DE4126988A1 - Beleuchtungsanordnung zur optischen erfassung der kontur von langgegenstaenden mit diffus reflektierender oberflaeche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsanordnung zur optischen Erfas­ sung der Kontur von Langgegenständen mit diffus reflektierender Ober­ fläche über ein Bildverarbeitungssystem, insbesondere zum Einsatz in Sägewerken, um an der Seitenware die Waldkantenstärke zu ermitteln.

Besonders bei der Holzverarbeitung in Sägewerken, wo aus Seitenware scharfkantige Brettware geschnitten werden muß, treten bei der automa­ tischen Bearbeitung mit optischer Erfassung besondere Probleme auf, da sich die Objekteigenschaften, wie Dicke, Farbe, Form, Oberflächen­ struktur und damit das Reflexionsvermögen, ständig ändern, so daß sie nicht nach meßtechnischen Parametern klassifizierbar sind.

Um die Konturen solcher langer Werkstücke zu erfassen, werden in der Praxis entlang des Werkstückes mehrere Tastköpfe eingesetzt, wodurch die Messung sehr schnell durchgeführt werden kann. Bei der Vielzahl von benötigten Tastköpfen wird das dann zu einer ökonomischen Frage.

Zur Vermessung von langen Gegenständen, beispielsweise Brettware und Baumstämme, wird in Sägewerken mit Parabol-Laser-Scannern gearbeitet (Ed M. Williston: Computer Control System for log processing and lumber manufacturing, 1985, Seite 127).

Hier muß über die gesamte Breite des zu bearbeitenden Brettes ein Parabol-Spiegel liegen, welcher über einen rotierenden Spiegel mit einem Laser beaufschlagt wird. Die Laserstrahlen werden dann vom Para­ bol-Spiegel senkrecht auf eine Bezugsebene geführt, in welcher das Meßobjekt quer zur Scanrichtung hindurchgeführt wird. Auf beiden Seiten befinden sich über dieser Bezugsebene Detektoren, die die vom Meßobjekt reflektierten Strahlen aufnehmen. Diese Meßmöglichkeit eig­ net sich, da sie einen hohen Aufwand erfordert, nur für große Betrie­ be mit einem hohen Durchsatz.

Für die Vermessung von zu besäumender Brettware während der Längsför­ derung gibt es natürlich in Sägewerken schon kostengünstige Verfahren mit Laser-Scanning-Systemen. Dort wird hinter einem Einzugstisch das Vermessen der Brettware über eine Sensorreihe vorgenommen. Da aber Vermessen und Sägen serielle Vorgänge sind, wird hier zusätzlicher Platz entsprechend der Länge des zu bearbeitenden Brettes benötigt.

Diesen Platz haben aber kleine Sägewerke oft nicht bzw. der höhere Platzbedarf verursacht Kosten, die nur bedingt eingesetzt werden. Wei­ terhin gibt es Probleme beim Übergang vom Querförderer zum Einzugstisch. Da das Vermessen in diesem Fall erst abgeschlossen ist, wenn das Brett in seiner gesamten Länge durchgelaufen ist, ist kein Ausrichten des Brettes möglich. Bedingt durch diesen Umstand kann die Brettware nicht optimal genutzt werden, d. h. es entstehen ökonomische Einbußen für den Betrieb.

Um den Platzbedarf klein zu halten und um mit einfachen Erkennungsein­ richtungen zu arbeiten, werden in zunehmendem Maße Videokameras einge­ setzt, die während einer Warteposition die Messung der Oberfläche im Querdurchlauf durchführen können, wobei über eine anschließende Bild­ verarbeitung die notwendigen Steuerungen der Sägen für das Besäumen und die Ausrichtung des Brettes ausgelöst werden. Durch eine ungünsti­ ge Positionierung der Lichtquellen treten vor allem bei dunklen Ober­ flächen Fehler auf, - was insbesondere bei nasser bzw. feuchter Brett­ ware passieren kann.

Um die Beleuchtungsprobleme, die beim Anbringen von mehreren Licht­ quellen durch gegenseitige Beeinflussung auftreten, zu umgehen, wurde bereits vorgeschlagen, getaktete Lichtquellen bzw. eine Stroboskopbe­ leuchtung einzusetzen. In diesem Falle beeinflussen sich die Licht­ quellen nicht gegenseitig, da die Taktierung wechselseitig erfolgt.

Diese Arbeitsweise mit der sequentiellen Erfassung verschiedener Ob­ jektparameter (zeitmultiplex) ist kosten- und zeitintensiv sowie stör­ anfällig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungsanordnung zu finden, welche gewährleistet, daß eine Videokamera Signale hoher Güte an ein Bildverarbeitungssystem liefern kann, wobei das System weitgehend unempfindlich gegen Fremdlichtbeeinflussung sein muß.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Durch die Kombination verschiedener Leuchtenpositionen werden deren Vorteile genutzt und die Nachteile weitgehend vermieden bzw. gegensei­ tig kompensiert. Die Signalqualität ermöglicht die Bestimmung des Ortes der Waldkante mit hoher Genauigkeit und einen einfachen Bildver­ arbeitungsalgorithmus zur Berechnung der Konturen, so daß eine kurze Taktzeit der maschinellen Bearbeitung gewährleistet ist.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen üblichen Meßaufbau in Brettlängsrichtung,

Fig. 2 eine optimale Beleuchtungsanordnung,

Fig. 3 eine modifizierte Beleuchtungsanordnung nach Fig. 2 und

Fig. 4 und 5 Beleuchtungsanordnungen mit Diffusor.

In Fig. 1 ist eine übliche Beleuchtungsanordnung mit zwei Reflektor­ lampen 1, 2 dargestellt. Hier sind die Reflektorlampen 1, 2 etwas über einer CCD-Kamera 3 angeordnet.

Der seitliche Abstand der Reflektorlampen 1, 2 zu der CCD-Kamera wird mit X bezeichnet. Auf einer Bezugsebene 4 liegt das Meßobjekt 5, im speziellen Fall eine Seitenware. An der Seitenware 5 erkennt man die Waldseiten 6, 7, wobei die äußeren unteren Kanten als äußere Waldkan­ ten 8, 9 und die äußeren oberen Kanten als innere Waldkanten 10, 11 und die inneren Kanten als Rindenkanten 12, 13 bezeichnet werden.

Der Winkel, welchen die Waldseite zur Waagerechten bildet, wird mit Psi bezeichnet.

Der Abstand der CCD-Kamera 3 von der Bezugsebene 4 ist h, und der Abstand der Reflektorlampen 1, 2 von der Bezugsebene 4 wird mit Y be­ zeichnet. Das Meßobjekt 5 wird von rechts nach links in der Bildebene befördert, wobei die Messung erfolgt, wenn es direkt senkrecht unter der CCD-Kamera 3 angehalten wird.

In Fig. 2 wird eine für die Ausleuchtung der Waldkanten optimale An­ ordnung der Reflektorleuchten 1, 2 gezeigt. Die Reflektorleuchten 1, 2 sind in diesem Fall in gleicher Höhe wie die Bezugsebene 4 vor und hinter dem Meßobjekt 5 (in Förderrichtung des Meßobjektes gesehen) an­ geordnet.

Die Positionierung der Reflektorleuchten 1, 2 auf Objekthöhe bzw. Höhe der Bezugsebene 4 führt zu optimalen Ergebnissen bei der Ermittlung der Waldkanten 8-11. Jedoch können die Oberflächenstrukturen nicht erfaßt werden.

Da diese Anordnung im praktischen Einsatz für den gewünschten Einsatz in einem Sägewerk, bedingt durch die Querförderung des Meßobjektes, nur funktioniert, wenn ein Stellmechanismus die Reflektorlampen 1, 2 jeweils nach einer Messung aus der Förderrichtung nimmt oder ein Brettlift das Brett in die Bezugsebene bringt, kann die modifizierte Beleuchtungsanordnung nach Fig. 3 ersetzt werden.

Bei dieser Anordnung sind die Reflektorleuchten 1, 2 unmittelbar unter der Bezugsebene 4, d. h. der Brettunterseite angebracht.

Das Problem, daß die Oberflächenstrukturen nicht richtig erkannt werden, bleibt aber auch in diesem Fall, so daß diese Anordnung einge­ setzt werden sollte, wenn es nur auf die Erkennung der Waldkanten 8-11 ankommt.

In der Anordnung nach Fig. 4 und 5 wird eine Ausleuchtung erreicht, mit der auch die Oberflächenstruktur des Meßobjektes 5 erkannt werden kann. Dazu ist eine Reflektorlampe 1 seitlich über dem Meßobjekt 5 und eine der Reflektorlampen 2 auf der gleichen Seite unter dem Meßobjekt 5 angeordnet. Unter dem Meßobjekt 5 ist schräg zur Bezugsebene 4 ein Diffusor 14 angeordnet. Gleichzeitig ist unter der zweiten Reflektor­ lampe 2 eine Hintergrundabdunklung 15 vorgesehen.

Die Reflektorleuchten 1, 2 können als Leuchtenreihe entlang der Ob­ jektlängsseite ausgestaltet sein, wobei sie so angebracht sind, daß Seitenware und auch Modeln darunter bzw. darüber hinweg transportiert werden können.

In diesem Fall ist eine ausreichende Beleuchtung der Oberfläche zur Strukturerkennung gegeben. Die Abstände X und Y (siehe Fig. 1) sind in gewissen Grenzen variierbar und als Leuchtpositionen X1/Y1 bzw. X2/Y2 in Fig. 4 und 5 angedeutet.

Bei dieser Anordnung entsteht an der linken inneren Waldkante 10 ein steiler Helligkeitssprung von schwarz nach grau, der auch für sehr kleine Winkel Psi sichergestellt ist.

Unter Ausnutzung der diffusen Reflektion der Oberfläche und der ge­ ringfügig gerichteten Reflexion der rechten Waldseite 7, 9, 11, 13 mit oder ohne Rinde erscheint die Waldseite 7 für die CCD-Kamera 3 heller (höhere Leuchtdichte) als die Meßobjektoberseite. Zur Vermessung wird beim Querdurchlauf die rechte äußere Waldkante immer am rechten Rand des Kamera-Objektfeldes positioniert und somit eine nahezu konstante Beleuchtungsstärke auf der Waldkante erreicht.

Bei optimaler Leuchtenposition wird an der rechten inneren Waldkante 11 ein Helligkeitssprung von grau nach weiß erzielt.

Durch die unter der Bezugsebene 4 angeordnete zweite Reflektorlampe 2 wird die Leuchtdichte der rechten Waldseite 7 noch weiter gesteigert. Mit einer Optimierung der Objektivöffnung der CCD-Kamera 3 ist auch eine sichere Vermessung schwieriger Schnittware gegeben, so daß eine gesteigerte Systemzuverlässigkeit erreicht wird.

Der Ort der rechten inneren Waldkante 11 kann zudem exakter bestimmt werden.

Wird diese exakte Erkennung nicht unbedingt benötigt, ist der Aufbau auch mit nur einer Reflektorlampe 1 oberhalb der Bezugsebene ausrei­ chend. Der Kontrast zur Erkennung der linken äußeren Waldkante 8 wird durch die Ausführung des Hintergrundes als helle Fläche mittels des Diffusors 14 erreicht.

Um die Ablagerung von Schmutz, Spänen usw. zu vermeiden, wird der Diffusor 14 geneigt angeordnet und ggf. automatisch gesäubert.

Der Diffusor 14 kann auch waagerecht angeordnet sein. In diesem Fall sollte jedoch eine Abblaseinrichtung vorgesehen sein.

Die rechte äußere Waldkante 9 wird durch die Hintergrundabdunklung 15 sichtbar gemacht. Dieser Hintergrund sollte möglichst dunkel sein, um die Qualität der Ergebnisse zu verbessern, was durch die Abschirmung des Lichtes für den rechtsseitigen Hintergrund geschieht. In Fig. 4 und 5 ist hierfür ein Beispiel dargestellt. Andere Lösungen sind möglich.

Der gezeigte Beleuchtungsaufbau kann natürlich auch spiegelbildlich angeordnet sein.

Als Lichtquellen können beispielsweise preisgünstige Industrie-Feucht­ raum-Leuchtstofflampen eingesetzt werden.

Diese Leuchten können ggf. mit Reflektor und Schutzrohr ausgestattet sein. Sie können im Dauerbetrieb benutzt und zum Erreichen eines nahezu konstanten Lichtstromes mit einer Lichtsteuereinrichtung, z. B. einem Dimmer, betrieben werden.

Claims (8)

1. Beleuchtungsanordnung zur optischen Erfassung der Kontur von Lang­ gegenständen mit diffus reflektierender Oberfläche mit einer Video­ kamera und einer dieser nachgeschalteten Auswerteeinheit zur Bild­ analyse und Abspeicherung der erfaßten Bildpunkte, dadurch gekennzeichnet, daß die Videokamera (3) direkt über dem Meßobjekt (5) angeordnet ist und zwei Lichtquellen (1, 2) vorgesehen sind, wovon eine unter und eine über der Bezugsebene (4) des Meßobjektes (5) angeordnet ist, und daß ein Diffusor (14) unter dem Meßobjekt (5) angeordnet ist.

2. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (2) unter der Bezugsebene (4) angeordnet ist und eine Hintergrundabdunklung verwendet wird.

3. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor (14) insbesondere schräg unter dem Meßobjekt (5) angeordnet ist.

4. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lichtquellen (1, 2) gegenüberliegend unter der Be­ zugsebene (4) angeordnet sind, so daß das Meßobjekt (5) zwischen ihnen liegt.

5. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Lichtquellen (1, 2) gegenüberliegend auf gleicher Höhe mit der Bezugsebene (4) angeordnet sind, so daß das Meßobjekt (5) zwischen ihnen liegt.

6. Beleuchtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Lichtquellen (1, 2) in ihren Koordinaten X1/Y1 und X2/Y2 optimiert werden kann, wobei X der waagerechte Abstand und Y der senkrechte Abstand zur Videokamera (3) ist.

7. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Lichtquelle (1) schräg über dem Meßobjekt (5) angeord­ net ist.

8. Beleuchtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (1, 2) als Reflektorlampen ausgebildet sind.