DE4102122C2 - Verfahren zur visuellen Kontrolle der Formation von einer in einer Richtung bewegten Bahn aus fotografischem Basispapier oder Basiskarton - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur visuellen Kon­ trolle der Formation von einer in einer Richtung beweg­ ten Bahn aus fotografischem Basispapier oder Basiskar­ ton.

Ein solches Verfahren ist bekannt aus der US 48 57 747. Die genannte Patentschrift beschreibt Verfahren und Vorrichtung zur On-Line-Untersuchung von bahnförmigem Material zur Ermittlung der sogenannten Formation. Die Vorrichtung arbeitet mit einer quer zur Bahn liegenden Lichtquelle und einer CCD-Kamera, mit der ein digitali­ sierbares Signal aufgefangen werden kann. Durch entspre­ chende Schaltkreise wird das digitalisierte Signal Pixel für Pixel normiert und untersucht, wobei ein "Formations­ index" generiert wird für die gesamte Breite des Gewebes.

Das bekannte Verfahren erfordert einen relativ hohen Aufwand an Computer- und Speicherkapazität. Es zeigt sich, daß trotz des hohen Aufwandes es schwierig ist, ein für eine wiederholbare Aussage ausreichendes Signal- Rausch-Verhältnis zu erzeugen. Insbesondere Papier ist ein Naturprodukt, dessen Eigenschaften, die unter dem Gesamtbegriff "Formation" zusammengefaßt werden sollen, sich dem Fachmann bei Durchsicht der Papierbahn er­ schließen; es ist jedoch äußerst schwierig, Indexzahlen allein auf der Basis der Informationen zu gewinnen, die sich aus den einzelnen Bildpunkten (Pixeln) ablesen lassen.

Die Abtastgeschwindigkeit bei dem Verfahren gemäß Stand der Technik ist dadurch begrenzt, daß die Verarbeitungs­ geschwindigkeit der optischen und datenverarbeitenden Systeme begrenzt ist. Das Überwachungssystem überwacht im gleichen Zeitpunkt die gesamte Breite mit einer 2048- Pixel-pro-Zeile-Kamera. Die Scan-Rate beträgt etwa 5000 pro Sekunde, was einer Belichtungszeit von 200 µsec pro Scandurchlauf entspricht. Bei einer Bahngeschwindigkeit von 10 m/sec würde dies einem Vorschub von 2 mm entspre­ chen. Dies führt bei Papier und Karton zu erheblichen Bewegungsunschärfen, die insbesondere bei fotografischen Basispapieren zu Fehlbeurteilungen bezüglich des soge­ nannten mottle (s. u.) führen.

Demnach ist das in der US-PS beschriebene Verfahren nur für "normale" Papiere geeignet, womit Papiere eines Flä­ chengewichtes zwischen 50 bis 120 g/m² verstanden wer­ den. Dagegen ist eine derartige Belichtungszeit bei Strukturuntersuchungen an Halbkartons (Flächengewicht 120-190 g/m³) und Kartons (Flächengewicht von 190-300 g/m²) zu groß, so daß es zu Bewegungsunschärfen kommt.

Gerade bei Halbkartons und Kartons ist eine relativ gleichmäßige Formation gegeben, die Abweichungen von einer Norm nur schwer erkennen lassen. Die Unterschiede in der Faserverteilung sind demnach schwieriger zu be­ urteilen. Insbesondere bei fotografischen Basispapieren besteht ein Zusammenhang zwischen der Faserverteilung der Papierunterlage und dem sogenannten "mottle" des später entwickelten fotografischen Bildes. Unter "mottle" werden Schwankungen der optischen Dichte im fotografischen Bild bezeichnet. Bestimmend für dies un­ erwünschte Phänomen ist die Oberfläche des Trägermateri­ als. Unebene Oberflächen führen selbst bei absolut gleichmäßigem Schichtauftrag zu Fließerscheinungen in der Schicht, die im fertigen Bild als "mottle", d. h. Schwankungen der optischen Dichte, sichtbar werden. Die Unebenheit eines Papiers ist in starkem Maße von der Faserstruktur des Zellstoffs und von der Bildung von Zellstoff-Flocken während der Blattbildung bestimmt. Dies wirkt sich selbst bei starker Satinage der Rohpa­ piere bis zu den beschichteten Papieren aus.

Eine solche Untersuchung ist durch das bekannte Verfah­ ren nicht gewährleistet.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Papier-Formation typi­ scherweise aufgrund einer Papier-Durchsicht ermittelt wird. Diese Art der Analyse bleibt mit einer gewissen Subjektivität behaftet; es zeigt sich jedoch, daß das menschliche Auge und die menschliche Erfahrung für die Analyse und Fehlerbestimmung in bezug auf die Papierfor­ mation immer noch bessere Ergebnisse liefern als noch so ausgeklügelte Computer-Programme. Es wird hierzu verwie­ sen auf den Artikel "Characterization of Paper Forma­ tion", Part 1, Verfasser: Cresson, T.M., Tomimasu, H. und Luner, P., erschienen im "Tappi"-Journal, July 1990, Seite 153-159.

Aus der US-PS 26 48 723 ist ein Informationssystem für be­ stimmte Materialien, wie z. B. Textilien, Metalle usw. bekannt. Das zu untersuchende Material wird über Rollen abgewickelt. Daneben wird eine Normalfläche gestellt. Beide Flächen werden von einer Lichtquelle angestrahlt, wobei das Licht auch durch das Material hindurchtreten kann. Von einer oder zwei Kameras wird die Oberfläche aufgenommen. Die Farbe und die Intensität der Lichtquel­ le kann entsprechend eingestellt werden. Beide Bilder werden über Zinsen, Fotozellen und eine Signaldifferenz­ bildung oder visuell ausgewertet und erlaubt so Farbmuster, Oberflä­ chenstruktur oder die Beschaffenheit der Oberfläche fest­ zustellen.

Nachteilig ist, daß vom Grundsatz her nur die Oberfläche untersucht wird. Obwohl beide Bilder vorhanden sind, wird nur technisch durch bestimmte Mittel auf einen Un­ terschied aufmerksam gemacht. Die üblicherweise bei Pa­ pier zu kontrollierende Faserverteilung ist so durch ein Signal nicht beurteilbar. Es wird darauf hingewiesen, daß die Papier-Formation typischerweise aufgrund der Papierdurchsicht ermittelt wird. Bewertet werden das zu untersuchende Papier und das Normal durch einen Ver­ gleich durch das menschliche Auge. Auch wenn einem ge­ wisse Subjektivität nicht ausgeschlossen werden kann, werden so immer noch die besten Ergebnisse geliefert.

Bekannt ist weiterhin aus "Fachberichte Hüttenpraxis Me­ tallverarbeitung", Jg. 17, Heft 10/79, 1979, S. 944, 946, 947 ein Verfahren zur Oberflächeninspektion an bahnge­ walzten Flachstahlerzeugnissen. Eine Spezialkamera nimmt das Bild der Oberfläche eines sehr heißen Coils auf. Das Bild wird auf einen Bildschirm gegeben. So können auf tre­ tende Fehler auf der Oberfläche sofort festgestellt, die Walzstraße angehalten und die Fehlerquelle, z. B. eine defekte Walze oder eine zugesetzte Kühldüse, beseitigt werden.

Nachteilig ist, daß nur ein Oberflächenbild von oben und mit sehr großem Aufwand von unten aufnehmbar ist. Eine Strukturuntersuchung von Papieren mit höherem Flächen­ gewicht oder Kartons ist aber hierdurch nicht möglich.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Definieren der Fehlerart beim Abtasten von schnellaufenden bahnförmigen Flächengebilden mittels eines fliegenden Lichtpunktes, der das Flächengebilde quer zur Laufrichtung abtastet und dessen das Flächengebilde durchdringender und/oder reflektierender Lichtanteil ausgewertet wird, wobei Feh­ ler in der Materialbahn ein Signal auslösen, ist aus der DE 29 32 660 A1 bekannt. Danach wird, durch das Signal ausgelöst, der Fehler beleuchtet, erfaßt, aufgezeichnet und einem Monitor zugeleitet.

Angegeben wird diese Untersuchungsmethode nur für die Oberflächenbewertung einer schnellaufenden Bahn. Um auch die Unterseite auswerten zu können, ist hier gleichfalls eine Lampe und eine Auswerteeinrichtung zu installieren. Nachteilig ist darüber hinaus, daß nur ein Fehler, z. B. ein Loch, in einer Aluminiumfolie als vergrößertes Bild auf dem Monitor erscheint. Eine Gesamtbewertung der Bahn im Sinne eines Vergleichs wird nicht vorgenommen.

Weiterhin sind aus dem Prospekt der Robert Bosch GmbH "Bosch Bildmischer" Impressum WEB-AF 5/79 md, 4 Seiten, Bildmischer bekannt, die eine vertikale und horizontale Bildteilung bzw. einen Eckenschnitt ermöglichen. Bestimm­ te Trickarten lassen sich durch Tastendruck anwählen und mit Reglern horizontal und vertikal über die gesamte Bildfläche schieben.

Diese Bildmischer ermöglichen ein visuelles Nebeneinan­ dersetzen zweier Bilder und stellen so eine Realisie­ rungsmöglichkeit dar, ein Vergleichsbild mit einem ande­ ren Bild auf demselben Bildschirm zu erzeugen.

Aus der US-PS 4 330 712 ist eine Inspektionsmethode für Defekte in Bildmustern bekannt. Verglichen wird dabei ein intaktes Layout eines Schaltkreises mit einem defekten.

Hier wird auf die grundsätzliche Möglichkeit eines opti­ schen Vergleiches zweier Bilder hingewiesen. Allerdings sind die Auswertekriterien bei Schaltkreisen von denen bei Papier und Karton verschieden, so daß die dort ange­ gebene Vorrichtung für die visuelle Kontrolle der Forma­ tion der bahnförmigen Produkte nicht anwendbar ist.

Eine On-Line-Flächenabtastung wird in der EP 0 392 693 A2 beschrieben. Dabei wird angegeben, daß ein Hauptrech­ ner das Aussenden von Blitzlicht und seine Aufnahme durch eine Kamera steuert, wobei der zur Lampe gelangen­ de Lichtstrom durch eine Polarisierungssystem geht. Nach­ teilig ist, daß diese Flächenabtastung nicht für die Kon­ trolle fotografischer Papier- und Kartonbahnen geeignet ist.

Aus der DE 36 41 816 A1 ist ein Verfahren und eine An­ ordnung zur Messung und/oder von Eigenschaften von Gar­ nen und Seilen bekannt. Mit Hilfe einer kurzzeitigen Be­ leuchtung nach Art eines Stroboskopes können Bildaufnah­ men zur kontinuierlichen Messung vorgenommen werden. Die Aufnahme kann mit sichtbaren Licht erfolgen. Bei Auf­ licht empfängt der Bildsensor das vom Garn oder Seil re­ flektierte Bild, bei Gegenlicht die durchgelassene Strah­ lung. Das von einer Kamera aufgenommene Bild wird über eine analoge Signalverarbeitungsschaltung und einen Ana­ log-Digitalwandler einem Bildschirmspeicher zugeführt. Mit dem Leseausgang des Bildschirmspeichers ist eine Recheneinheit verbunden. Sie kann die dort gespeicherten digitalen Bildsignale abrufen und daraus die Werte der zu messenden oder zu überwachenden Eigenschaften des Garns oder Seils ermitteln. Die ermittelten Werte werden dann ausgedruckt. Außerdem ist an dem Rechner ein Moni­ tor angeschlossen, auf dem das aufgenommene und im Bild­ schirmspeicher gespeicherte Bild zur Überprüfung durch eine Bedienungsperson dargestellt werden kann.

Nachteilig ist, daß das im Bildschirmspeicher gespei­ cherte Bild erst vollständig ausgewertet werden muß, bevor das nächste vom Bildsensor aufgenommene Bild in digitalisierter Form eingegeben und ausgewertet werden kann. Die Abtastgeschwindigkeit bei diesem Verfahren ist dadurch begrenzt, daß die Verarbeitungsgeschwindigkeit der optischen und datenverarbeitenden Systeme begrenzt ist. Das Überwachungssystem müßte im gleichen Zeitpunkt bei bahnförmigen Körpern die gesamte Breite mit einer 2.048-P-Pro-Zeile-Kamera überwachen. Die Scan-Rate be­ trägt etwa 5000/sec. was einer Belichtungszeit von 200 µsec pro Scan-Durchlauf entsprechen würde. Bei einer Bahngeschwindigkeit von 10 m/sec würde dies einem Vor­ schub von 2 mm entsprechen. Das führt bei Papier und Karton zu erheblichen Bewegungsunschärfen, die insbeson­ dere bei fotografischen Basispapieren zu Fehlurteilen bezüglich des sogenannten mottle führen kann. Demnach ist auch dieses Verfahren nicht geeignet, schwere Papie­ re und Kartons zu untersuchen.

Es stellt sich demnach die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das es ermöglicht, möglichst ermüdungsfrei und der physischen und psychi­ schen Fähigkeit eines menschlichen Betrachters entgegen­ kommend zu arbeiten, so daß eine für die Foto- und Druckindustrie ausreichende Analyse der Bahn-Forma­ tion möglich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst mit den Verfahrensschritten:

• - Durchstrahlen der bewegten Bahn mit einem impulsförmi­ gen Lichtstrom einer vorgegebenen Farbe und Intensi­ tät, denen Impulsdauer derart bemessen ist, daß wäh­ rend der Durchstrahlung der Bahn deren Bewegung keine Bildunschärfe erzeugt, und wobei die zeitlichen Ab­ stände der Lichtimpulse so gewählt sind, daß einzeln betrachtbare Bilder erhalten werden,
• - Erfassen des durch die Bahn hindurchgegangenen Licht­ stroms mit einer Videokamera und Umwandlung in ein Video-Signal,
• - Wiedergabe des Video-Signals auf dem Bildschirm eines Video-Monitor- Geräts als sichtbares Bild, dem ein Vergleichsbild zuge­ ordnet wird, so daß beide Bilder visuell vergleichbar sind.

Wesentlich ist, daß die beiden Bilder nebeneinander liegend auf dem gleichen Bildschirm erzeugt werden. Es ist aber auch möglich, die beiden Bilder auf zwei nebenein­ anderliegende Monitore oder aufeinander zu projizieren, wenn dies für den Vergleich bessere Möglichkeiten bie­ tet. Das Vergleichsbild wird anhand einer Muster-Vorlage (Papier, Halbkarton oder Karton) erstellt und gibt ein Bild einer guten Formation wieder.

Der Vergleich der beiden Bilder anhand eines "einge­ frorenen Bildes" erlaubt eine sichere Beurteilung der Papier- bzw. Karton-Qualität, da das eingefrorene Bild eine äußerst geringe Bildunschärfe aufweist, die jeden­ falls so klein ist, daß Faser-Anordnungen, Verteilungen und dergleichen sehr genau visuell ausgemacht werden können. Das Verfahren kann demnach auch für einen brei­ ten Bereich der Flächengewichte kontinuierlich verwendet werden, wobei Flächengewichte zwischen 50 und 300 g/m² liegen können.

Pausen zwischen den Aufnahmen sind so lang, daß der Be­ trachter in Ruhe die beiden Bilder nebeneinander betrach­ ten kann, also beispielsweise alle 60 sec eine Aufnahme.

Wie an sich bekannt, können dem Objektiv der Kamera Fil­ ter, und zwar z. B. Polarisations- und/oder Farbfilter, Graufilter oder andere optische Geräte vorgeschaltet werden. CCD-Kameras sind käuflich erhältlich und bilden nicht für sich einen Teil der Erfindung. Es soll auch nicht ausgeschlossen werden, daß anstelle einer CCD- Kamera eine übliche Vidikon-Kamera, wie sie zur Erzeu­ gung von Video-Signalen bekannt ist, verwendet wird. Es muß lediglich eine ausreichende Auflösung und Licht­ empfindlichkeit gegeben sein, um ein brauchbares Bild zu erzielen.

Wesentlich ist ferner, daß das Videobild der Kamera nicht nur direkt einem Monitor zuzuleiten ist, sondern noch über ein Datenverarbeitungsgerät geführt werden kann. Das Signal kann in diesem Gerät in bezug auf Farb­ und/oder Graustufen digitalisiert werden, gegebenenfalls bezüglich seines digitalisierten Signalinhaltes über elektrische Filterkreise verändert werden und in der ver­ änderten Form dem Monitor-Gerät zugeführt werden. Es las­ sen sich hierdurch beispielsweise Falschfarben-Bilder erzeugen, die bestimmte Eigenschaften stärker hervorhe­ ben und die die visuelle Analyse erleichtern. Das Daten­ verarbeitungsgerät enthält auch digitale Bildspeicher, so daß ein früher erzeugtes Bild erneut abrufbar ist.

Einzelheiten des Aufbaues zeigt schematisch die Zeichnung, anhand derer das Verfahren erläutert wird.

Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrich­ tung ist im Bereich einer sich bewegenden Papierbahn, im folgenden als Bahn 1 bezeichnet, angeordnet. Über Umlenk- und Antriebsrollen 2 bzw. 3a/3b wird die Bahn 1 in Richtung des Pfeiles P gefördert, und zwar mit einer Vor­ schubgeschwindigkeit in der Größenordnung 2 bis 10 m/sec. Das Papier hat ein Flächengewicht etwa zwischen 70 bis 250 g/m².

In einem Abstand von etwa 1 cm sind sogenannte Spiegel­ schächte 4 oberhalb der Bahn 1 angeordnet. Im Kopf der Spiegelschächte 4 befinden sich Xenon-Blitzlampen 5, die mit Hilfe eines Reflektors 6 ihr Licht gebündelt mit hoher Energie nach unten werfen. Über eine Milchglas- Diffusorscheibe 7 wird das Licht gestreut auf und durch die Bahn 1 gestrahlt. Andere Blitzlampen sind beispielsweise mit LED-Dioden, Laser-Dioden oder speziellen Impuls-Lichtquellen zu verwirklichen.

Der auf die Papierbahn fallende Lichtstrom ist entspre­ chend der gewünschten Farbe und Intensität einstellbar, die Zeit der Auslösung der Blitzlampen mit einer Kamera 10 (siehe unten) synchronisiert. Die Blitzlampen, von denen nur eine dargestellt ist, können auch stroboskop- oder kaskadenartig hintereinander geschaltet werden.

Gegenüberliegend, d. h. auf der unteren Seite der Papier­ bahn, ist eine lichtweglenkende Vorrichtung, hier Spie­ gelkasten 9, vorgesehen, der mit einem Spiegel 9′ ver­ sehen ist, der das ankommende Licht durch das Objektiv 11 der Kamera 10 auf die lichtempfindliche CCD-Matrix 12 lenkt. Die Kamera 10 ist demnach vor dem Kopf des Spiegel­ kastens 9 angeordnet und kann dort leicht abgenommen wer­ den. Der Kamera 10 können Filter 20, z. B. Polarisations- oder Farbfilter, vorgeschaltet werden.

Die CCD-Matrix 12 erzeugt in an sich bekannter Weise ein Videosignal, das über eine Leitung 13 einem Datenverar­ beitungsgerät 14 zuführbar ist, in dem das Signal in bezug auf Farb- und/oder Graustufen oder andere Informa­ tionen digitalisierbar ist. In dem Datenverarbeitungs­ gerät 14 befinden sich weiterhin elektronische Filter­ kreise, mit denen das digitalisierte Signal veränderbar ist. Zusätzlich können noch elektronische Speichereinhei­ ten vorgesehen werden, so daß der digitalisierte Inhalt des Videosignales jederzeit abrufbar zu speichern ist. Derartige Techniken sind für die Videoverarbeitung be­ kannt und brauchen hier nicht mehr erläutert zu werden.

Die Kamera 10 besitzt eine vertikal und horizontal auflösende Pixel-Matrix, beispielsweise mit einer Auflö­ sung horizontal 378 Pixel-Punkte und vertikal 485 Pixel- Punkte im sogenannten 2 : 1 "Interlaced Mode".

Die Blitzdauer beträgt weniger als 100 µsec, vorzugswei­ se 10 bis 40 µsec, so daß bei einer kontinuierlichen Bahngeschwindigkeit in der Größenordnung 5 bis 10 m/sec. Aufnahmen möglich sind, ohne daß eine Bewegungsunschärfe die Aufnahme wesentlich beeinflußt, da der Vorschub der Bahn unterhalb von 0,5 mm während der Blitzdauer liegt.

Die Steuerung des Blitzes erfolgt über die Leitung 15, sowie mit Hilfe von Ladungsspeicher- und Auslösevorrich­ tungen 8. Das gegebenenfalls verarbeitete Video-Signal wird einem Monitor 16 mit Bildschirm 17 in üblicher Zei­ lenablenktechnik zugeordnet. Im vorliegenden Falle ist auf dem Bildschirm auf der linken Hälfte das gewonnene Bild 18 und auf der rechten Bildschirmhälfte das Ver­ gleichbild 19 vorgesehen. Der Beobachter kann demnach beide Bilde unmittelbar nebeneinanderliegend verglei­ chen. Die beiden Bilden ruhen solange, bis der Betrach­ ter ausreichende Informationen erfahren und gegebenen­ falls durch Sprache auf ein Bandgerät gespeichert hat. Erst dann erfolgt automatisch oder durch entsprechende Auslösung eine neue Aufnahme an anderer Stelle der Bahn.

Es hat sich gezeigt, daß diese Art der Analyse brauch­ barere Ergebnisse liefert als eine Scanning-Methode ge­ mäß dem Stand der Technik. Die Zeitspanne zwischen zwei Aufnahmen liegt etwa zwischen einer bis fünf Minuten. Die Vorrichtung kann quer zur Bahn beweglich sein und einen willkürlich herausgegriffenen Ausschnitt festhal­ ten.

Claims (4)

1. Verfahren zur visuellen Kontrolle der Formation von einer in einer Richtung bewegten Bahn (1) aus foto­ grafischem Basispapier oder Basiskarton, mit den Ver­ fahrensschritten:

• - Durchstrahlen der bewegten Bahn (1) mit einem im­ pulsförmigen Lichtstrom einer vorgegebenen Farbe und Intensität, dessen Impulsdauer derart bemessen ist, daß während der Durchstrahlung der Bahn (1) deren Bewegung keine Bildunschärfe erzeugt, und wobei die zeitlichen Abstände der Lichtimpulse so gewählt sind, daß einzeln betrachtbare Bilden erhal­ ten werden,
• - Erfassen des durch die Bahn (1) hindurchgegangenen Lichtstroms mit einer Videokamera (Kamera 10) und Umwand­ lung in ein Video-Signal,
• - Wiedergabe des Video-Signals auf dem Bildschirm (17) eines Video-Monitor-Geräts als sichtbares Bild (18), dem ein Vergleichsbild (19) zugeordnet wird, so daß beide Bilder (18, 19) visuell vergleichbar sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergleichsbild (19) und das von der Videokame­ ra kommende Bild (18) nebeneinanderliegend auf demsel­ ben Bildschirm (17) erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der durch die Bahn (1) hindurchgehende Lichtstrom polarisations- oder farbgefiltert wird.

4. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Video-Signal einem Datenverarbeitungsgerät (14) zugeführt wird, in dem es in bezug auf Farb- und/oder Graustufen digita­ lisiert wird, oder bezüglich der digitalisierten Sig­ nale über elektrische Filterkreise verändert und ver­ ändert auf dem Bildschirm (17) dargestellt wird.