DE4337125A1 - Optische Inspektion von Schüttstrom-Produkten - Google Patents

Description

Zahlreiche Lebens- und Futtermittel werden visuell auf ihre Qualität hin un­ tersucht. So werden z. B. Kaffeebohnen, Erbsen und Reis auf schlechte Qualität wie Bruchstücke, unreife oder schlecht geschälte Produkte usw. in­ spiziert. Einige dieser Inspektionsaufgaben können heute bereits automa­ tisch mit Hilfe der Bildverarbeitung durchgeführt werden. Ähnliche Inspektionsaufgaben fallen auch bei der Aussortierung von Tabletten, bei der Qualitätskontrolle von Kunststoffgranulaten und ähnlichen, im Schüttstrom anfallenden Produkten an. In jedem Fall werden die Produkte vereinzelt oder in einer gewissen Ordnung an einer Reihe von Kameras vorbeiführt und aus den Aufnahmen mit Verfahren der Bildverarbeitung gute und schlechte Produkte unterschieden.

Diese Kameratechnik erfordert in der Regel, daß sich die zu inspizierenden Produkte nicht berühren damit der Verlauf des Randes klar gegenüber dem Hintergrund erkennbar und damit automatisch bestimmbar ist. Nur so können Formmerkmale wie Bruchstück, abgeplatzte Ecke etc. erkannt wer­ den. Da bei allen diesen Aufgabenstellungen große Mengen von Produkten (typischerweise 4000 bis 15 000 Stck. pro Sekunde) inspiziert werden müssen, stellt sich eine solche Vereinzelung aus dem ursprünglich vorhan­ denen Massestrom als eine mechanisch äußerst schwierig durchzuführende Aufgabe dar. Die Führung soll in der Regel mit einer definierten Geschwin­ digkeit erfolgen, damit die Aussortierung der schlechten Produkte mit Hilfe von Elektoren zeitrichtig erfolgen kann.

Die mechanische Vereinzelung aus einem Schüttstrom in einem Strom ein­ zelner oder nebeneinander geführter, sich nicht berührender Produkte stellt daher die eigentliche Mengenbeschränkung bei der Realisierung automati­ scher Systeme für die optische Qualitätskontrolle dar. Es wäre daher von großem wirtschaftlichem und technischem Vorteil, wenn die automatische Inspektion mit Kameras auch an einem sich schnell bewegten, einlagigem Strom von sich berührenden Produkten möglich wäre, wobei die Konturen der Produkte trotz des nicht mehr sichtbaren Hintergrundes dennoch er­ kannt werden müssen. Die mechanische Vereinzelung ist für einen Strom sich berührender Produkte viel einfacher und kostengünstiger zu gestalten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zusätzlich zur Bildaufnahme mit Inspektionskameras mit Hilfe einer schnellen Anordnung bildgebender Triangulationssysteme ein Höhenbild des Produktstromes erfaßt wird, daß aus dem Höhenbild die Randkonturen der Produkte be­ stimmt werden und daß diese Information das Bildverarbeitungssystem steuert, welches die Bilder der Inspektionskameras auswertet.

Insbesondere werden zur bildgebenden Triangulations erfindungsgemäß Zei­ lensensoren mit einem großen Verhältnis von Höhe zu Breite der einzelnen Sensorelemente eingesetzt und durch Aufprojektion einer Lichtkante aus der Amplitude des Signals jedes Sensorelementes die lokale Höhe des Produktes ermittelt.

Diese Erfindung wird beispielhaft an Hand von folgenden Figuren erläutert:

Fig. 1 zeigt in der Seitenansicht einen einlagigen Strom von sich berührenden Reiskörnern, so daß der Hintergrund und damit die Produktkontur im Bild der im Auflicht inspizierenden Farbkamera nicht mehr sichtbar ist.

Fig. 2 zeigt, wie durch Aufprojektion einer Lichtkante dieser Kantenver­ lauf sich unter Beobachtung mit einer Kamera unter einem Parallaxenwinkel infolge des Höhenverlaufs der einzelnen Reiskörner verformt

Fig. 3 erklärt den Begriff des "Höhenbildes", indem die Randkonturen des Produktes sich als Grauwertkanten ausbilden,

Fig. 4 zeigt, wie durch Bildaufnahme der Lichtkante mit einem sich in einer Triangulationsanordnung befindlichen Zeilensensor welcher sich durch ein großes Verhältnis von Höhe zu Breite der Sensor­ elemente auszeichnet sich pro Bildpunkt ein Ausgangssignal er­ gibt, welches proportional zur Lage der Lichtkante und damit zur lokalen Höhe des Produktes ist,

Fig. 5 zeigt im Blockschaltbild, wie aus dem Ausgangssignal des Triangulationszeilensensors und dem der Inspektionskamera ein Höhenbild ermittelt wird, welches unabhängig von der Helligkeit der Reiskörner ist.

Fig. 6 zeigt das Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Der Erfindungsgedanke wird beispielhaft, aber nicht einschränkend am Fall der optischen Inspektion von Reiskörnern beschrieben. Die Reiskörner wer­ den nach Fig. 1 aus dem Schüttstrom 1 einlagig auf eine ebene Rutsche 2 aufgebracht. Die einzelnen Körner berühren sich teilweise, so daß die von oben im Auflicht 3 beobachtende Farbkamera 4 nicht mehr in der Lage ist, im Bild von oben 5 die Randkontur als Kontrast zum Hintergrund der Rutsche zu erkennen.

Erfindungsgemäß wird nach Fig. 2 eine linienförmige Markierung, im Beispiel eine hell/dunkel Lichtkante 1 unter einem Parallaxe-Winkel 2 aufprojiziert und dieser Bildausschnitt mit Hilfe einer zweiten, s/w Triangu­ lationskamera 3 beobachtet. Im Bild 4 dieser Kamera beschreibt diese Linie infolge des Höhenverlaufs der Reiskörner einen kurvenförmigen Verlauf 5, wobei die Auslenkung von der Geraden proportional zur Höhe des Produktes 6 bezogen auf die als Referenzebene geltende Rutsche 7 ist.

Durch die Aufnahme einer dichten Folge von Aufnahmen beim bewegten Strom der Reiskörner entsteht damit nach Fig. 3 ein Höhengebirge 1, indem sich die Ränder der Reiskörner als Kanten ausbilden. Wird der lokale Verlauf der Höhe 2 Bildpunkt für Bildpunkt als ein sog. Höhenbild 3 abgelegt, d. h. als ein Bild, bei welchem jedem Bildpunkt ein Grauwert zuge­ ordnet ist, welcher proportional der lokalen Höhe bezogen auf die Referenz­ ebene ist, so können an diesem Höhenbild mit den bekannten Verfahren der 2D-Kantenextraktion wie Sobel- oder Laplace-Operator die Randkonturen der Reiskörner ermittelt werden.

Erfindungsgemäß wird die Berechnung des Höhenbildes dadurch beschleu­ nigt, daß als Triangulationskamera nach Fig. 4 ein Zeilensensor 1 mit einer linearen Anordnung von Sensorelementen 2 eingesetzt wird, welche durch ein großes Verhältnis von Höhe zu Breite ausgezeichnet sind. Solche Zeilensensoren werden z. B. in der optischen Spektroskopie eingesetzt und können typische Dimensionen von 20 µm Breite zu 2 mm Höhe verfügen. Das Bild der Lichtkante 3 wird über eine geeignete Optik so auf die Ele­ mente des Zeilensensors abgebildet, daß für den Bereich der vorkommenden Höhen der Reiskörner die Position der Lichtkante bei geringer Höhe an einem Ende des Sensorelementes 5 und bei maximaler Reiskornhöhe am anderen Ende des Sensorelementes 6 zu liegen kommt. Hierdurch wird er­ reicht, daß jedes Sensorelement eine Menge an Licht empfängt, welche Pro­ portional zur Höhe des Reiskorns ist. Damit ist das analoge Ausgangssignal 7 jedes Sensorelementes direkt proportional zur Höhe des Reiskorns an dieser Stelle, so daß das aus den Signalen des Triangulationssensors aufgebaute Grauwertbild unmittelbar ein Höhenbild darstellt. Die für jeden Bildpunkt gleiche Umrechnungsfunktion entsprechend der Triangulations­ gleichung kann erfindungsgemäß über eine analoge Funktionseinheit oder nach Digitalisierung über eine Look-up-Tabelle gebildet werden.

Das so gebildete Höhenbild ist nicht nur von der Position der Lichtkante abhängig, sondern unerwünschterweise auch noch vom Reflexionsgrad, d. h. von der vom Reiskorn reflektierten Lichtmenge bzw. der Grundhelligkeit der Reiskörner. Erfindungsgemäß wird diese Abhängigkeit dadurch elimi­ niert, daß nach Fig. 5 aus dem Signal der Inspektionskamera 1 die Helligkeit des gleichen Bildpunktes entnommen wird und in der Funktionseinheit 2 mit dem Signal der Triangulationskamera 3 durch Division oder eine ähnliche geeignete Korrekturfunktion normiert wird.

Um den örtlichen Zusammenhang zwischen den Bildpunkten der Inspektionskamera 1 und der Triangulationskamera 3 leichter herzustellen, wird erfindungsgemäß für die Projektion der Lichtkante 4 ein Wellenlängenbereich ausgewählt, für welchen nur die Triangulationskamera, nicht aber die Inspektionskamera empfindlich ist. Ein solcher Wellenlängenbereich kann z. B. der nahe Infrarotbereich sein. Die Triangula­ tionskamera empfängt das Licht der aufprojizierten Lichtkante über ein opti­ sches Bandpaßfilter, welches nur diesen Wellenlängenbereich durchläßt. Da für die Inspektionskamera im allgemeinen eine Farbkamera eingesetzt wird, ist diese Kamera konstruktionsbedingt bereits für diesen Wellenlängen­ bereich nicht mehr empfindlich.

Fig. 6 zeigt beispielhaft die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens im Blockschaltbild. Der einlagige Strom von Reiskörner 1 wird von oben unter Weißlicht 2 mit einer Farbinspektionszeilenkamera 3 beobachtet. Gleich­ zeitig wird unter einem Winkel 4 mit Hilfe eines NIR-Projektors 5 (NIR = near infrared) eine Lichtkante 6 auf die gleiche Stelle aufprojiziert, welche auch von der Inspektionskamera erfaßt wird. Mit Hilfe einer zweiten, nur im NIR Bereich empfindlichen Triangulationszeilenkamera 7 wird die durch den Höhenverlauf der Reiskörner verformte Lichtkante erfaßt und bildet ein analoges Videosignal mit einer Amplitude, welche proportional zur Höhe des Reiskornes und zur Helligkeit des Reiskornes ist.

Die Ausgangssignale beider Kameras werden in der Einheit 8 digitalisiert und so normiert, daß ein Höhenbild 9 entsteht, welches nicht mehr abhängig ist von der Helligkeit des Reiskornes. Durch 1D oder 2D Kantenex­ traktion 10 werden aus dem Höhenbild die Randkonturen der Reiskörner ermittelt und dem Bildrechner 12 gleichzeitig mit den Signalen der Inspek­ tionskamera übermittelt.

Erfindungsgemäß werden die Strahlengänge der Inspektions- und der Triangulationskamera über einen Strahlteiler zusammengeführt, so daß die optische Ausrichtung auf die gleiche Objektzeile mechanisch fixiert ist.

Ein anderer Erfindungsgedanke besteht darin, daß nur eine einzige Kamera für Inspektion und Triangulation verwendet wird und zeitlich intermittie­ rend mit der eigentlichen Oberflächeninspektion die Lichtkante aufprojiziert und ausgewertet wird.

Erfindungsgemäß wird das Kantenbild dem eigentlichen Farbbild der In­ spektionskamera so überlagert, daß in diesem Bild die Randkonturen aus­ maskiert werden. Damit steht dem Bildrechner ein Farbbild zur Verfügung, in dem die Ränder der Reiskörner klar erkennbar sind, obschon sie sich in­ folge der Berührung der Körner im eigentlichen Bild der Farbkamera nicht mehr auszeichnen. Dieses Bild kann daher mit den gleichen Methoden wei­ terverarbeitet werden, welche bei einem Strom sich nicht berührender Reiskörner angewendet werden und wo die Randkonturen sich klar gegenüber dem Hintergrund abzeichnen.

Selbstverständlich läßt sich der Erfindungsgedanke sinngemäß auf alle ähnlichen Inspektionsaufgaben für körnige Lebens- und Futtermittel, für extrudierte Lebensmittel, für alle Sorten von Granulaten und ähnlichen, im Schüttstrom anfallenden Produkten anwenden.

Claims (14)

1. Verfahren zur optischen Inspektion von körnigen, aus dem Schüttstrom gewonnenen Produkten, dadurch gekennzeichnet, daß der Schüttstrom in einen einlagigen Strom von sich zumindestens teilweise berührenden Produkten vereinzelt wird, daß zusätzlich zur Bildaufnahme im Auflicht der Produktstromoberfläche mit Hilfe von mindestens einer Inspektionskamera mit einer weiteren Anordnung bildgebender Triangulationssysteme ein Höhenbild des Produkstromes erfaßt wird, daß aus dem Höhenbild die Randkonturen der einzelnen Produkte bestimmt werden und daß diese Informationen das Bildverar­ beitungssystem steuert, welches die Bilder der Inspektionskameras auswertet, so daß trotz der im Bild dieser Kamera sich durch die Berührung der Produkte nicht mehr erkennbaren Randkonturen eine Bildauswertung ermöglicht wird, welche Informationen verwendet, wel­ che aus der Produktkontur abgeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung eines fortlaufenden Höhenbildes mindestens eine Lichtkante oder Lichtlinie quer zum Produktstrom aufprojiziert wird, diese Lichtlinie oder -kante mit Hilfe von mindestens einer Triangulationskamera unter einem bestimmten Winkel bezogen auf die optische Achse der Projektion beobachtet wird und aus der Verformung dieser Lichtzeile oder Lichtkante nach bekannten Verfahren der Triangulation fortlaufend die lokale Höhe der Produkte relativ zur Auf­ lage ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß quer zum Produktstrom eine Lichtkante aufprojiziert wird, daß das Bild dieser Lichtkante unter einem bestimmten Winkel mit Hilfe mindestens einer Triangulationszeilenkamera erfaßt wird, deren punktförmigen Sensorelemente ein großes Verhältnis von Höhe zu Brei­ te aufzeigen, daß die optische Abbildung so gewählt wird, daß bei sehr niedrigen Produkten die Lichtkante auf das eine Ende jedes Sensorele­ mentes fällt und daß bei hohen Produkten die Lichtkante auf das ande­ re Ende jedes Sensorelementes fällt, so daß abhängig von der Produkt­ höhe ein unterschiedlicher Anteil jedes Sensorelementes beleuchtet wird und daß das Ausgangssignal dieser Triangulationszeilenkamera ein zeilenförmiges Höhenbild darstellt, bei welchem der jedem Bild­ punkt entsprechende Grauwert proportional zur Höhe des Produktes an der entsprechenden Stelle ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Höhenbild mit Hilfe bekannter Verfahren der Kanten­ extraktion aus Grauwertbildern die Randkonturen der einzelnen, sich zumindestens teilweise berührenden Produkte bestimmt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Projektion der Lichtlinie oder Lichtkante ein Wellenlängen­ bereich ausgewählt wird, für welchen nur die zur Höhenmessung eingesetzte Triangulationskamera empfindlich ist, nicht aber die zur Inspektion der Produktoberfläche eingesetzte Inspektionskamera.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Projektion einer Lichtlinie oder Lichtkante ein Wellenlängen­ bereich im Gebiet des nahen Infrarots ausgewählt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Strahlengänge sowohl der Triangulationskamera als auch der Inspektionskameras so ausgerichtet sind, daß sie denselben Ort des Produktstromes erfassen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Produktoberfläche über ein gemeinsames optisches System zeilenförmig sowohl von der Inspektions- als auch von der Triangula­ tionskamere erfaßt wird und daß über optische Strahlteiler das Bild der Produktoberfläche auf die beiden unterschiedlichen Kameras aufgeteilt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Höhenbild proportionale Ausgangssignal der Triangulati­ onskamera über eine Recheneinheit entsprechend den Triangulations­ parameter Bildpunkt für Bildpunkt so umgerechnet wird, daß die Signalamplitude direkt proportional der geometrischen Höhe des Produktes bezogen auf die Auflagefläche ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit durch eine Speichertabelle gebildet wird, welche von den digitalisierten Signalen der Triangulationskamera adressiert wird und diese Tabelle mit der durchzuführenden Rechenfunktion belegt ist.

11. Verfahren nach Anspruch 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer Recheneinheit, welche sowohl die Ausgangssignale der Triangulationskamera als auch die der Inspektionskamera erfaßt das zur Produkthöhe proportionale Ausgangssignal der Triangulations­ kamera mit Hilfe der Helligkeitssignale der Inspektionskameras so nor­ miert wird, daß der Einfluß der Helligkeit der Produktoberfläche im Höhenbild kompensiert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Höhenbild durch Kantenextraktion die Produktkonturen ermittelt werden und das Bild der Inspektionskamera hiermit so aus­ maskiert wird, daß es an den Bildpunkten, welche der Randkontur der Produkte entsprechen, einen Signalwert erhält, aus welchem die Randkontur auch bei sich berührenden Produkten eindeutig ermittelt werden kann.

13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Kamera für Inspektion und Triangulation eingesetzt wird und das projizierte Linienmuster im schnellen Wechsel ein- und ausge­ schaltet wird und das Höhenbild aus dem Bild der Kamera nur dann berechnet wird, wenn die Linienprojektion erfaßt wurden und die Oberflächeninspektion nur dann durchgeführt wird, wenn die Linien­ projektion ausgeschaltet war.

14. Anordnung zur Durchführung der Verfahren 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche eines einlagigen Stromes von sich teilweise berührenden körnigen Produkten mit Hilfe mindestens einer Inspekti­ onskamera erfaßt wird, daß die Produkte mit Hilfe einer Lichtlinie oder Lichtkante beleuchtet wird, daß mit Hilfe mindestens einer weite­ ren, die Lichtlinie in einer Triangulationsanordnung beobachteten Kamera aus der lokalen Verformung der Linie oder Kante ein zur lokalen Höhe des Produktes proportionales Höhenbild gewonnen wird, daß die Randkonturen der Produkte aus den Kanten im Höhenbild mit Hilfe einer Recheneinheit extrahiert werden und an den Bildrechner, welcher die Signale der Inspektionskamera verarbeitet, weitergeleitet werden.