DE4218971A1

DE4218971A1 - Verfahren zur Kalibrierung eines Bildverarbeitungssystems

Info

Publication number: DE4218971A1
Application number: DE19924218971
Authority: DE
Inventors: Ernst Greten; Robert Prof Dr Ing Massen; Meinrad Simnacher; Erwin Herre; Michael Mittelsdorf
Original assignee: Grecon Greten GmbH and Co KG; Fagus Grecon Greten GmbH and Co KG
Current assignee: Grecon Greten GmbH and Co KG; Fagus Grecon Greten GmbH and Co KG
Priority date: 1992-06-10
Filing date: 1992-06-10
Publication date: 1993-12-23
Anticipated expiration: 2012-06-11
Also published as: WO1993025894A1; FI945743A; DE4218971C2; FI945743A0; EP0645009A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbe griff des Anspruchs 1.

Im Rahmen der Holzver- und -bearbeitung werden in zuneh mendem Maß optische Systeme zur Qualitätskontrolle, Klassifizierung und Sortierung eingesetzt.

Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art (Holz-Zentralblatt, Stuttgart Nr. 10, 23.01.1991, Seite 171) wird die Sortierung von Schnittholz mit Hilfe eines Bildverarbeitungssystems durchgeführt, bei dem mit vier Videokameras alle Flächen des Schnittholzes im schnellen Durchgang geprüft werden. Die Kamerasignale werden von einem Bildrechner ausgewertet, der eine Kappsäge so ansteuert, daß Teile ungenügender Qualität aus dem Schnittholz herausgetrennt werden. Die Einstellung und Ausrichtung der vier Kameras sowie die Kalibrierung eines solchen Systems bereiten Schwierigkeiten und sind bisher noch ungenügend gelöst. Verändert sich z. B. die Dimension des zu prüfenden Schnittholzes, müssen in der Regel alle vier Kameras mechanisch verstellt, ihre Optiken neu justiert, die unterschiedlichen Beleuchtungs intensitäten korrigiert und die Ausrichtung der Kameras zueinander neu justiert werden. Dies erfordert einen erheblichen Zeitaufwand von bis zu einem Tag und bedeutet damit auch einen wirtschaftlichen Verlust, da während diese Umstelldauer die Anlage nicht nutzbringend betrie ben werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kalibrie rung eines Bildverarbeitungssystems zu beschleunigen, zu vereinfachen und zu verbessern.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Als Kameras können Matrix- oder Zeilenkameras verwendet werden. Das Verfahren eignet sich besonders für die Prüfung von Schnittholz und Spanplatten. Das Verfahren ermöglicht eine schnelle, zumindest teilautoma tische Kalibration eines Bildverarbeitungssystems für die automatische Inspektion der Prüflinge. Durch Einsatz von Einstellhilfen kann eine beschleunigte und selbsttä tige Einstellung und Kalibrierung eines solchen Systems erfolgen. Es erfolgt eine rechnergestützte Auswertung der Bilder der Musterfelder und eine entsprechend schnel le und sichere Kalibrierung der Kameras.

Gemäß Anspruch 2 können bei Schnittholz z. B. alle vier Seiten des Prüflings inspiziert werden. Vorzugsweise sind dann vier Kameras vorgesehen, von denen jede auf eine Seite des Prüflings gerichtet ist. Der Kalibrations körper kann z. B. in Betriebspausen durch die Prüfstation geschickt werden, wenn also gerade kein Prüfling die Kameras passiert. Dann steht mehr Rechnerzeit für die Kalibrierung zur Verfügung.

Die Kalibrierung gemäß Anspruch 3 kann kontinuierlich oder in kurzen Abständen erfolgen. Bei der intermittie renden Re-Kalibrierung kann man auch in diesem Fall mit Vorteil Betriebspausen ausnutzen, um dann mehr Rechner zeit zur Verfügung zu haben.

Das Vorgehen gemäß Anspruch 4 kann in vielen Fällen einen gesonderten Kalibrationskörper und dessen perio dischen Durchlauf durch die Prüfzone erübrigen. Auch hier kann die Re-Kalibrierung ohne Unterbrechung des Prüfbetriebs durchgeführt werden.

Die Merkmale jedes der Ansprüche 5 bis 11 kennzeichnen vorteilhafte Schritte zur radiometrischen Kalibrierung.

Die Merkmale jedes der Ansprüche 12 bis 18 lassen sich mit Vorteil zur geometrischen Kalibrierung einsetzen.

Gemäß Anspruch 13 können als Hell/Dunkel-Struktur z. B. periodische Strichmuster, hochfrequente zufällige Punkt muster, pseudo-zufällige Binärmuster und ähnliche hoch frequente Muster mit vielen Hell/Dunkel-Kantenübergängen Verwendung finden.

Der Zwischenstreifen gemäß Anspruch 14 ist vorzugsweise von definierter Helligkeit oder Farbe.

Die Einstellung gemäß Anspruch 16 kann z. B. manuell oder motorisch über Linearverstelleinrichtungen erfolgen.

Gemäß Anspruch 17 können bei mehreren Kameras alle optischen Achsen durch einen gemeinsamen Punkt auf der Längsachse des Prüflings verlaufen.

Gemäß Anspruch 18 kann die Periode in an sich bekannter Weise mit hoher Genauigkeit aus dem Fourierspektrum oder aus der Autokorrelationsfunktion des Helligkeitssignals berechnet werden. Beide Verfahren erlauben die Bestimmung der Periode mit einer Genauigkeit von typisch 1/100 Bildpunkt.

Die Merkmale des Anspruchs 19 oder 20 sind mit Vorteil bei der kolorimetrischen Kalibrierung einzusetzen. Die Bestimmung der Transformation des Farbraums kann z. B. in vorgegebenen Zeitabständen erfolgen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbei spielen anhand der Zeichnungen. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch den Aufbau einer Prüfstation mit vier Beleuchtungsvorrichtungen, vier auf ein Schnittholz gerichteten Zeilenkameras sowie einem Bildrechner,

Fig. 2 einen Kalibrationskörper, der mit zur radiome trischen, geometrischen und kolorimetrischen Kalibrierung geeigneten Musterfeldern versehen ist,

Fig. 3 einen Prüfling, auf dessen eine Fläche die Muster felder gemäß Fig. 2 durch einen Projektor projiziert werden,

Fig. 4 bis 8 jeweils Auswertungen der aus Musterfeldern zur radiometrischen Kalibrierung gewonnenen Signale,

Fig. 9 bis 15 jeweils Auswertungen der aus Musterfeldern zur geometrischen Kalibrierung gewonnenen Signale,

Fig. 16 eine Anbringungsart von Kameras bei der Schnitt holzprüfung und

Fig. 17 eine Anbringungsart von Kameras bei der Span plattenprüfung.

Gemäß Fig. 1 wird in einer Prüfstation 1 ein Prüfling 2, in diesem Fall Schnittholz, in einer Vorschubrichtung 3 bewegt.

Ein Bildverarbeitungssystem 4 soll in diesem Fall alle vier Seiten des Prüflings 2 auf bestimmte Fehler 5, wie Risse, Knoten, Äste, Randausbrüche, Harzgallen, Blau- und Rotfäule, untersuchen. Dazu sind auf jede Fläche des Prüflings 2 eine Beleuchtungsvorrichtung 6 und eine Zeilenkamera 7 gerichtet. Jede Kamera 7 erfaßt einen strichförmigen Ausschnitt 8 der Oberfläche des Prüflings 2 in einer zu der Vorschubrichtung 3 rechtwinkligen Ebene.

Der Prüfling 2 bewegt sich mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit von bis zu mehreren m/s, z. B. 1 bis 2 m/s. Um zu robusten und absoluten Meßwerten zu gelangen, ist es erforderlich, daß alle vier Kameras 7 richtig ausgerichtet sind (üblicherweise rechtwinklig zur Vor schubrichtung 3), daß ihre Abbildungsmaßstäbe und ihre Fokussierung identisch sind, daß ihre Empfindlichkeit im Grauwert- oder Farbbild identisch ist, und daß die Beleuchtungsstärke und -verteilung identisch sind.

Diese Kalibrierungen sind besonders dann wichtig, wenn die Bilder 9 der Zeilenkameras 7 vor ihrer Auswertung zu einem der Abwicklung entsprechenden Panoramabild 10 zusammengesetzt werden, so daß ein Bildrechner 11 die gleichen Algorithmen auf die Bildpunkte aller vier Zeilenkameras 7 anwenden kann.

Erfindungsgemäß können anstelle der Zeilenkameras 7 auch Matrixkameras eingesetzt werden. Je nach der Prüfaufgabe sind Schwarz/Weiß-Kameras oder Farbkameras einzusetzen.

Die Kalibrierung des Bildverarbeitungssystems 4 ist unterteilt in eine radiometrische, eine geometrische und eine kolorimetrische Kalibrierung.

Die radiometrische Kalibrierung

Hierunter versteht man alle diejenigen Einstellungen, die erforderlich sind, um eine korrekte und stabile Umwandlung von Lichtsignalen in dazu proportionale elektrische Signale zu erreichen. Die radiometrische Kalibrierung betrifft in dem vorliegenden Beispiel im einzelnen folgende Schritte:
Die Bestimmung der Beleuchtungsintensität entlang der Bildpunktzeile zur Erfassung der absoluten Lichtver teilung und des Randabfalls,
die Bestimmung der Empfindlichkeit aller Bildpunkte entlang der Bildpunktzeile und die Einstellung von Nullpunkt und Verstärkung des analogen Videoverstärkers und des Analog/Digital- Wandlers jeder Kamera.

Diese Kalibrierung wird dadurch durchgeführt, daß gemäß Fig. 4 ein Zeilenprofil 12 von einer Vorlage mit bekann tem Grauwert aufgenommen und hieraus für jeden Bildpunkt die z. B. lineare Transformationsvorschrift

x(i)_soll = a (i) + b (i)·x(i)_ist [1]

ermittelt wird. Hierbei stellt x(i) das elektrische Ausgangssignal des Bildpunktes mit dem Index i dar. x_ist ist der nicht korrigierte Wert, x_soll der korrigierte Wert. Der Koeffizient a(i) gibt die erforderliche Null punktverschiebung, der Koeffizient b(i) die erforderliche (positive oder negative) Verstärkung des elektrischen Signals des Bildpunktes i an, die erforderlich ist, um aus dem Ist-Wert den gewünschten Soll-Wert zu erhalten. Um die beiden unbekannten Koeffizienten a und b zu bestimmen, muß der Bildpunkt nacheinander zwei Musterfel der 13 und 14 (Fig. 2 und 8) mit bekannter, unterschied licher Helligkeit beobachten. Die Musterfelder 13, 14 werden zweckmäßigerweise so gewählt, daß sie im mittle ren, von der Zeilenkamera 7 erfaßten Helligkeitsbereich liegen. Dabei ist das Musterfeld 13 etwas heller als das Musterfeld 14.

In Fig. 5 ist am Beispiel einer der Zeilenkameras 7 ein in diesem Fall als Bildpunktzeile ausgebildeter Bildsen sor 15 mit einzelnen Bildpunkten 16 dargestellt. Die elektrischen Ausgangssignale jedes Bildpunkts 16 werden über ein Schaltglied 17 seriell abgefragt, durch einen analogen Videoverstärker 18 nachverstärkt und danach in einen Analog/Digital-Wandler 19 eingegeben.

Durch die Tatsache, daß jeder Bildpunkt 16 nacheinander die beiden Musterfelder 13, 14 betrachtet, ist sicherge stellt, daß alle Bildpunkte 16 trotz dort noch fehlender Nullpunkt- und Verstärkungseinstellung der analogen Videoverstärker 18 und der Analog/Digital-Wandler 19 einen Wert abgeben, der noch im Aussteuerungsbereich der analogen Videoverstärker 18 und der Analog/Digital- Wandler 19 liegt.

Durch Auflösen des linearen Gleichungssystems

x1(i)_soll = a(i) + b(i)·x1(i)_ist
x2(i)_soll = a(i) + b(i)·x2(i)_ist [2]

wird für jeden Bildpunkt i (bzw. 16) das Koeffizienten paar a(i) und b(i) und damit die für jeden Bildpunkt individuelle Transformationsvorschrift bestimmt, die erforderlich ist, um die individuelle Nullpunktverschie bung (d. h., den individuellen Dunkelstrom) und die individuelle Empfindlichkeit (d. h., den Umwandlungsfaktor von Strahlungsleistung in elektrische Spannung) des Bildpunktes auf den Sollwert zu korrigieren.

Die Transformationsvorschrift nach Gleichung [1] kann vorteilhafterweise durch ein Tabellenrechenwerk nach Fig. 5 durchgeführt werden. Die Tabelle 20 wird mit dem Adressierzeiger 21 vom Index i und mit dem Adressierzei ger 22 vom Grauwert x(i)_ist des Bildpunktes i (bzw. 16) adressiert. Unter jeder dieser Adressen wird in der Kalibrationsphase der korrigierte Ausgangswert x(i)_soll abgespeichert, der sich ergibt, wenn ein Bildpunkt i einen Helligkeitswert X_ist erzeugt. Diese Berechnung erfolgt durch den Bildrechner 11 (Fig. 1), der die beiden Helligkeitswerte x1(i)_soll und x2(i)_soll für jeden Bildpunkt abspeichert, hieraus die Koeffizienten a(i) und b(i) nach dem Gleichungssystem [2] berechnet und die Tabelle 20 nach der Vorschrift der Gleichung [1] füllt. Der Vorteil dieses Tabellenrechenwerks ist, daß keine weitere arithmetischen Prozessoren, wie Multipli zierer und Akkumulatoren, erforderlich sind und die Transformationsvorschrift in Echtzeit im Bildpunkt-Takt durchgeführt werden kann.

Die Kalibrierungsmarkierungen für diesen Schritt der radiometrischen Kalibrierung bestehen, wie erwähnt, aus den beiden Musterfeldern 13, 14 mit jeweils einem gleich mäßigen und bekannten, aber voneinander unterschiedlichen Helligkeitswert. Diese beiden Helligkeitswerte sollen im sicheren Aussteuerungsbereich der Zeilenkameras 7 liegen.

Die Korrektur der unterschiedlichen Empfindlichkeit und des unterschiedlichen Nullpunkts der Bildpunkte 16 des Bildsensors 15 (Fig. 5) umfaßt gleichzeitig die Korrektur des durch die optischen Gesetzmäßigkeiten bewirkten Randabfalls der Helligkeit (der sog. Vignettierung), da dieser Randabfall sich wie eine geringere Empfindlichkeit der am Rand des Bildfeldes angeordneten Bildpunkte 16 auswirkt.

Der nächste Schritt der radiometrischen Kalibrierung, nämlich die Nullpunkt- und die Verstärkungseinstellung des Videoverstärkers 18 und des Analog/Digital-Wandlers 19 jeder Zeilenkamera 7, wird dadurch durchgeführt, daß alle Bildpunkte i (bzw. 16) nacheinander jeweils gleich zeitig auf ein sehr dunkles Musterfeld 23 (Fig. 2, 6 und 8) mit konstantem Helligkeitswert und dann auf ein sehr helles Musterfeld 24 (Fig. 2, 7 und 8) mit ebenfalls konstantem Helligkeitswert gerichtet werden.

Gemäß Fig. 6 wird bei Betrachtung des sehr dunklen Musterfeldes 23 der Nullpunkt so eingestellt, daß nach dem Analog/Digital-Wandler 19 alle Bildpunkte i einen kleinen, am unteren Aussteuerungsbereich liegenden numerischen Wert erzeugen, der in Fig 6 durch den Kurvenzug 25 dargestellt ist. Bei der Betrachtung des sehr hellen Musterfeldes 24 wird die Verstärkung so eingestellt, daß alle Bildpunkte i einen größeren, am oberen Aussteuerungsbereich liegenden numerischen Wert erzeugen, der im Zusammenhang in Fig. 7 durch den Kurven zug 26 dargestellt ist.

Da alle drei Einstellungen (Bildpunktempfindlichkeit, Nullpunkt und Verstärkung) sich gegenseitig beeinflussen, wird nach einer Ausführungsform der Erfindung dieses dreistufige Verfahren so lange iteriiert, bis eine gewünschte Aussteuerung aller Bildpunkte i (bzw. 16) erreicht ist, d. h. bis der numerische Ausgangswert aller Bildpunkte bei der Betrachtung einer homogenen Fläche, z B. des Musterfelds 13 oder 14, einen Wert annimmt, der ausreichend nahe an dem gewünschten Wert x_soll liegt.

Fig. 8 zeigt einen beispielhaften Ablauf einer solchen Iteration. Dabei kommt den einzelnen Kästen folgende Bedeutung zu: 27 = Start der radiometrischen Kalibration; 28 = Bildpunktempfindlichkeit; 29 = Nullpunkt; 30 = Verstärkung; und 31 = Helligkeitsprofil ausreichend homogen und im richtigen Wertebereich?

In allen Zeichnungsfiguren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszahlen versehen.

Fig. 2 zeigt einen Kalibrationskörper 32, der zweckmäßi gerweise die gleiche Querschnittsform wie der Prüfling 2 aufweist und anstelle des Prüflings durch die Prüfstation 1 (Fig. 1) bewegt wird, wenn das Bildverarbeitungssystem 4 kalibriert werden soll. Auf jede der vier Seiten des Kalibrationskörpers 32 sind in Gestalt umlaufender Streifen die Musterfelder 13, 14, 23, 24 aufgebracht.

Anstelle des Kalibrationskörpers 32 kann auch gemäß Fig. 3 vorgegangen werden. Dort wird innerhalb der Prüfstation 1 auf wenigstens eine Fläche des Prüflings 2 mittels eines Projektors 33 die gleiche Anordnung von Musterfel dern, z. B. 13, projiziert. Die Zeilenkamera 7 nimmt anstelle einer Fläche des Kalibrationskörpers 32 (Fig. 2) in Fig. 3 das so projizierte Bild von dem Prüfling 2 selbst auf. Die Auswertung der von den Musterfeldern gewonnenen elektrischen Signale erfolgt dann in der gleichen Weise wie mit dem Kalibrationskörper 32.

Die geometrische Kalibrierung

Dazu gehören folgende Kalibrationsschritte:

a) Die Bestimmung der Abbildungsschärfe (Fokuskalibrie rung).
Hierzu wird nach Fig. 9 ein periodisches Strichmuster 34 in das Sichtfeld der Zeilenkameras 7 gebracht und ein Kontrastmaß aus dem Helligkeitsprofil bestimmt. Dieses Kontrastmaß K kann z B. aus der Summe der Betragsdifferenzen benachbarter Bildpunkthelligkeiten bestehen: K = Σ|x(i)-x(i+1)| [3].Das in Fig. 10 gezeigte Kontrastmaß K ist maximal, wenn das Objektiv der zugehörigen Zeilenkamera 7 scharf eingestellt ist. Die Fokuseinstellung der Objektive wird dann so lange automatisch oder manuell fortgesetzt, bis ein gewünschtes Kontrast-Soll-Maß erreicht ist. Andere von Gleichung [3] abweichende Kontrastmaße sind dem Fachmann der Bildverarbeitung bekannt und brauchen daher hier nicht weiter erwähnt zu werden.
Die Markierung zur Fokus-Kalibrierung besteht in jedem Fall aus einem hochfrequent hell/dunklen Muster feld. Das Musterfeld 34 mit dem periodischen Strich muster ist hierfür eine ausreichende, aber nicht die einzig mögliche Ausführung. Andere Ausführungen können z. B. hochfrequente zufällige Punktmuster, pseudo-zufällige Binärmuster und ähnliche hochfrequen te Muster mit vielen Hell/Dunkel-Kantenübergängen sein.
b) Die Ausrichtung der Zeilenkameras
Eine weitere geometrische Einstellung besteht in der Ausrichtung aller vier Zeilenkameras 7 derart, daß sie rechtwinklig zum Prüfling 2 ausgerichtet sind und zueinander entweder in der gleichen Beobachtungsebene oder um definierte Abstände in der Vorschubrichtung 3 versetzt liegen. Hierzu wird nach Fig. 11 z. B. ein Musterfeld 35 (s. auch Fig. 2) verwendet, das zwei zur Abtastrichtung parallele, im Abstand voneinander angeordnete, verhältnismäßig dunkle Streifen 36 und 37 und einen dazwischen angeordneten, helleren Zwi schenstreifen 38 aufweist. Die Streifen 36 bis 38 müssen jeweils mindestens die Breite der Abbildung 39 des Bildsensors 15 auf dem Kalibrationskörper 32 (Fig. 2) oder dem Prüfling 2 (Fig. 3) aufweisen.
Ist die betreffende Zeilenkamera 7 nicht korrekt ausgerichtet, schneidet die Abbildung 39 einen der beide Streifen 36, 37. Dann ergibt sich das in Fig. 11 unten eingezeichnete Profil der Ausgangsspan nung. In diesem Fall erfolgt die Ausrichtung der Zeilenkamera 7 durch manuelle oder motorische Verschiebung, Drehung und Kippung so lange, bis das Zeilenprofil gemäß Fig. 12 homogen ist und nur den Zwischenstreifen 38 erfaßt. Der Zwischenstreifen 38 ist zweckmäßigerweise von definierter Helligkeit bzw. definierter Farbe.
c) Der Abbildungsmaßstab
Eine weitere geometrische Kalibrierung besteht in der Bestimmung des Abbildungsmaßstabes, d. h. der Anzahl von Bildpunkten je mm, für jede Zeilenkamera 7. Hierzu wird die bekannte Periode des unter a) erwähnten, für die Fokuskalibrierung bereits eingesetzten Musterfeldes 34 mit dem periodischen Strichmuster ausgemessen und die Periode der Hell/Dunkel-Struktur im digitalisierten helligkeitssignal bestimmt. Es ist bekannt, diese Periode mit hoher Genauigkeit aus dem Fourierspektrum (Fig. 14) oder aber aus der Autokorre lationsfunktion des Helligkeitssignals (Fig. 15) zu berechnen. Im Fall der Fig. 14 ist die Ortsfrequenz, die aus dem Strichmuster 34 entsteht, proportional zu seiner Schrittweite, nämlich 1/d₀. Beide Verfahren sind dem Fachmann der Bildverarbeitung an sich bekannt und erlauben die Bestimmung der Periode mit einer Genauigkeit von typisch 1/100 Bildpunkt.

Die kolorimetrische Kalibrierung

Bei der Verwendung von Farbkameras 7 muß sichergestellt werden, daß unabhängig von der Drift der Kameraelektronik und der Alterung der Beleuchtung ein möglichst absolut treues Farbsignal gewonnen werden kann. Eine Veränderung der analogen Kameraelektronik oder in der Farbtemperatur der Beleuchtung bedeutet ein Wegwandern aller Farbvekto ren. Dies entspricht einer affinen Transformation der ursprünglichen Farbvektoren, d. h., die Farbvektoren verändern ihre Lage durch Rotation und Skalierung. Ein solches Wegwandern kann korrigiert werden, wenn diese affine Transformation bekannt ist.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird jede Farbkamera 7 dadurch kalibriert, daß in einer ersten Phase die Farbvektoren von mindestens vier Farbreferenzen F_soll(n) gemessen werden. F_soll(n) bezeichnet den Farb vektor, bestehend aus den Farbkomponenten [Rot_soll, Grün_soll, Blau_soll] der Farbreferenz mit dem Index n. Üblich ist z. B. die Verwendung von n=4 Farbreferenzen, z. B. Grün, Gelb, Rot und Blau. Dafür geeignete ultra stabile Farbreferenzen werden z. B. von der Minolta Camera Co., Ltd, 30 2-Chome, Azuchi-Machi, Higashi-Ku, Osaka 514, Japan, und der Firma Labsphere Inc., P.O. Box 70, North Futton, N.H. 03260, USA, angeboten.

Zur Re-Kalibrierung der Farbkamera 7 werden in bestimmten Abständen diese Farbreferenzen wieder nachgemessen. Infolge der erwähnten Driften mißt der Bildrechner 11 nunmehr die Ist-Farbreferenzvektoren F_ist (n), die mit den Soll-Farbvektoren über eine affine Transformation verknüpft sind. Diese Transformation kann in Form einer Multiplikation der Soll-Farbvektoren durch eine Transfor mationsmatrix T ausgedrückt werden:

F_ist(n) = F_soll(n)·T [4].

T ist eine 3 mal 4-Matrix mit 12 unbekannten Koeffizien ten. Durch das Ausmessen von n = 4 Farbreferenzen mit jeweils 3 Farbvektorkomponenten ergeben sich durch Umstellung von Gleichung [4] und Auflösen nach T 12 lineare Gleichungen, deren Lösungen die 12 unbekannten Koeffizienten der Matrix T sind. Damit sind T und T^-1 bekannt. Werden alle beobachteten Farbvektoren F_ist(i) der Oberfläche des Prüflings 2 mit T^-1 multipliziert, erhält man die korrigierten Farbvektoren F_soll(i), die derjenigen Farbe entsprechen, die sich bei einer Farbka mera 7 ohne Drift und bei einer Beleuchtung ohne Verän derung der Beleuchtungsintensität und -temperatur ergeben würden:

F_soll(i) = F_ist(i)·T^-1 [5].

Dies entspricht der Re-Kalibrierung des gesamten Farb systems.

Zu diesem Zweck sind in den Fig. 2 und 3 jeweils Muster felder 40 mit jeweils einer blauen 41, grünen 42, gelben 43 und roten Farbreferenz 44 eingezeichnet.

Diese Re-Kalibrierung wird in periodischen Abständen durch Ausmessen von mindestens vier Farbreferenzen und durch Berechnung der inversen Transformationsmatrix durchgeführt. Die mathematischen Grundlagen der Matrizen- und geometrischen Transformations-Mathematik sind dem Fachmann bekannt und brauchen hier nicht weiter verdeut licht zu werden.

Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden alle gemessenen Bildpunkte vor der eigentlichen Bildauswertung mit Hilfe eines Farbraumtransformations-Rechenwerks nach Gleichung [5] transformiert. Solche Rechenwerke existieren in Form spezieller Matrix-Multiplizier-Bausteine für die Echtzeit-Farbraum-Transformation und werden z. B. von der Brooktree Corporation, 9950 Barnes Canyon Rd., San Diego, CA 92121-2790, USA, und der Firma TRW LSI Products Inc., P.O. Box 2472, La Jolla, CA 92038, USA, herge stellt.

Zur Kalibrierung kann der Kalibrationskörper 32 (Fig. 2) oder der das wenigstens eine Projektionsbild mit den Musterfeldern tragende Prüfling 2 gemäß Fig. 3 zonenwei se automatisch oder manuell sowie kontinuierlich oder schrittweise durch das Bildfeld der Zeilenkameras 47 bewegt werden. Dabei werden im Bildrechner 11 die einzel nen Kalibrationsberechnungen durchgeführt. Beim konti nuierlichen Durchlauf können die Zonen zwischen den einzelnen Musterfeldern so ausgelegt sein, daß sie als optische Triggersignale dienen.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung können einige der vorerwähnten Musterfelder, z. B. die Farbreferenzen 41 bis 44, permanent am Rande des Bildfeldes der Kamera 7 eingeblendet werden. Auf diese Weise kann in kurzen Abständen oder kontinuierlich und in jedem Fall ohne Unterbrechung des laufenden Prüfbetriebs die Re-Kalibrie rung durchgeführt werden. Bei der intermittierenden Re- Kalibrierung kann man mit Vorteil die Re-Kalibrierung in Betriebspausen durchführen, wenn also gerade kein Prüf ling die Kameras 7 passiert. In diesen Betriebspausen steht grundsätzlich mehr Rechnerzeit zur Verfügung. Zwar beschränkt sich in diesem Fall die Kalibrierung auf die betroffenen Bildpunkte am Rande des Bildfeldes, jedoch kann durch diese Art der Re-Kalibrierung die vorerwähnte Grundkalibrierung in vorteilhafter Weise ergänzt werden.

Fig. 16 zeigt die Anordnung der Zeilenkameras 7 an einem rahmenartigen, stabilen Träger 45. Jede Zeilenkamera 7 ist relativ zu dem Träger 45 dreidimensional einstellbar, wobei eine Dimension 46 parallel zu der Vorschubrichtung 3, eine weitere Dimension 47 waagerecht und die dritte Dimension 48 senkrecht verläuft. Optische Achsen 49 der Zeilenkameras 7 sind rechtwinklig zu der Vorschubrich tung 3 angeordnet und schneiden in einem Punkt 50 die Längsachse 51 des Prüflings 2.

Die vorerwähnte dreidimensionale Einstellung jeder Zeilenkamera 7 kann z. B. über eine an sich bekannte Mehrfachschlittenführung entweder manuell oder - durch den Bildrechner 11 gesteuert - motorisch erfolgen.

Die Prüfstation 1 gemäß Fig. 17 ist für die Prüfung von als Spanplatten ausgebildeten Prüflingen 2 bestimmt. In diesem Fall werden nur eine obere Fläche 52 und eine untere Fläche 53 des Prüflings 2 durch je zwei Zeilen kameras 7,7 inspiziert. Die strichförmigen Ausschnitte 8 jedes dieser Zeilenkamerapaare 7,7 erstrecken sich quer zur Vorschubrichtung 3 des Prüflings 2, stoßen aneinander an und fluchten miteinander.

Je nach der Breite der Spanplatten kann die Inspektion der oberen Fläche 52 und der unteren Fläche 53 mit jeweils nur einer Zeilenkamera 7 oder mehr als zwei Zeilenkameras 7 erfolgen. Bei Bedarf können auch Seiten flächen 54 und 55 des Prüflings 2 durch jeweils eine Zeilenkamera 7 entsprechend Fig. 16 inspiziert werden. Auch diese Zeilenkameras würden dann an dem rahmenarti gen, starren Träger 45 in der gleichen Weise montiert und verstellbar sein wie die in Fig. 17 eingezeichneten Zeilenkameras 7.

Die gemäß Fig. 17 zu prüfenden Spanplatten können roh oder mit Laminaten oder Folie beschichtet sein. Auch im Fall der Fig. 17 findet die Kalibration des Bildverar beitungssystems 4 in der gleichen Weise statt, wie zuvor im Zusammenhang mit der Prüfung von Schnittholz beschrie ben.

Claims

1. Verfahren zur Kalibrierung eines Bildverarbeitungs systems (4) für die optische Prüfung von ganz oder teilweise aus Holz bestehenden Prüflingen (2), mit folgenden Schritten:

a) Von dem Bildverarbeitungssystem (4) wird mit wenigstens einer Kamera (7) ein Bild des Prüflings (2) aufgenommen und durch einen Bildsensor (15) der Kamera (7) in zu den Lichtsignalen proportiona le elektrische Bildsignale umgewandelt,
b) die Bildsignale werden von einem Bildrechner (11) ausgewertet,
c) der Bildrechner (11) steuert Funktionen zur Verwer tung der Prüflinge (2), und
d) jeder Bildsensor (15) wird nach Bedarf kalibriert,
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
A) Zur radiometrischen und/oder geometrischen und/oder kolorimetrischen Kalibrierung jedes Bildsensors (15) werden im Blickfeld des Bildsensors (15) Musterfelder (13, 14, 23, 24, 34, 35, 40) von Hellig keits- und/oder Linien- und/oder Struktur- und/oder Farbmustern angeordnet,
B) die im Schritt A) erhaltenen Bildsignale der Musterfelder werden zur Gewinnung von Kalibrations daten durch den Bildrechner (11) ausgewertet, und
C) die im Schritt B) gewonnenen Kalibrationsdaten werden zur Kalibrierung des jeweiligen Bildsensors (15) verwendet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Musterfelder für jeden Bildsensor (15) auf einen Kalibrationskörper (32) aufgebracht werden, daß dem Kalibrationskörper (32) zumindest annähernd die Querschnittsform der Prüflinge (2) gegeben wird, und daß die Musterfelder nacheinander in das Blickfeld des zugehörigen Bildsensors (15) bewegt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Musterfelder am Rand des Bildfeldes jeder Kamera (7) eingeblendet werden, und daß mit den so gewonnenen Kalibrationsdaten die Kalibrierung jedes Bildsensors (15) ohne Unterbrechung des Prüfbetriebs durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Musterfelder mit einem Projektor (33) auf eine dem jeweiligen Bildsensor (15) zugeordnete Fläche des Prüflings (2) projiziert werden, und daß die projizierten Bilder der Musterfelder nacheinander in das Blickfeld des zugehörigen Bildsensors (15) bewegt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur radiometrischen Kalibrierung Musterfelder (13, 14, 23, 24) mit jeweils bekannter und homogener, aber unterschiedlicher Helligkeit verwen det werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Helligkeitssignalen von Musterfeldern (13, 14) für jeden Bildpunkt (i;16) eine individuelle Transformationsvorschrift durch den Bildrechner (11) berechnet wird, um die individuelle Nullpunktverschie bung und die individuelle Empfindlichkeit des Bildpunk tes (i;16) auf einen Sollwert zu korrigieren.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß jedem Bildpunkt (i;16) nacheinander zwei Muster felder (13, 14) unterschiedlicher Helligkeitswerte im mittleren, von der zugehörigen Kamera (7) erfaßten Helligkeitsbereich gezeigt werden,
daß durch den Bildrechner (11) das lineare Gleichungs system aufgelöst wird: x1(i)_soll=a(i)+b(i)·x1(i)_ist,
x2(i)_soll=a(i)+b(i)·x2(i)_ist,worin x1(i) und x2(i) die elektrischen Ausgangssigna le des Bildpunktes (16) mit dem Index i bei Betrach tung der beiden Musterfelder (13, 14), sowie der Koeffizient a(i) die Nullpunktverschiebung und der Koeffizient b(i) die Verstärkung des elektrischen Ausgangssignals darstellen, die erforderlich sind, um aus dem Ist-Wert den gewünschten Soll-Wert zu erhal ten, und
daß durch diese Auflösung für jeden Bild punkt i das Koeffizientenpaar a(i) und b(i) und damit die individuelle Transformationsvorschrift bestimmt wird, um die individuelle Nullpunktverschiebung und die individuelle Empfindlichkeit des Bildpunkts (i;16) auf den gewünschten Sollwert zu korrigieren.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Transformationsvorschrift durch ein Tabellen rechenwerk durchgeführt wird,
daß die Tabelle (20) sowohl vom Index i als auch vom Grauwert x(i)_ist jedes Bildpunktes (i;16) adressiert wird,
daß in der Kalibrationsphase unter jeder dieser Adressen die korrigierten Werte x1(i)_soll und x2(i)_soll des elektrischen Ausgangssignals abgespeichert wer den, und
daß durch den Bildrechner (11) aus diesen korri gierten Werten die Koeffizienten a(i) und b(i) berech net werden und die Tabelle (20) entsprechend gefüllt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf diese Weise auch der durch die optischen Gesetzmäßigkeiten bedingte Randabfall der Helligkeit (die sogenannte Vignettierung) korri giert wird, der sich wie eine geringere Empfindlich keit der am Rand des Bildfeldes angeordneten Bildpunk te (i;16) auswirkt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß alle Bildpunkte (i;16) jedes Bildsensors (15) nacheinander jeweils gleichzeitig auf ein sehr dunkles Musterfeld (23) mit konstantem Helligkeitswert und auf ein sehr helles Musterfeld (24) mit konstantem Helligkeitswert gerichtet werden,
daß bei Betrachtung des sehr dunklen Musterfelds (23) der Nullpunkt des Videoverstärkers (18) so eingestellt wird, daß nach dem Analog/Digital-Wandler (19) alle Bildpunkte (i;16) einen verhältnismäßig kleinen, am unteren Ende des Aussteuerungsbereichs liegenden numerischen Wert (25) erzeugen, und
daß bei Betrachtung des sehr hellen Musterfelds (24) die Verstärkung des Videoverstärkers (18) so eingestellt wird,
daß nach dem Analog/Digital-Wandler (19) alle Bildpunkte (i;16) einen verhältnismäßig großen, am oberen Ende des Aussteuerungsbereichs liegenden numerischen Wert (26) erzeugen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahren zur Kalibrierung der Bildpunkt empfindlichkeit sowie des Nullpunkts und der Verstär kung des Videoverstärkers (18) und des Analog/Digital- Wandlers (19) für jeden Bildsensor (15) so lange iteriert (Fig. 8) werden, bis eine gewünschte Aus steuerung aller Bildpunkte (i;16) erreicht ist, d. h., bis das elektrische Ausgangssignal aller Bildpunkte (i;16) bei der Betrachtung eines Musterfelds mit homogenem Helligkeitswert einen numerischen Wert annimmt, der ausreichend nahe an dem gewünschten Wert x_soll liegt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur geometrischen Kalibrierung Musterfelder (34) mit periodischen Hell/Dunkel- Strukturen verwendet werden, und daß aus den elektri schen Ausgangssignalen der Bildpunkte (i;16) bei der Betrachtung dieser Musterfelder (34) Einstellwerte für die Abbildungsschärfe und/oder die Ausrichtung und/oder der Abbildungsmaßstab jeder Kamera (7) durch den Bildrechner (11) berechnet werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kalibrierung der Abbildungsschärfe ein Muster feld (34) mit einer hochfrequenten Hell/Dunkel- Struktur verwendet und aus dem Helligkeitsprofil ein Kontrastmaß (K) bestimmt wird, und daß die Fokusein stellung des Objektivs der zugehörigen Kamera (7) so lange fortgesetzt wird, bis ein gewünschtes Soll- Kontrastmaß erreicht ist.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Ausrichtung jeder als Zeilenkamera (7) ausgebildeten Kamera ein Musterfeld (35) mit zwei parallel zur Abtastrichtung angeordneten Streifen (36, 37) und einem dazwischen angeordneten Zwischen streifen (38) mit von den beiden Streifen (36, 37) abweichender Helligkeit verwendet wird, und daß die Kamera (7) so lange ein- bis dreidimensional justiert wird, bis eine Abbildung (39) des Bildsensors (15) parallel zu den Streifen (36, 37) in dem Zwischenstrei fen (38) liegt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kamera (7) so ausgerichtet wird, daß ihre optische Achse (49) zumindest annähernd rechtwinklig zu einer Vorschubrichtung (3) des Prüf lings (2) angeordnet ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kamera (7) in wenigstens einer von drei zueinander rechtwinkligen Koordinaten (46, 47, 48) relativ zu einem starren Träger (45) eingestellt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekenn zeichnet, daß jede Kamera (7) so ausgerichtet wird, daß ihre optische Achse (49) zumindest annähernd die Längsachse (51) des Prüflings (2) schneidet.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Abbildungsmaß stabs jeder Kamera (7), d. h. der Anzahl der Bildpunk te (16) je mm, die bekannte Periode einer Hell/Dunkel- Struktur eines Musterfelds (34) ausgemessen und die Periode der Hell/Dunkel-Struktur im digitalisierten Helligkeitssignal bestimmt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur kolorimetrischen Kalibrierung Musterfelder (40) mit wenigstens vier Farbreferenzen (41 bis 44) verwendet werden, daß die Farbvektoren der Farbreferenzen gemessen und als Soll-Referenzwer te in einem Soll-Speicher abgespeichert werden, daß die Ist-Farbreferenzwerte nachgemessen werden, daß die Transformation des Farbraums von den Soll-Referenz werten zu den jeweiligen Ist-Referenzwerten bestimmt wird, und daß alle Farbvektoren der Signale der Bildpunkte (16) jedes Bildsensors (15) dieser Trans formation unterworfen werden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß alle Farbvektoren der Signale der Bildpunkte (16) jedes Bildsensors (15) mit Hilfe eines Farbraum- Transformationsrechners entsprechend der ermittelten Transformation umgewandelt werden.