DE4142614A1 - Vorrichtung und verfahren zum erkennen von objekten, wie unregelmaessigkeiten in oberflaechen oder dergleichen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung von Unregelmäßigkeiten in Oberflächen, wie von geprägten Zei­ chen oder dergleichen sowie ein Verfahren zum Erkennen von Unregelmäßigkeiten in Oberflächen, wie von geprägten Zeichen oder dergleichen, die durch mindestens zwei Licht­ quellen beleuchtet werden.

Zur Identifikation oder Klassifikation von Werkstücken werden aus Gründen der Haltbarkeit häufig geprägte Zei­ chen, sogenannte Schlagzahlen oder -buchstaben, verwendet. Im Rahmen der zunehmenden Automatisierung stellt sich immer häufiger die Aufgabe, daß diese Zeichen automatisch kontrolliert oder für Zwecke der Produktionssteuerung ge­ lesen werden müssen. Das automatische Erkennen von ge­ prägten Zeichen unterliegt besonderen praktischen Schwie­ rigkeiten aufgrund variabler Prägecharakteristiken, auf­ grund von Störungen, wie Riefen, Rost oder dergleichen, auf den meist unbearbeiteten Oberflächen sowie aufgrund der Abnutzung der Prägewerkzeuge.

Zu einer kontrastreichen Darstellung wurde eine Vorrich­ tung vorgeschlagen, bei der zur Beleuchtung des zu erken­ nenden Objekts eine Vielzahl von Lichtquellen, nämlich mehrere Hundert bis mehrere Tausend vorgesehen sind, die in verschiedenartigster Weise geschaltet werden, um hier­ durch einen guten Kontrast und eine gute Aufnahme des Objekts zu ermöglichen. Die Vorrichtung ist damit äußerst kompliziert. Die Geometrie von Werkstücken und Produk­ tionseinheiten sowie industrieller Produktionsprozeß ge­ stattet in der Regel nicht den Einsatz solcher komplex aufgebauter Beleuchtungseinrichtungen. Auch sind diese nur schwierig und mit erheblichen Kosten instandzuhalten und zu warten. Eine Anordnung, bei der das Objekt indi­ rekt über eine mit Glasbügelchen belegte Folie beleuch­ tet wird, hat sich insbesondere bei Schlagzahlen nicht bewährt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung und ein Verfahren zu schaffen, die äußerst ein­ fach aufgebaut bzw. ausgestaltet sind und demgemäß, ohne Verursachung von Folgeproblemen den Einsatz in industriel­ len Anwendungen ermöglichen, dennoch eine hohe Sicherheit der Objekterkennung gestatten.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe bei einer Vor­ richtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß mindestens zwei Kameras unter einem endlichen Winkel zu­ einander ausgerichtet sind und im wesentlichen senkrecht auf eine von einer ihnen zugeordneten Lichtquelle bewirk­ ten Schlagschattengrenze gerichtet sind. Ein erfindungs­ gemäßes Verfahren zum Erkennen der Objekte sieht vor, daß die Unregelmäßigkeiten aus mindestens zwei unter einem endlichen Relativwinkel und im wesentlichen senkrecht zu der durch die jeweilige Beleuchtung bewirkten Schlagschat­ tengrenze stehenden Richtungen aufgenommen werden.

Wesentlicher Kern der Erfindung ist, daß mindestens zwei unterschiedlich ausgerichtete Kameras vorhanden sind und damit das Objekt aus mindestens zwei unterschiedlichen Richtungen beobachtet wird, wobei jeder der Kameras eine Lichtquelle zugeordnet ist und die Ausrichtung der Kamera damit die Beobachtungsrichtung etwa senkrecht zu der durch die Beleuchtung jeweils gegebenen Schlagschattengrenze erfolgt. Ein von der senkrechten Richtung abweichender Beobachtungswinkel kann je nach Anwendung zulässig sein. Auch sind nicht alle Zeichenteile genau waagerecht oder senkrecht orientiert; eine gewisse Richtungstoleranz ist daher möglich.

Durch die Aufnahme mindestens zweier unterschiedlicher Teilbilder durch mindestens zwei unterschiedliche Kame­ ras aus mindestens zwei unterschiedlichen Richtungen er­ gibt sich die Möglichkeit, die Teilbilder nicht sogleich zu dem beobachtenden Objekt zusammenzusetzen, sondern vielmehr die Bilder völlig separat zwischenzuspeichern und auszuwerten sowie mit entsprechenden charakteristi­ schen Strukturen, wie sie für das jeweilige Objekt bei Betrachtung aus der entsprechenden Beobachtungsrichtung charakteristisch sind, zu vergleichen. Dies ist mit her­ kömmlicher Hardware oder Software mäßig möglich. Hier­ durch wird der erhebliche Aufwand, der bei Zusammenset­ zen von Bildern aus unterschiedlichem Blickwinkel auf­ grund von Verzerrungen etc. gegeben ist, vermieden. Das hierdurch mögliche Vorgehen mag zwar ungewohnt sein, da die Objekte nicht als für den Menschen leicht zu inter­ pretierendes Bild dargestellt werden, sondern strikt eine Darstellung beibehalten und durchgeführt wird, die für den Menschen nicht ohne weiteres erkennbar bzw. les­ bar ist.

Gemäß weiterer bevorzugter Ausgestaltungen ist vorgese­ hen, daß die Kameras unter einem etwa rechten Winkel zu­ einander ausgerichtet sind bzw. daß die Unregelmäßigkei­ ten aus Aufnahmerichtungen aufgenommen werden, die rela­ tiv zueinander einen rechten Winkel bilden.

Eine andere äußerst bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, daß Kamera und zugeordnete Lichtquelle unter einander entsprechendem Einfalls- und Ausfallswinkel (Glanzwin­ kel) angeordnet sind, wobei dies dadurch erreicht wird, daß die Beleuchtung der Unregelmäßigkeiten aufweisenden Oberfläche und die Betrachtung unter entsprechendem Ein­ falls- und Ausfallswinkel erfolgt. Bei dieser Ausgestal­ tung wird der Kontrast, insbesondere bei glatten Ober­ flächenbereichen, an denen sich die Objekte, wie Schlag­ zahlen oder dergleichen, befinden, eine weitere Verbes­ serung dadurch erreicht, daß das mit der Kamera aufge­ nommene Glanzbild der unverletzten Oberfläche stark mit der primär beobachteten Schlagschattengrenze am Objekt­ bereich kontrastiert.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen sehen vor, daß die Aufnahme der Unregelmäigkeiten zeitlich nacheinander er­ folgt, wobei insbesondere die aus den verschiedenen Rich­ tungen aufgenommenen Bilder der Unregelmäßigkeiten in separate Bildspeicherbereiche zwischengespeichert und separat weiterverarbeitet werden und den Kameras sepa­ rate Bildspeicherbereiche zugeordnet sind.

Gemäß weiteren Ausbildungen kann vorgesehen sein, daß die Lichtquellen in verschiedenen Wellenlängenbereichen strahlen und vor den Kameras jeweils Strahlung des Wel­ lenbereichs der zugeordneten Lichtquelle durchlassende Filter angeordnet sind, daß die Lichtquellen getaktet sind und daß den Kameras elektronische Filter nachge­ ordnet sind, die für Frequenzen der Taktung der zuge­ ordneten Lichtquelle durchlässig sind oder daß die Lichtquellen polarisierte Lichtquellen sind und daß zwischen jeder Lichtquelle und oberhalb der Oberfläche ein Polarisator angeordnet ist und daß zwischen beobach­ teter Oberfläche und jeder Kamera ein weiterer Polari­ sator angeordnet ist, der für von der Oberfläche re­ flektiertes Licht der der Kamera jeweils zugeordneten Lichtquelle transparent ist. In diesem Falle kann die zeitlich getrennte Aufnahme entfallen, da die Trennung der Bilder optisch oder elektronisch erfolgt. Hierdurch kann sich eine höhere Aufnahme- und Arbeitsgeschwindig­ keit ergeben, so daß auch bewegte Objekte an derselben Stelle aufgenommen werden können.

Darüber hinaus kann vorgesehen sein, daß die charakteri­ stischen Strukturmerkmale der unter verschiedenen Rich­ tungen aufgenommenen Teilbilder der Unregelmäßigkeiten separat mit entsprechenden charakteristischen Merkmalen vorgegebener zu erkennender Objekte, wie den Unregel­ mäßigkeiten, verglichen werden.

Wie dargelegt, werden zur Modellierung der zu erkennen­ den Objekte, wie Zeichen, insbesondere Schlagzahlen oder dergleichen, zwei getrennte Teilmodelle mit jeweils ei­ ner vertikalen und eher horizontalen Struktur generiert. Die Bildaufnahme geschieht zeitlich hintereinander mit zwei getrennten Kamera-Beleuchtungs-Paaren, wobei die Betrachtungsrichtungen, auf die Oberfläche projiziert, zumindestens ungefähr senkrecht zueinander angeordnet sind. Hierdurch werden im wesentlichen in einem Teil­ bild die horizontalen und im anderen die vertikalen Strukturen des Zeichens kontrastreich aufgenommen. Die beiden Teilbilder werden in getrennten Bildspeichern oder getrennten Bereichen des gleichen Bildspeichers abgelegt. Die Zeichenerkennung arbeitet demgemäß mit entsprechend getrennten Merkmalen für jede Aufnahme. Die getrennte Darstellung weist, wie schon gesagt, den Vorteil auf, daß beim Kombinieren derartiger Darstel­ lungen aus unterschiedlichen Richtungen gegebene Schwie­ rigkeiten, die aufgrund von Verzerrungen der Aufnahme gegeben sind, vermieden werden. Durch die Trennung der Richtungsbereiche bereits bei der Bildaufnahme werden richtungssensitive Zeichenmerkmale deutlich dargestellt. Horizontale und vertikale Strukturmerkmale stören sich nicht gegenseitig. Die Detektion richtungsabhängiger Signale und damit die darauf basierende Bildauswertung wird stabil und zuverlässig. Insbesondere bei nicht ebenen, sondern vielmehr gekrümmten Oberflächen können auch mehr als zwei Kamera-Beleuchtungseinheiten mit unterschiedlicher Beleuchtungs- und Betrachtungsrich­ tung eingesetzt werden, wobei die oben genannten Merk­ male gewahrt bleiben. Hierdurch kann eine differenzier­ te Richtungsanalyse durchgeführt werden.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschrei­ bung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert ist. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung in Draufsicht;

Fig. 2 eine Sicht entsprechend II-II der Fig. 1; und

Fig. 3 eine Darstellung der aufgenom­ menen Bilder kritischer Zahlen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Kameras 1, 2 auf, die in der Draufsicht der Fig. 1 im rechten Winkel zueinander aus­ gerichtet sind. Jeder Kamera ist eine Lichtquelle 3, 4 zugeordnet. Etwa im Kreuzungspunkt der Verbindungslinien zwischen Kamera 1 bzw. 2 und zugeordneter Lichtquelle 3 bzw. 4 befindet sich das zu beobachtende Objekt 6, hier ein in die Oberfläche 7 eines Werkstücks 8 eingeschlage­ ner Buchstabe. Die Fig. 2 zeigt, daß Lichtquelle 3 und Kamera 1 relativ zur Oberfläche 7 des Werkstücks 8 der­ art ausgerichtet sind, daß Einfallswinkel gleich Aus­ fallswinkel ist, die Kamera 1 also die unbeschädigte Oberfläche 7 des Werkstücks 8 unter dem Grenzwinkel re­ lativ zur Lichtquelle 3 betrachtet. Die beleuchtete un­ verletzte Oberfläche 7 gibt daher der Kamera, insbeson­ dere, wenn sie relativ glatt ist, ein sehr helles Bild. Gleichzeitig ist die Ausrichtung der Lichtquelle rela­ tiv zur Oberfläche 7 des Werkstücks 8 und zum erkennen­ den Objekt 6 (hier Schlag-Buchstabe) derart, daß die Kante 9 im Übergangsbereich von unverletzter Oberflä­ che 7 zu dem Objekt 6 einen deutlichen Schlagschatten 11 mit einer scharfen, durch die Kante 9 bedingten Schlagschattengrenze 12 wirft. Aus der Fig. 2 ist wei­ terhin erkennbar, daß die Ausrichtung der Kamera 1 (und entsprechend auch der Kamera 2) derart ist, daß sie senkrecht zur Schlagschattengrenze 12 steht. Hier­ durch wird erreicht, daß die Kamera den in und durch das Objekt 6 bedingten Schatten deutlich wahrnimmt, insbesondere gegenüber der dem von der unverletzten Oberfläche 7 reflektierten Licht, insbesondere auch bei rauhen Oberflächen. Insbesondere im letzteren Fall ist die zuletzt erörterte Bedingung die wesent­ lichere. Optimal wird man, um beide Bedingungen zu er­ füllen, Lichtquelle und Kamera 1 jeweils unter etwa einem Winkel von 45° zur Werkstückoberfläche 7 aus­ richten. Die Anordnung und Ausrichtung der Kamera 2 und der Lichtquelle 4 relativ zum Objekt 6 erfolgt in entsprechender Weise, lediglich um 90° verdreht rela­ tiv zu einer senkrechten zur Oberfläche 7 des Werk­ stücks 8.

Vorzugsweise werden die Kameras 1 bzw. 2 und die ihnen zugeordneten Lichtquellen 3 bzw. 4 seitlich nacheinan­ der bzw. wechselweise derart angesteuert, daß zunächst beispielsweise die Lichtquelle 3 das Objekt 6 beleuchtet und die Kamera 1 ihre Aufnahme macht und anschließend die Lichtquelle 4 das Objekt 6 beleuchtet und die Kame­ ra 2 aufnimmt. Die aufgenommenen Bilder, die jeweils die vertikalen (Kamera 1) bzw. horizontalen (Kamera 2) Charakteristiken des Objekts beinhalten, werden im fol­ genden separat elektronisch weiterverarbeitet und aus­ gewertet. Die beiden Teilbilder werden in getrennten Bildspeichern oder getrennten Bereichen eines Bildspei­ chers abgelegt. Die charakteristischen Merkmale jedes Teilbildes werden separat ausgewertet, festgestellt und mit vorgegebenen Merkmale für zu kennende Objekte, wie Schlagzahlen und -buchstaben, verglichen, so daß dann das jeweilige Objekt durch Vorliegen der Kombination seiner horizontalen und vertikalen Strukturmerkmale be­ stimmt wird.

Die Fig. 3 zeigt die Darstellung der separaten Aufnah­ men kritischer Zahlen 9, 8 und 0, wobei die Zahlen selbst in der obersten Reihe dargestellt sind. In der zweiten Reihe sind die Bilder der Zahlen in einer "ho­ rizontalen" Betrachtungsrichtung, also senkrecht zur größten Längserstreckung der Zahlen und in der dritten Reihe die Bilder in einer hierzu senkrechten Betrach­ tungsrichtung dargestellt.

Es zeigt sich, daß in der erstgenannten Betrachtungs­ richtung die Ziffern 8 und 9 das gleiche Bild zeigen, während bei der 0 der Mittelstrich fehlt, so daß die 0 gegenüber 8 und 9 hierdurch unterschieden werden kann.

Bei der 9 fehlt gegenüber der 8 der linke untere Teil­ strich, so daß hierdurch eine Unterscheidung zwischen 8 und 9 vorgenommen werden kann.

Claims (17)

1. Vorrichtung zur Erkennung von Unregelmäßigkeiten in Oberflächen, wie von geprägten Zeichen oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens zwei Kameras (1, 2) unter einem endlichen Winkel zueinander ausgerichtet sind und im wesent­ lichen senkrecht auf eine von einer ihnen zugeord­ neten Lichtquelle (3 bzw. 4) bewirkten Schlagschat­ tengrenze gerichtet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kameras (1, 2) unter einem nahezu rech­ ten Winkel zueinander ausgerichtet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Kamera (1 bzw. 2) und zugeordnete Lichtquelle (3 bzw. 4) unter einander entsprechen­ dem Einfalls- und Ausfallswinkel (Glanzwinkel) an­ geordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß den Kameras (1, 2) se­ parate Bildspeicherbereiche zugeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kameras (1, 2) und/ oder die Lichtquellen (3, 4) zeitlich nacheinander ansteuerbar sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (3, 4) in verschiedenen Wellenlängenbereichen strahlen und vor den Kameras (1, 2) jeweils Strahlung des Wellenbereichs der zugeordneten Lichtquelle (3 bzw. 4) durchlassende Filter angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (3, 4) getaktet sind und daß den Kameras (1, 2) elektro­ nische Filter nachgeordnet sind, die für Frequen­ zen der Taktung der zugeordneten Lichtquelle (3 bzw. 4) durchlässig sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (3, 4) polarisierte Lichtquellen sind und daß zwischen jeder Lichtquelle (3 bzw. 4) und oberhalb der Oberfläche ein Polarisator angeordnet ist und daß zwischen beobachteter Oberfläche und jeder Kamera (1, 2) ein weiterer Polarisator angeord­ net ist, der für von der Oberfläche reflektier­ tes Licht der der Kamera jeweils zugeordneten Lichtquelle (3 bzw. 4) transparent ist.

9. Verfahren zum Erkennen von Unregelmäßigkeiten in Oberflächen, wie von geprägten Zeichen oder der­ gleichen, die durch mindestens zwei Lichtquellen beleuchtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Unregelmäßigkeiten aus mindestens zwei unter ei­ nem endlichen Relativwinkel und im wesentlichen senkrecht zu der durch die jeweilige Beleuchtung bewirkten Schlagschattengrenze stehenden Richtun­ gen aufgenommen werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Unregelmäßigkeiten aus Aufnahmerichtungen aufgenommen werden, die relativ zueinander einen rechten Winkel bilden.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Beleuchtung der Unregelmäßigkei­ ten aufweisenden Oberfläche und die Betrachtung unter entsprechendem Einfalls- und Ausfallswinkel erfolgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme der Unregelmäßig­ keiten zeitlich nacheinander erfolgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den verschiedenen Rich­ tungen aufgenommenen Bilder der Unregelmäßigkeiten in separate Bildspeicherbereiche zwischengespei­ chert und separat weiterverarbeitet werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristischen Strukturmerkmale der unter verschiedenen Richtungen aufgenommenen Teil­ bilder der Unregelmäßigkeiten separat mit entspre­ chenden charakteristischen Merkmalen vorgegebener zu erkennender Objekte, wie den Unregelmäßigkeiten, verglichen werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zu betrachtende Oberfläche mit Lichtstrahlung unterschiedlicher Wellenlängen­ bereiche beleuchtet und die reflektierte Licht­ strahlung durch entsprechende unterschiedliche Fil­ ter aufgenommen wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zu beobachtende Oberfläche mit getakteter Lichtstrahlung beleuchtet und das der aufgenommenen Lichtstrahlung entsprechende elek­ tronische Signal derart gefiltert wird, daß Frequen­ zen der Taktung der zugeordneten Lichtstrahlung durchgelassen werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die zu beobachtende Oberfläche mit polarisiertem Licht bestrahlt und in jeder Rich­ tung durch einen Analysator beobachtet wird, der für zugeordnete, von der Oberfläche reflektierte Lichtstrahlung transparent ist.