche des
Fühlelements (nicht gezeigt) in der Kamera werfen kann. Es sind Vorkehrungen getroffen,
um die Kamera 24 auf der Säule 25 (Fig. 2) auf- und abzuverschieben, so dass man
die optische Achse der Kamera 24 genau auf einen gewünschten Punkt des Behälters
ausrichten kann.
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Die Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild des gesamten Systems. Das dem
Bild des Behälters entsprechende Videosignal wird von der Kamera 24 geliefert. Das
Signal aus der Kamera geht auf einen Videoverstärker 27, der das Signal verstärkt
und zur weiteren Verarbeitung aufbereitet. Die aus der Kamera kommenden Signale
enthalten
nicht nur dem Behälterbild entsprechende Signalanteile, sondern auch Störanteile,
die von Elementen in der Nähe des Behälterbildes hervorgerufen werden - beispielsweise
Kanten des Lichtkastens und des Förderers, benachbarte Behälter und dergl.
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Alle diese Analogsignale gehen auf das Netzwerk 28, das aus einer
Kombination von Komparatorschaltungen besteht, die Hellauf-Dunkel-, Dunkel-auf-Hell-
sowie absolute Änderungen des Lichtniveaus im Bildfeld der Kamera erfassen. Die
Empfindlichkeitseinsteller 28A, 28B und 2& sind im Netzwerk 28 vorgesehen, um
Schwellwerte für die oben genannten Komparatoren vorzugeben, so dass Signalpegel,
die von Gegenständen innerhalb des Bildfelds erzeugt werden, sich mit einstellbaren
Bezugswerten vergleichen lassen, die man mit diesen Empfindlichkeitseinstellern
vorgibt.
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Eine einwandfreie Prüfung der Behälter erfordert, dass die automatische
Prüfmaschine vom Behälter in der Station 12 hervorgerufene Signale von unerwünschten
Signalen unterscheiden kann, die von den Behälterkanten und anderen Gegenständen
in der Nähe des Behälters stammen, wie bereits erwähnt. Um dies zu erreichen, wird
ein weiteres Ausgangssignal des Verstärkers 27, das die Bild- und Zeilensynchronimpulszüge
aus der Kamera enthält, auf den elektronischen Suchfenstergenerator 29 gegeben.
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Diese Schaltung enthält ein elektronisches Speicherchip sowie die
zugehörige digitalen Schaltungen, die ein elektronisches Suchfenster (ESF) erzeugen,
durch das hindurch die Signale aus
dem Komparatornetzwerk 28 genauer
analysiert werden können.
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Dieses Netzwerk besteht aus einer geeigneten Anordnung eines elektronischen
Speicherchips, in dem unabhängig abgeleitete, körperliche Eigenschaften (Kontur,
Grösse usw.) des Behälters beschreibende Informationen gespeichert sind, und anderer
elektronischer Schaltungen, infolge derer die gespeicherte Information durch Einführen
der Synchronimpulszüge aus dem Verstärker 27 in den Fenstergenerator 29 ausgelesen
bzw. abgerufen werden können.
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Um die Beziehung zwischen dem Kamerabild und dem Suchfenster darzustellen,
lassen diese Signale sich auf einem Videomonitor darstellen. Dies ist in der Fig.
3 gezeigt, in der ein Monitor 26 die Behältersignale aus der Kamera 24 zusammen
mit einem geeigneten Teil des Suchfensters in analoger Form aus dem Suchfenstergenerator
29 aufnimmt. Diese Anordnung bewirkt, dass eine sichtbare Darstellung des elektronischen
Suchfensters auf dem Monitor in der richtigen Zuordnung zum Bild des Gegenstandes
erscheint. Diese Darstellung ist eine Hilfe zum Einstellen des Suchfensters auf
die aus der Kamera 24 kommenden Bildsignale.
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Es sind die erforderlichen Einstellelemente vorgesehen, um die Grösse
und Lage des elektronischen Suchfensters waagerecht und senkrecht einzustellen,
so dass das Fenster genau dem von der FS-Kamera erfassten Behälterbild überlagert
werden kann, wie es
der Monitor 26 zeigt; die Bedienungsperson
kann also die Funktion der Anordnung überwachen. Durch dieses elektronische Suchfenster
hindurch wird das Behälterbild auf Pehlstellen und andere Fremdkörper untersucht,
die der Behälter mit sich führen kann. Das Ausgangssignal des Netzwerks 29 speist
die Steuerlogik 30. Ein Teil des Ausgangssignals der Steuerlogik 30 wird auf die
Kamera 24 rückgekoppelt und tastet diese während der Impulsbeleuchtung des Behälters
dunkel. Infolge der asynchronen Zuordnung zwischen dem die Oberfläche des lichtempfindlichen
Elements in der Kamera abtastenden Elektronenstrahl und dem den Gegenstand erfassenden
Impuls aus dem Lagesensor 19 würde, wenn der Elektronenstrahl das Bild sofort, wenn
es auf die Kamera fällt, abtastet, eine ungleichmässige Bildablesung bei sich über
zwei Halbbilder erstreckender Ablesung resultieren. Um dies zu verhindern, wird
der von der Steuerlogik 30 auf die Kamera 24 gegebene Austastimpuls vom Gegenstanderfassungsimpuls
ausgelöst und tastet den Elektronenstrahl in der Kamera so aus, dass auf die Kamera
ein gleichmässiges Bild fällt. Der nächste auf den Gegenstanderfassungsimpuls folgende
Bildsynchronimpuls tastet den Elektronenstrahl wieder auf, so dass der Strahl ein
vollständiges Bild ablesen kann, und zwar vom Bildanfang an, nicht aber jeweils
nur Teile von unterschiedlichen Halbbildern, die eine ungleichmässige Bildablesung
und die aus dieser folgende unzuverlässige Behälterprüfung ergeben. Die Steuerlogik
30 gibt nur dann ein Auswerfsignal ab, wenn innerhalb des elektronischen
Fensters
eine Fehlstelle erscheint. Das Auswerfsignal aus der Steuerlogik 30 speist ein Verzögerungsnetzwerk
31, das unter der Wirkung der Zeitsteuerimpulse aus dem Stellungssensor 19 ti den
Auswerfvorgang verzögert, bis der fehlerhafte Behälter eine geeignete Auswerfstation
erreicht hat. Die Verzögerungsschaltung 31 besteht aus elektronischen Schaltungen,
die zu einer Kette von Schieberegistern angeordnet sind, um der Bewegung des Behälters
auf dem Förderer zu folgen, bis er die Auswerfstation erreicht hat. Dort wird der
fehlerhafte Behälter mittels einer elektromagnetisch betätigten Mechanik 32, die
der verzögerte Auswerf impuls aus dem Netzwerk 31 ansteuert, aus dem Behälterstrom
entfernt.
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Die Fig. 4 stellt ein allgemeines Blockschaltbild der in dem elektronischen
Suohfenstergenerator 29 verwendeten Schaltungen und ihrer Zuordnung zum Speicherchip
44 dar. Der Prozess der Speicherung der Informationen über die Kontur des Behälters
im Speicherchip 44 ist wie folgt. Setzt man ein normales FS-Kamerasystem als photoelektronische
Einrichtung voraus, ergibt das 525-zeilige Fernsehvollbild 262,5 Zeilen pro Halbbild,
die in dieser Offenbarung zur Behälterprüfung ausgenutzt werden. Die Verfügbarkeit
von Synchronimpulsen und einer geeigneten Zeilenzahl pro Halbbild erlaubt es, ein
System digitaler elektronischer Schaltungen erfolgreich zur Erzeugung eines genauen
elektronischen Suohfensters (ESF) zu verwenden, das mit der Behälterkontur kompatibel
ist. Mit der Beziehung 28 = 256 lässt sich
ein System achtstelliger
Binärzahlen verwenden, um die Kontur des Behälters zu digitalisieren und in einem
Speicherchip zu speichern. Hierzu reicht ein Speicherchip mit einer Speicherkapazität
von 256 Speicherworten von je 8 Bits, d.h. insgesamt 2048 Bits. Es liegen verschiedene
Arten von Speicherchips vor, die diese Bedingung erfüllen. In der hier offenbarten
Anordnung wird der prograiPmierbare Lesespeicher (PROM) 1702 der Fa. Intel Corporation
verwendet.
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Um die analoge Konturinformation in den Speicher einzulesen und auf
diese Weise eine elektronisch simulierte Kontur zu erzeugen, muss die Information
in einer geeigneten MaSchinensprache geschrieben werden. Eine separate graphische
Ableitung ist ein gutes Beispiel. Um dies zu erreichen, wählt man eine Schablone
entsprechend einem beispielhaften Behälter (Fig. 5) und trägt dessen Kontur in geeignetem
Maßstab auf Diagrammpapier in karthesischen Koordinaten derart auf, dass die maximale
Abmessung der Kontur eine sinnvolle Anzahl von gleichen Abschnitten auf dem Diagrammpapier
ausfüllt, die von 0 bis 255 numeriert sind. Dieser Numerierungsbereich von 0 bis
255 auf der Y-Achse entspricht den 256 Halbbildzeilen des Fernsehbildes und auch
den für die Programmierung des Speichers erforderlichen 256 Speicherworten. Die
Fig. 5 zeigt eine typische Anordnung der Konturkoordinaten. Die Zahlen entlang der
Y-Achse zeigen die tatsächliche Anzahl der FS-Abtastzeilen, während die
entlang
der X-Achse erforderlich sind, um jeden einzelnen Punkt auf der Kontur zu definieren;
diese werden gewählt, um die Speicherchips zu programmieren. Für den in der vertikalen
Lage in Fig. 5 gezeigten typischen Behälter ist es lediglich nötig, eine X-Datenzahl
für jede entsprechende Y-Adresszahl in der linken Hälfte des Behälters symmetrisch
zur Haupt- oder Längsachse AA der Behälterkontur anzugeben. Es sind die erforderlichen
Schaltungen vorgesehen, die die rechte Hälfte der Kontur ergänzen und so die endgültige
Kontur des Behälters insgesamt darstellen.
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Wie nun in Fig. 5 ersichtlich, muss für jede Y-Adresszahl die entsprechende
X-Datenzahl angegeben werden. Wie weiterhin ersichtlich, erzeugen einige Teile der
Kontur für eine ganze Y-Zahl keine ganze X-Zahl. Für diese Punkte auf der Konturkurve
wählt man die nächstliegende ganze X-Zahl, so dass die Gesamtheit der so gewählten
Punkte der Kurve die tatsächliche Kontur so genau wie möglich simuliert. Nachdem
man alle erforderlichen X-Zahlen für die entsprechenden Y-Zahlen festgestellt hat,
tabuliert man diese nacheinander von der Adresszahl O zur Adresszahl 255. Wie oben
erwähnt, muss man, um diese Informationen in das Speicherchip 44 einlesen zu können,
sie in eine Maschinensprache übersetzen. Folglich übersetzt man nun alle Dezimalzahlen
in die binäre Oktalform. Es lassen sich verschiedene Programmiermaschinen verwenden,
um diese Informationen in den Speicherchip 44 einzuschreiben. Es gibt auch Handprogrammiervorrichtungen,
die die digitale Information direkt akzeptieren. Desgleichen kann
man
die XY-Informationen für jeden Punkt in eine IBM-Karte (nicht gezeigt) lochen, die
dann die Information für diesen einen Punkt trägt. Hierzu muss man also, um sämtliche
XY-Informationen zu erfassen, 256 Karten lochen. In dieser Anordnung liegt die Y-Adresszahl
üblicherweise in Oktalform und die X-Datenzahl binär in 8-Bit-Form vor'. Nachdem
man die Lochkarkarten in der richtigen Reihenfolge gestapelt hat, werden sie bei
eingesetzten Speicherchip 44 in einen geeignete automatische Programmiervorrichtung
eingespeist, die den Chip schliesslich programmiert. Der auf diese Weise programmierte
Chip enthält dann die simulierte Konturinformation, die sich abrufen und der Behälterbildinformation
überlagern lässt, wie auf dem Videomonitor 26 in Fig. 3 ersichtlich.
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Andererseits zeigt die Fig. 6 eine waagerecht gezeichnete Behälterkontur.
Für diese Konfiguration liegt keine Symmetrieachse entlang der Y-Achse vor und die
gesamte Kontur muss also in digitale Form übersetzt werden; hier ist dann keine
Komplementierschaltung erforderlich.
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Die Fig. 4 und 7 zeigen Blockschaltbilder der typischen Schaltungen,
die den elektronischen Suchfenstergenerator 29 in Fig.3 darstellen. Die Bild- und
Zeilensynohronimpulse aus dem Videostärker 27 werden auf die Impulsabtrennschaltung
33 gegeben, die die Bild- von den Zeilensynchronimpulsen trennt und Verzögerungsschaltungen
enthält,
um den Beginn des elektronischen Suchfensters in waagerechten und senkrechten Koordinaten
festzulegen, der sich mittels der Einstellpotentiometer 34 bzw.
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35 einstellen lässt. Die Schaltung 33 (Fig. 7) besteht aus monostabilen
Kippstufen gemeinsam mit den zugehörigen Zeitsteuerbauteilen und geeigneten Invertern
und Verknüpfungsgliedern.
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Die Waagerechtlageimpulse speisen einen Taktgenerator 36 aus einer
monostabilen Kippstufe mit Zeitsteuerbauteilen und Invertern, die freilaufend geeignete
Taktimpulszüge für die Waagerechtkoordinatenzähler erzeugen. Das Potentiometer 37
bestimmt die Frequenz der Taktimpulse zwischen etwa 2 MHz und 10 MHz und erlaubt
es, gegebenenfalls die waagerechte Abmessung des Suchfensters einzustellen. Die
Waagerechtlageimpulse aus der Schaltung 33 werden benutzt, um in dem Intervall zwischen
dem Beginn jedes Zeilensynchronimpulses und dem Beginn des elektronischen Suchfensters
die Erzeugung der Taktimpulse zu sperren. Die so erzeugten Taktimpulse speisen den
Waagerecht zähler 38, der aus zwei sehr schnellen 4-Bit-Synchronzählern besteht,
die zu einem 8-Bit-Zähler hintereinandergeschaltet sind, der die Waagerechtkoordinatenzählung
von 0 bis 255 durchführt. Die Ausgangssignale der Schaltung 38 gehen auf die Schaltung
39 aus Exclusiv-ODER-aliedern, die das Komplement der Eingangs impulse erzeugen,
so dass auch die rechte Hälfte des elektronischen Sucbfensters symmetrlsch zur linken
Hälfte erzeugt wird. Die Ausgangs impulse des Netzwerks 38 enthalten die digitalisierte
Waagerechtlnrormatlon, die zum Vergleich mit der im Speicher 44
enthaltenen
Information genutzt wird. Um die Senkrechtzähl-Waagerechtlage- und Senkrechtlageimpulse
auf der Schaltung 33 aufzubereiten, werden sie auf ein 8-Bit-Schieberegister 40
gegeben, das aus zwei 4-Bit-Registerchips mit Paralleleingang besteht. Diese Schaltung
speichert die erforderliche Vertikalkoordinatenzahl und bestimmt gemeinsam mit dem
binären 8-Bit-Volladdierer 41 und den Steuerschaltern 42 die vertikale Grösse des
elektronischen Suchfensters. Das Ubertragssignal aus dem Addierer 41 speist den
8-Bit-Zähler 43, dessen Ausgangssignal gemeinsam mit Teilen des Ausgangssignals
des Schieberegisters 40 den Speicherchip 44 ansteuert, der die den Senkrechtkoordinaten
entsprechenden Waagerechtkoordinaten des Fensters enthält, wobei der Chip so programmiert
worden ist, wie bereits beschrieben wurde. Die Ausgangssignale des Speicherchips
44 und der Komplementschaltung 39 gehen in die 8-Bit-Komparaturschaltung 45, die
aus zwei 4-Bit-Grössenkomparatoren besteht und die von der Schaltung 39 erzeugte
momentane Waagerechtkoordinatenzählzahl mit der im Speicherchip 44 gespeicherten,
der momentanen Senkrechtzählzahl entsprechenden Information vergleicht. Das Ausgangssignal
der Komparatorschaltung 45 ist das elektronische Suohfenster (ESF), das die gewünschten
Eigenschaften des Behälters angibt.
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Wird die in Fig. 6 gezeigte Kontur zur Programmierung des Speicherohips
44 verwendet, liegt in der Y-Richtung keine Bildsymmetrie vor und ist das Komplementnetzwerk
39 also nicht erforderlich. Die Ausgangssignale des Zählers 38 gehen dann
unmittelbar
auf den Komparator 45 und werden dort mit der Information aus dem Speicherchtp 44
verknüpft. Das Ditigalausgangssignal aus dem Netzwerk 45 geht dann (vergl. Fig.
7) an eine Partialmaskenschaltung 46, die aus geeigneten Schaltungen besteht, um
Partialmasken in Rechteckform oder gespeicherte Masken unterschiedlicher Gestalt
zu erzeugen, die verarbeitet werden, wie oben für den Speicherchip 44 beschrieben,
und grössen-und lagemässig dem auf dem Videomonitor 26 in Fig. 3 gezeigten elektronischen
Suchfenster überlagert werden können.
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Dies ist besonders dort von Interesse, wo die Behälter unerwünschte
Anomalitäten wie Etiketten und/oder Beschriftungen aufweisen, die eine Behältergesamtprüfung
unmöglich machen würden. Unter diesen Umständen können wahlweise Partialmasken innerhalb
des Suchfensters verwendet werden, um Etikettflächen auszuschliessen und die anderen
Behälterteile auf Fremdkörper zu untersuchen. Diese Kombination eines elektronischen
Suchfensters und der Partialmasken in der Schaltung 46 geht dann nach Aufbereitung
auf die Steuerlogik 30. Der Videomonitor 26 in der Fig. 3 zeigt den Zusammenhang
zwischen dem (durchgezogenen) tatsächlichen Behälterbild, wie es die Kamera sieht,
und dem (gestrichelten) elektronischen Suchfenster, das erzeugt wird durch Programmierung
der gewünschten Behältereigenschaften und Speichern derselben in einem geeigneten
Speicherchip, sowie einer Partialmaske innerhalb des Fensters.
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Die Fig. 8 zeigt ein abgeändertes Schaltbild, das die Vielseitigkeit
der
vorliegenden Erfindung zeigen soll. Die verschiedenen Bestandteile in dieser Schaltung
sind bereits beschrieben worden und haben die entsprechenden Bezugszahlen. In dieser
Schaltung werden mehrere Speicherchips 44, 44a und 44b wahlweise in die Betriebsschaltung
mittels eines Wahlschalters 48 eingeschaltet, so dass die Schaltung zur Prüfung
unterschiedlich gestalteter Behälter eingesetzt werden kann. Beispielsweise kann
der Speicherchip 44A für einen 1/2-Literbehälter und der Speicherchip 44B für einen
l-Literbehälter programmiert sein, wobei angenommen ist, dass der Chip 44 für einen
O,)-LiterbehSlter programmiert ist. Infolge dieser Vielseitigkeit kann die vorliegende
Erfindung zur Untersuchung einer Vielzahl von Gegenständen eingesetzt werden, und
indem man eine Vielzahl von Speicherchips gemeinsam mit einem Wahlschalter vorsieht,
ist es möglich, Gegenstände mit einem Minimum an Einrichtzeit und mit erheblichem
Komfort für die Bedienungsperson durchzuführen.
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Die oben erwähnten Schaltungen, wie sie das Blockschaltbild darstellt,
können handelsüblich schnelle integrierte Schaltkreise sein. In der vorliegenden
Offenbarung sind TTL-Chips aus der Standard 74er-Reihe verwendet. Eine typische
Verschaltung zeigt die Pig. 7.
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Anstelle einer herkömmlichen Fernsehkamera mit einer Vidiconröhre
als photoelektronischer Abtasteinrichtung kann man auch
ein System
gradlinig angeordneter Gruppen von Photodioden ver-Wenden. Es sind im Handel unterschiedliche
Arten von Festkörper-Photodiodenanordnungen erhältlich, mit denen eine elektronische
Bilderfassung und Bildanalyse durchgeführt werden können.
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Ein typischer, von der Fa. Reticon Corp. hergestellter Abtaster kann
beispielsweise mit einer Reihe von 256 Photodiodenelementen zusammen mit den erforderlichen
integrierten Schaltungen, die die Schalt- und Schiebregisterkreise enthalten, zu
einer geschlossenen Einheit verpackt gewählt werden. Diese Art eines Abtasters wäre
mit den in einer herkömmlichen FS-Kamera vorliegenden 262,5 Zeilen vergleichbar.
Zwei solche Linearanordnungen lassen sich zur Abtastung des Behälterbildes verwenden,
wobei die Fig. 9 ein typisches Blockdiagramm der beiden Photodiodengruppen 50, 51
und der erforderlichen Schaltungen zeigt, die die Behälterbilder zu verar beiten,
die durch Beleuchten der Gegenstände in der Prüfstation entstehen. Es sollte hier
erwähnt werden, dass in dieser Anwendung die bevorzugte Lichtquelle stetig strahl
nicht pulst wie für die Fernsehkamera. Die Fig. 9A zeigt die räumliche Zuordnung
des (durchgezogenen) Behälterbildes und der Photodiodengruppe 50A in einer Schaltung
50, die körperlich so angeordnet ist, dass man mit einem optischen System der oben
erwähnten Art das Behälterbild auf die Dioden 50A fokussieren kann. Vorkehrungen
können getroffen werden, um die Gruppe entlang der Längsachse des Behälters auszurichten.
Während der Behälter durch die Prüfstation läuft, läuft sein Bild an der Photodiodenspalte
50A im
Linearabtaster 50 vorbei. Ein zweiter Linearabtaster 51
ist so angeordnet, dass er kollimierte Strahlen aus einer definierten Quelle mit
der in Fig. 9A gezeigten Diodenleiste 51A aufnimmt. Diese Leiste 51A wird verwendet,
um die augenblickliche Behälterlage während des Durchlaufs durch die Prüfstation
festzustellen. Unter normalen Bedingungen wird diese Leiste 51A von den kollimierten
Strahlen beleuchtet. Wenn der Behälterhals die Lichtstrahlen unterbricht, schattet
er verschiedene der Photodioden in der Gruppe 51A ab, so dass die von den abgeschatteten
Dioden erzeugten Signale verwendet werden können, um der vertikalen Gruppe 50A zu
befehlen, den in dieser Behälterlage befindlichen Behälter vertikal abzutasten.
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Während der Behälter die Station weiter durchläuft, schattet er andere
Dioden in der Gruppe 5OA ab, die damit der Gruppe 50A neue Befehle erteilen, die
Länge des Behälters an einem neuen Ort abzutasten, und dieser Vorgang setzt sich
über die gesamte Breite des Behälters fort.
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Die in dem gestrichelten Kästchen 55 der Fig. 9 gezeigten Elemente
52, 50, 5), 51 und 54 ersetzen die FS-Kamera 24 (Fig. 3) in der Behälterprüfung.
Der Lagesensor 19 erfasst die Ankunft des Behälters in der Prüfstation. Impulse
aus dem Sensor 19 steuern den Taktimpulsgenerator 52 für die vertikale und den Taktimpulsgenerator
53 für die horizontale Abtastung. Das Ausgangssignal der Schaltung 52 speist die
vertikale Gruppe 50 und lässt sie den Behälter in Längsrichtung abtasten. Das
Ausgangssignal
der Gruppe 50 ist ein serieller Zug von Analogsignalen, die den Ausgangsgrössen
der Photodioden entsprechen.
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Diese Signale gehen auf den Videoverstärker 27 (vergl. Fig. 3), der
sie zur weiteren Verarbeitung, wie bereits ausgeführt, verstärkt. Der Taktgenerator
53 steuert die horizontale Gruppe 51, Während der Behälter die Station durchläuft,
wird eine ausreichende Anzahl Dioden in der Gruppe 51A abgeschattet. Bei geeigneter
Wahl der Frequenz der Taktimpulse aus dem Generator 53 verlässt die Gruppe 51 ein
Impulszug, der der momentanen Lage des Behälters in der Prüfstation entspricht.
Das Ausgangssignal der Gruppe 51 steuert den Adressgenerator 54 an. Diese Adreßschaltung
nimiiit auch aen Taktirrlpulszug aus der Schaltung 55 auf und übersetzt die Ausgangssignale
der Photouiouen aus der Gruppe 51 in digitale Impulszüge, die verwendet werden können,
um den elektronischen Suchfenstergenerator 29 (vergl.
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Fig. 3) zu adressieren. Die Suchfensterschaltung 29 nimmt auch die
Taktimpulse aus der Schaltung 52 auf, die das Abtastverhalten der Vertikalgruppe
50 steuert. Der Suchfenstergenerator 29 erzeugt einen Impulszug, der den Beginn
und das Ende der Abtastlänge entlang der Gruppe 50A (Fig. 9A) bestimmt; während
der Behälter die Station durchläuft, entsteht auf diese Weise eine Suchfläche auf
dem Behälter. Diese Suchfläche ist innerhalb des durchgezogen dargestellten Behälterbildes
in Fig. 9A gestrichelt gezeigt. Der Vorgang des Speicherns der Information über
die Behälterkontur in einem Speicherchip und des Rückgewinnens derselben durch den
elektronischen Suchfenstergenerator
29 sowie die Funktionsweise
des Rests des Blockschaltbildes entsprechen der oben zu den Fig. 3, 4 und 7 gegebenen
Erläuterung.
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Anstelle einer normalen FS-Kamera mit einer Vidiconröhre als photoelektronisches
Abta,stelement oder einer linearen Photodiodengruppe nach den Fig. 9 und 9A lässt
sich auch ein System flächig angeordneter Festkörpersensoren einsetzen. Es sind
unterschiedliche Arten solcher Anordnungen erhältlich, bei denen unterschiedliche
Konstruktionstechniken angewandt sind. Derjenige Typ, der sich leicht auf die in
den vorliegenden Anordnungen zu erfüllenden Aufgaben einrichten lässt, wird von
der Fa. Reticon Corporation hergestellt. In dieser Art eines Sensors besteht jeder
Sensor aus einer Anzahl von Photodioden, die zu beispielsweise einer (n x n) oder
einer (n x m)- Dioden matrix angeordnet sind, und den erforderlichen Festkörperschaltkreisen
und -Schieberegistern, die allesamt zu einem einzelnen IC vereinigt sind. Eine Flächengruppe
mit (256 x 256) Photodioden stellt also einen geeigneten Abtaster dar, der einer
normalen Vidiconröhre vergleichbar ist.
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Die Fig. 10 zeigt ein typisches Blockschaltbild einer Flächengruppe
mit Netzwerken, um das Behälterbild zu bearbeiten, das mit einer geeigneten Optik,
wie sie beispielsweise für die FS-Kameraabtastung beschrieben wurde, auf die Gruppe
proJiziert wird. Die bevorzugte Lichtquelle ist hier jedoch auch eine
stetig
strahlende anstelle einer gepulsten, obgleich das System auch mit einer Impulslichtquelle
arbeiten kann, da die Gruppe die Bildsignale eine erhebliche Zeit speichert, bis
sie zur Weiterverarbeitung derselben abgetastet wird.
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Die in dem gestrichelten Kästchen 59 der Fig. 10 gezeigten Elemente
56, 57 und 58 stellen eine Festkdrperkamera dar, die eine herkömmliche Vidiconkamera
24 (Fig. 3) ersetzen kann, um die Behälterbilder auf die zuvor erläuterte Art zu
verarbeiten. Impulse aus dem Lagesensor 19 speisen den Traktimpulsgenerator 56,
der die Abtastgeschwindigkeit der Flächengruppe 57 steuert.
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Die Taktfrequenz kann mit einer Einstelleinrichtung (nicht gezeigt)
für jede gewünschte Art der Abtastung der Gruppe 57 eingestellt werden. Unter der
Einwirkung der Beleuchtung durch die Lichtquelle und der Taktimpulse aus der Schaltung
56 wird das Ausgangssignal der Gruppe 57 ein serieller Zug von Analogsignalen, die
dem elektronischen Ansprechverhalten der Photodioden entsprechen. Dieses Ausgangssignal
wird auf den Videoverstärker 27 gegeben, dessen Funktion bereits beschrieben wurde.
Die Gruppe 57 erzeugt weiterhin zwei zusätzliche Impulszüge, die das Ende jeder
Abtastzeile und das des Abtastbildes anzeigen.
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Diese Impuls züge speisen den Synchronlmpulsgenerator 58, der auch
die Taktimpulse aus dem Generator 56 annimmt. Die Schaltung 58 erzeugt einen Impulszug,
der die Zeilen und die Bild-Synehronimpulse enthält, die den Suchfenstergenerator
29 ansteuern, um die gespeicherte Behälterkonturinformation rückzugewinnen.
Die
Funktion des Rests der Schaltungen der Fig. 10 ist in der Erläuterung des eine FS-Kamera
enthaltenden Systems beschrieben, und gleiche Teile weisen auch hier gleiche Bezugszeichen
auf.
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Wird eine normale FS-Kamera zur Prüfung eingesetzt, wird die LichtqWelle
gepulst, um auf den lichtempfindlichen Bereich der Kamera ein scharfes Bild zu werfen,
Diese Massnahme ist für eine erfolgreiche Prüfung unentbehrlich; auf diese Weise
wird das Behälterbild weingerroren" und von der Bewegung des Behälters nicht mehr
beeinträchtigt. Eine momentane Beleuchtung ist auch mit stetigem Licht und entweder
einem schneliwirkenden optischen oder einem elektromechanischen Verschluss möglich,
um auf der Kamera den gleichen Bildeindruck zu erzeugen.
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Die Arbeitsgeschwindigkeit dieser Verschlüsse reicht jedoch nicht
an die einer von elektronischen Impulsen gesteuerten Bl i t zröhre nano rdnung heran.
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Ein erfolgreicher Betrieb der FS-Kamera für die Behälterprüfung erfordert,
dass die Rückseitenbeleuchtung so auf den Behälter gerichtet ist, dass die Wirkungen
von Streu- und Umlicht übersteuert werden. Dies geschieht im allgemeinen durch die
Wahl einer ausreichend starken Lichtquelle. Wird dieses Licht jedoch auf den Behälter
gerichtet, sieht die FS-Kamera zwei unterschiedliche Lichtanteile aus dem Lichtkasten
13. Ein Nutzanteil durchdringt den Behälter und hebt die Oberflächen des Behälters
heraus, damit Fehlstellen gegen den Hintergrund des
Behälters erkannt
werden können. Der andere Anteil ist das Licht, das nicht durch den Behälter hindurchtritt,
sondern aus dem Lichtkasten heraus am Linsensystem 23 in zwei Teilen ankommt. Ein
Teil trifft unmittelbar aus dem Lichtkasten auf die Kamera, während der andere Teil
sie erreicht, nachdem er mehrfach gebrochen und reflektiert worden ist. Diese beiden
unerwünschten Lichtanteile sind ausreichend stark, um vom lichtempfindlichen Element
der FS-Kamera als Rückbeleuchtung akzeptiert zu werden, wenn man sie nicht unterdrückt,
und übersteuern die Vidiconröhre, so dass die relative Lichtempfindlichkeit des
Vidicons für das durch den Behälter hindurchtretende Licht abnimmt. Um diese unerwünschten
Effekte zu eliminieren, wird auf dem Lichtkasten eine Blende verwendet, deren Öffnung
die allgemeine Gestalt des zu analysierenden Behälters hat, so dass das aus der
Blendenöffnung austretende Licht gerade noch den gesamten Körper des Behälters einhüllt.
Eine solche Offnung ist in der Platte 17A vorgesehen (Fig. 2A).
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Wird für die Bildverarbeitung eine Festkörperkamera verwendet, sind
Verschlüsse oder gepulste Lichtquellen nicht errorderlich.
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Eine stetige Lichtquelle reicht aus, und man erhält eine gesteuerte
Bildverarbeitung mittels geeigneter elektronischer Schaltungen, so dass die Behälterbewegung
in der Prüfstation die Funktion der Anordnung nicht beeinträchtigt. Ein solches
System ist in den Fig. 9 und 9A dargestellt, wo das System eine Lineargruppe von
Festkörper-Photodioden, die mit der
Vertikalachse des analysierten
Gegenstandes ausgerichtet ist, zusammen mit einer anderen Lineargruppe aufweist,
die rechtwinklig zur ersten und so angeordnet ist, dass sie die erforderlichen Zeitsteuerimpulse
liefert, während der Gegenstand die Prüfzone durchläuft.
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Es sind oben verschiedene geeignete Schaltungen angegeben, um ein
elektronisches Suchfenster zur Prüfung transparenter Behälter zu erzeugen. Um die
Böden und/oder Münder von Behältern auf Fehlerstellen zu untersuchen, würde die
im Speicherchip gespeicherte Information für Boden einen Kreis und für die Münder
einen Ring darstellen. Die ausgeführten Anordnungen lassen sich auf verschiedene
Weise modifizieren, um eine Vielzahl von Konturen und Profilen von Gegenständen
zu speichern, wo vorliegende Gegenstände mit einer akzeptablen Bezugskontur für
statische und/oder dynamische Bedingungen verglichen werden sollen.
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Auf jeden Fall lässt die Bezugskontur sich in geeignete Speicherchips
einprogrammieren, um sie dann mit den von einem geeigneten Abtaster gelieferten
Bildern zu vergleichen; aus dem Vergleich lässt sich eine Entscheidung über Abnahme
oder Auswerfen der Gegenstände treffen.