DE4444661A1

DE4444661A1 - Contact free speed measurement method for e.g. conveyor belt or road

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Publication number: DE4444661A1
Application number: DE19944444661
Authority: DE
Inventors: Burghard Dr Korneffel; Martin Korneffel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-12-15
Filing date: 1994-12-15
Publication date: 1996-06-20
Anticipated expiration: 2014-12-16
Also published as: DE4444661B4

Abstract

The method involves measuring the speed between a light receiving sensor, e.g. a CCD camera (1), and a stretch (7) of patterned surface (6) e.g. a road. Also used are related electronic circuitry (2), a memory (3), and a computer (4). The sensor travels lengthwise above the surface (5) and is directed vertically towards it. A series of pictures (A1(t) A7(t)), relating to surface detail (8,S1-S7), are received and are shown electronically as curve points on a histogram. The signals from the series are then stored electronically as function-points. The ascent of each detail curve on the histogram can be mathematically correlated to the speed between its respective structural detail and the sensor.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur berührungslosen Messung der Geschwindigkeit zwischen einem bildwandelnden Sensor und dem Meßgut mit beliebig gemusterter sowie beliebig strukturierter Oberfläche. Mit Meßgut ist hier verallgemeinernd all das gemeint, auf das der Sensor gerichtet ist. Das kann beispielsweise der Straßenbelag, das Schotterbett einer Gleisstrecke, ein Förderband oder Walzgut sein. Die Geschwindigkeitsmessung erfolgt in Richtung längs der Oberfläche des Meßgutes.The invention relates to a method for contactless measurement of the Any speed between an image-converting sensor and the measured material patterned as well as any structured surface. With measured material, everything is generalized here that means the sensor is aimed at. For example, the road surface, the Ballast bed of a track, a conveyor belt or rolling stock. The speed measurement takes place in the direction along the surface of the measured material.

Eine Anzahl von bekannten Vorschlägen bezieht sich auf korrelationsoptische Verfahren. Unter Einsatz von optischen Gittern oder gerasterten Empfängerstrukturen werden Ortsfrequenzen herausgefiltert und daraus die Geschwindigkeit bestimmt, siehe DE 21 44 487, DE 24 50 439, DE 32 29 343 oder DE 38 39 963. Die vom Wirkprinzip her bedingten Probleme liegen im folgenden: Regelmäßige Muster in der Oberfläche des Meßgutes können die herausgefilterte Ortsfrequenz grob verfälschen und so zu falschen Meßwerten führen; weiterhin, beim Übergang von Null zu kleinen Geschwindigkeiten (Startphase) ermittelt der Frequenzzähler die sehr kleinen Ortsfrequenzen mit beträchtlichem Fehler. In der DE-OS 40 09 737, siehe auch US-A 42 18 623, wird mit elektronischen Schaltungen die Phasenverschiebung herausgefiltert, die bei der Bewegung eines Bildes längs eines Zeilensensors entsteht. Aus der Phasenverschiebung wird die Geschwindigkeit abgeleitet.A number of known proposals relate to correlation-optical methods. Under The use of optical gratings or rasterized receiver structures becomes spatial frequencies filtered out and the speed determined therefrom, see DE 21 44 487, DE 24 50 439, DE 32 29 343 or DE 38 39 963. The problems caused by the operating principle lie in following: Regular patterns in the surface of the sample can be filtered out Roughly falsify the spatial frequency and thus lead to incorrect measured values; continue, at the transition from zero to low speeds (start phase) the frequency counter determines the very small spatial frequencies with considerable errors. In DE-OS 40 09 737, see also US-A 42 18 623, the phase shift is filtered out with electronic circuits Movement of an image along a line sensor occurs. The phase shift becomes Speed derived.

In der D-OS 22 53 138 wird eine Korrelation zwischen zwei Abtastpunkten dadurch erreicht, daß das Signal des ersten Punktes über ein Schieberegister verzögert mit dem Signal des zweiten verglichen wird. Die Taktfrequenz des Schieberegisters wird solange nachgeregelt, bis Übereinstimmung erreicht wird. Aus der Taktfrequenz wird die Geschwindigkeit berechnet. In der DE-OS 35 39 793 wird ein weiteres Verfahren für die Korrelation zweier Bildausschnitte vorgeschlagen. Auch für diese Verfahren gilt, daß sie sensibel mit einem groben Fehler auf regelmäßige Muster reagieren.In D-OS 22 53 138, a correlation between two sampling points is achieved by that the signal of the first point is delayed by a shift register with the signal of the second is compared. The clock frequency of the shift register is readjusted until Agreement is reached. The speed is calculated from the clock frequency. In DE-OS 35 39 793 is another method for the correlation of two image sections suggested. This procedure also applies to being sensitive with a gross error regular patterns respond.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff anzugeben, welches bei vertretbarem Aufwand die Werte für Geschwindigkeit und Weg mit außerordentlicher Präzision und hoher Störsicherheit bestimmt, wobei die Oberfläche des Meßgutes beliebige Muster und/oder Strukturierungen, sowohl regelmäßige wie stochastische, besitzen kann. The object of the invention is to provide a method according to the preamble, which at reasonable effort the values for speed and distance with extraordinary precision and high immunity to interference, the surface of the measured material being any pattern and / or Structures, both regular and stochastic, can have.

Als bildwandelnder Sensor dient eine elektronische Kamera. Ein Vorteil der Erfindung ist, das eine eindimensionale Anordnung von lichtempfindlichen Elementen, beispielsweise eine CCD-Zeilenkamera, genügt. Die Oberfläche des Meßgutes wird auf die Ebene der lichtempfindlichen Elemente der Kamera abgebildet, wobei die CCD-Zeile weitestgehend parallel zur Bewegungsrichtung ausgerichtet ist. Der Kamera ist eine elektronische Anordnung nachgeschaltet, in der die abgebildeten Struktureinzelheiten erkannt werden. Jeder erkannten Struktureinzelheit wird erfindungsgemäß ein elektronisch erzeugtes Signal zugeordnet, das eine Ortsinformation bezüglich der lichtempfindlichen Elemente des Sensors enthält, und dessen sonstige Form und Größe in keinem Zusammenhang mit dem Grauwert der Struktureinzelheit stehen muß. Erfindungsgemäß werden von mehreren Bildern aus einer Folge diese elektronischen Signale als Funktionspunkte in einem Speichermedium plaziert, und mittels einer speziellen Datenverknüpfung und einer speziellen Auswahl aus der Vielzahl der durch diese Funktionspunkte legbaren Kurven diejenige Kurvenschar herausgesucht, bei der jede Einzelkurve jeweils einer Struktureinzelheit zuordenbar ist. Die Steigung jeder Einzelkurve, sowohl im Betrag wie im Vorzeichen, ist ein unmittelbares Maß für die Geschwindigkeit zwischen der entsprechenden Struktureinzelheit und dem Sensor. Der Weg, den der Sensor relativ zur Oberfläche des Meßgutes zurücklegt, ergibt sich aus der Integration der Geschwindigkeit über die Zeit.An electronic camera serves as the image-converting sensor. An advantage of the invention is that a one-dimensional arrangement of light-sensitive elements, for example a CCD line camera, enough. The surface of the sample is on the level of the photosensitive Elements of the camera shown, the CCD line largely parallel to Direction of movement is aligned. The camera is an electronic arrangement downstream, in which the structural details shown are recognized. Everyone recognized Structurally, an electronically generated signal is assigned according to the invention, the one Contains location information regarding the photosensitive elements of the sensor, and its other shape and size unrelated to the gray value of the structural detail must stand. According to the invention, these are made from a sequence of several images placed electronic signals as function points in a storage medium, and by means of a special data link and a special selection from the multitude of them Function points of curvable curves selected the family of curves in which each Individual curve can be assigned to a structural detail. The slope of every single curve, both in amount and in sign, is an immediate measure of speed between the corresponding structural detail and the sensor. The way the sensor covered relative to the surface of the measured material results from the integration of the Speed over time.

Je mehr Bilder für die Gewinnung einer Kurvenschar verwendet werden, um so genauer lassen sich die Kurven aus der sehr großen Menge von Funktionspunkten herausarbeiten. Allerdings wird mit steigender Anzahl der Bilder die Meßzeit länger. Dadurch wird die zeitliche Auflösung des Geschwindigkeitsverlaufes schlechter. In einem typischen Anwendungsfall haben sich fünf Bilder als guter Kompromiß zwischen Genauigkeit und Meßzeit ergeben.The more images used to obtain a family of curves, the more precise it can be the curves work out of the very large number of function points. Indeed the measuring time becomes longer with increasing number of images. This is the temporal resolution of the speed curve worse. In a typical application, there are five Images are a good compromise between accuracy and measurement time.

Das elektronische Signal, welches der erkannten Struktureinzelheit zugeordnet wird, kann unterschiedlichste Form und Größe haben. Eine der vielen Möglichkeiten besteht darin, das elektronische Signal aus der Positionsadresse der Struktureinzelheit bezüglich der lichtempfindlichen Elemente des Sensors zu bilden.The electronic signal, which is assigned to the recognized structural detail, can have different shapes and sizes. One of the many ways is to do that electronic signal from the position address of the structural detail regarding the to form photosensitive elements of the sensor.

Oft genügt es, die durch die Funktionspunkte generierten Kurven durch Geraden anzunähern. Nimmt man in dichter zeitlicher Folge die Bildsequenzen auf, was mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hervorragend gelingt, wird auch eine stark beschleunigte Bewegung über ein stückweises Zusammenfügen aus linearen Abschnitten mit der erforderlichen Genauigkeit wiedergegeben.It is often sufficient to approximate the curves generated by the function points with straight lines. If you take the image sequences in close chronological order, what about the invention The process succeeds excellently, there is also a greatly accelerated movement across a Piece-by-piece assembly from linear sections with the required accuracy reproduced.

Um die gesuchten Geraden zu erhalten, wird erfindungsgemäß folgendermaßen vorgegangen:
Die elektronischen Signale werden in das Speichermedium in einer Art plaziert, die man anschaulich als Matrixanordnung bezeichnen könnte. Allerdings ist das "Bild" dieser Matrix sehr verwirrend. Im typischen Anwendungsfall ist jeder Funktionspunkt mit einem Fehler auf Grund des "Zuordnungsrauschens" seitens der Elektronik behaftet. Die im elektronischen Signal enthaltene Ortsinformation ist zufällig mal etwas kleiner und mal etwas größer als der "wahre" Wert. Noch ärgerlicher ist das "Schwellwertrauschen". Besäße die Oberfläche des Meßgutes nur markante Strukturen, beispielsweise harte schwarz/weiß-Übergänge, so gäbe es kein Schwellwertrauschen. Im typischen Anwendungsfall werden jedoch alle vorhandenen Strukturen, also auch feine Schlieren und Schattierungen, zur Messung herangezogen. Die Elektronik entscheidet bezüglich eines Vergleichswertes, dem Schwellwert, ob ein elektronisches Signal zugeordnet wird oder nicht. Liegt die Struktureinzelheit nahe am Schwellwert, dann wird in aufeinanderfolgenden Bildern zufällig mal zugeordnet und mal nicht. Weiterhin können allgemeine Störeinflüsse elektronische Signale erzeugen, die mit dem Bildinhalt nichts gemein haben. Im "Matrixbild" findet man so zwischen den "erwünschten" Funktionspunkten zahlreiche zufällig erzeugte.In order to obtain the straight lines sought, the procedure according to the invention is as follows:
The electronic signals are placed in the storage medium in a manner that could be clearly called a matrix arrangement. However, the "picture" of this matrix is very confusing. In the typical application, each function point has an error due to the "assignment noise" on the part of the electronics. The location information contained in the electronic signal happens to be somewhat smaller and sometimes somewhat larger than the "true" value. The "threshold noise" is even more annoying. If the surface of the sample had only distinctive structures, for example hard black / white transitions, there would be no threshold noise. In a typical application, however, all existing structures, including fine streaks and shades, are used for the measurement. With regard to a comparison value, the threshold value, the electronics decide whether an electronic signal is assigned or not. If the structural detail is close to the threshold value, then it is randomly assigned in successive images and sometimes not. General interference can also generate electronic signals that have nothing in common with the image content. In the "matrix image" you will find numerous randomly generated function points between the "desired" function points.

Aus diesem Wirrwar in der geforderten kurzen Meß- und Auswertezeit bei vertretbarem Rechenaufwand die "wahren" Kurven herauszuschälen, erweist sich mit den bekannten Methoden als nicht durchführbar. In der großen Menge von Funktionspunkten lassen sich viele Geraden ziehen, die Funktionspunkte verschiedener "wahrer" Kurven miteinander verbinden, also einen völlig falschen Geschwindigkeitswert ergeben. Erfindungsgemäß werden mit drei zunächst willkürlich erscheinenden Festlegungen die "wahren" Kurven mit hoher Sicherheit bei vertretbarem Rechenaufwand herausgeholt.From this confusion, the required short measurement and evaluation time was reasonable Computing effort to peel out the "true" curves proves itself with the known ones Methods as not feasible. Many can be found in the large number of function points Draw a straight line, connect the function points of different "true" curves, thus give a completely wrong speed value. According to the invention with three At first, seemingly arbitrary determinations contribute the "true" curves with high certainty reasonable computing effort.

Erste Festlegung: Eine Gerade gilt als erkannt, wenn wenn zwischen einem Funktionspunkt des zeitlich ersten Bildes, hier mit Fußpunkt bezeichnet, und einem Funktionspunkt des zeitlich letzten Bildes, hier mit Endpunkt bezeichnet, für jedes zeitlich dazwischen liegende n-te Bild ein n-ter Funktionspunkt zu finden ist, der von einer geradlinigen Verbindung von Fuß- zu Endpunkt nicht mehr als um einen spezifisch definierten Wert dA abweicht, wobei die Größe von dA eine Funktion der Geradensteigung ist. In die absolute Größe von dA gehen außerdem die physikalischen Parameter der Meßanordnung ein. Die Festlegung der Größe von dA ist kritisch. Ein dA von Null würde zu keinen oder nur sehr wenigen erkannten Geraden führen. Ein zu großes dA führt zu diffusen und teilweise falschen Ergebnissen. Jedoch alle bisherigen Test′s des erfindungsgemäßen Verfahrens haben zum überraschenden Ergebnis geführt, daß mit einer einmal festgelegten "richtigen" Größe von dA auch unter wechselnden Versuchsbedingungen die Geschwindigkeit immer wieder mit hoher Präzision gemessen wird.First definition: A straight line is considered to be recognized if if between a function point of the temporally first image, here designated with the base point, and a function point of the temporally last image, here labeled end point, for every nth image in between nth function point can be found, that of a straight line connection from foot to end point does not deviate more than by a specifically defined value dA, the size of dA being one The function of the straight slope is. They also go into the absolute size of dA physical parameters of the measuring arrangement. Determining the size of dA is critical. A dA of zero would lead to no or only very few recognized straight lines. One too large dA leads to diffuse and sometimes incorrect results. However all previous tests of the The inventive method have led to the surprising result that with a Once the "correct" size of dA has been determined, even under changing test conditions the speed is measured again and again with high precision.

Zweite Festlegung: Alle von einem Fußpunkt zu unterschiedlichen Endpunkten ausgehenden erkannten Geraden werden erfaßt und ihre Steigung in einem Histogramm notiert. Diese Prozedur wird für sämtliche Fußpunkte durchgeführt. "Alle Geraden" bedeutet, daß sowohl Geraden mit positiver als auch mit negativer Steigung gesucht werden.Second definition: all starting from a base point to different end points recognized straight lines are recorded and their slope noted in a histogram. These The procedure is carried out for all base points. "All lines" means that both Straight lines with a positive as well as a negative slope are searched for.

Dritte Festlegung: Aus dem Histogramm der Steigungen werden die Werte, die das Maximum und seine angrenzenden Flanken bilden, herausgeschnitten. Die herausgeschnittenen Werte werden als diejenigen Steigungen angesehen, die zu den gesuchten Geraden gehören. Das sind die Geraden, welche die den Struktureinzelheiten zuordenbaren Kurven annähern.Third definition: From the histogram of the slopes, the values that are the maximum and form its adjacent flanks, cut out. The cut out values are regarded as the slopes that belong to the straight lines searched for. These are the straight lines that approximate the curves that can be assigned to the structural details.

Das Herausschälen der "wahren" Kurven läßt sich erfindungsgemäß durch folgende, ebenfalls willkürlich erscheinende Zusatzfestlegung weiter verbessern.The "true" curves can also be peeled out according to the invention by the following further improve arbitrary appearances.

Zusatzfestlegung: Geraden werden nur als erkannt angesehen, wenn zwei aufeinanderfolgende Geraden ein Paar bilden. Aufeinanderfolgend heißt, daß beide Fußpunkte durch Struktureinzelheiten verursacht werden, die in Abtastrichtung des Bildwandlers aufeinanderfolgen. Paar heißt, daß zwischen beiden Fußpunkten, beiden Endpunkten und beiden n-ten Punkten die Betragsdifferenz W nur um einen spezifisch definierten Wert dW unterschiedlich sein darf. Der Betrag von W ist nach oben durch einen festgelegten Wert Wmax begrenzt. Überschreiten zwei aufeinanderfolgende Fußpunkte den Wert Wmax, so gelten die von ihnen ausgehenden Geraden nicht als Paar. Die Größe dW ist eine Funktion der Geradensteigung.Additional specification: Lines are only considered recognized if two successive ones Form a straight line. Successive means that both base points by Structural details are caused in the scanning direction of the image converter successive. Couple means that between both base points, both end points and both nth points the amount difference W only by a specifically defined value dW may be different. The amount of W is up by a fixed value Wmax limited. If two successive base points exceed the value Wmax, then those of straight lines going out to them not as a couple. The size dW is a function of Straight slope.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, daß zum ausgegebenen Geschwindigkeitswert eine riesige Anzahl von Einzelwerten beiträgt. Zur Illustration ein Beispiel: Ein kleiner Fleck habe einen homogenen, von der Umgebung unterschiedlichen Grauwert. Die der Zeilenkamera nachgeschaltete Elektronik möge Beginn und Ende des Fleckes, also zwei Struktureinzelheiten, erkennen. Die Bewegung des Fleckes über mehrere aufeinanderfolgende Bilder führt so zu zwei Werten für die Geschwindigkeit, die sich nur durch statistische Fehler unterscheiden, also im Prinzip gleich sind. Ist der Fleck nicht homogen im Grauwert, so wird die Elektronik noch weitere Struktureinzelheiten im Fleck erkennen. Die Bewegung des einen Fleckes führt so zu vielen Werten für die Geschwindigkeit. Es tragen jedoch erfindungsgemäß nicht nur ein Fleck, sondern sämtliche im Bildfenster vorhandenen Strukturen gleichzeitig zur Geschwindigkeitsmessung bei, indem jede Struktureinzelheit unabhängig von den anderen die Funktionspunkte für eine Kurve verursacht. So können durchaus bei entsprechender Oberfläche des Meßgutes hunderte Struktureinzelheiten gleichzeitig im Bildfenster erfaßt sein. Entsprechend viele voneinander unabhängige Geschwindigkeitswerte liefert das erfindungsgemäße Verfahren aus einer Bildsequenz. Jeder Meßwert ist mit einem statistischen Meßfehler behaftet. Mit der Vielzahl von Meßwerten einer Sequenz läßt sich über bekannte Verfahren der statistischen Mathematik der resultierende Fehler drastisch verkleinern und ein sehr genauer Wert für die Geschwindigkeit ausgeben.A particular advantage of the invention is that a contributes huge number of individual values. An example to illustrate this: I have a small stain a homogeneous gray value that differs from the environment. That of the line scan camera downstream electronics like the beginning and end of the spot, i.e. two structural details, detect. Moving the spot over several successive images thus leads to two Values for the speed, which differ only by statistical errors, i.e. in Principle are the same. If the stain is not homogeneous in the gray value, the electronics will still Recognize further structural details in the stain. The movement of one spot leads to many values for speed. However, according to the invention, not only do they have a stain, but all structures in the image window at the same time Speed measurement by making each structural detail independent of the others Function points caused for a curve. So can with a suitable surface Hundreds of structural details of the measured material can be recorded simultaneously in the image window. Corresponding The method according to the invention provides many independent speed values from an image sequence. Every measured value is associated with a statistical measurement error. With the A large number of measured values of a sequence can be obtained using known statistical methods Mathematically reduce the resulting error dramatically and a very accurate value for that Spend speed.

Die gleichzeitige Nutzung sämtlicher erkannten Strukturen im definierten Bildfenster ergibt noch einen weiteren bedeutenden Vorteil. Begrenzte Bereiche in der Oberfläche des Meßgutes, die keinerlei auswertbare Strukturen oder Muster enthalten, führen nicht zum Ausfall des Geschwindigkeitssignals, solange das Abbild des begrenzten Bereiches kleiner ist als das definierte Bildfenster. Dieses Bildfenster kann so groß gewählt werden, das es alle lichtempfindlichen Elemente umfaßt. Das ist eigentlich sogar der Normalfall in der typischen Anwendung.The simultaneous use of all recognized structures in the defined image window still results another significant advantage. Limited areas in the surface of the material to be measured contain no evaluable structures or patterns, do not lead to the failure of the Speed signal as long as the image of the limited area is smaller than that defined picture window. This picture window can be chosen so large that it all includes photosensitive elements. This is actually the normal case in the typical Application.

Mit einer weiteren Maßnahme kann eine bestmögliche Genauigkeit erreicht werden: Der Rechner wertet nicht im starren Takt die Bildsequenzen aus, sondern beginnt unmittelbar nach Auswertung einer Sequenz mit der Auswertung der nächsten. Enthält die Sequenz äußerst viele Struktureinzelheiten, so ist die Auswertezeit länger als bei einer Sequenz mit wenigen Struktureinzelheiten. Viele Struktureinzelheiten ergeben eine starke Reduzierung des statistischen Fehlers und somit einen sehr genauen Geschwindigkeitswert. Wenige Struktureinzelheiten bewirken durch die kurzen Auswertezeiten eine zeitlich dichte Folge von Meßwerten mit einer daraus folgenden hohen zeitlichen Auflösung des Geschwindigkeitsverlaufes.Another measure can achieve the best possible accuracy: The The computer does not evaluate the image sequences in a rigid cycle, but begins immediately Evaluation of one sequence with the evaluation of the next. The sequence contains an extremely large number Structural details, the evaluation time is longer than with a sequence with few Structural details. Many structural details result in a strong reduction in the statistical error and therefore a very precise speed value. Few Due to the short evaluation times, structural details result in a time-tight sequence of Measured values with a resulting high temporal resolution of the Speed curve.

Der Rechner mißt die exakte Zeitdifferenz zwischen den Aufnahmezeiten der fortlaufend zur Auswertung genutzten Bildsequenzen. Eine solche Zeitdifferenz, multipliziert mit dem jeweils bestimmten Geschwindigkeitswert, liefert ein Weginkrement. Die Summation über alle Weginkremente vom Zeitpunkt ta zum Zeitpunkt te ergibt den Weg, den der Sensor während der Zeitspanne te - ta relativ zur Oberfläche des Meßgutes zurückgelegt hat.The computer continuously measures the exact time difference between the recording times Evaluation of used image sequences. Such a time difference, multiplied by each determined speed value, provides a path increment. The summation over all Path increments from the time ta to the time te gives the distance that the sensor during the Time span te - ta covered relative to the surface of the measured material.

Für viele Anwendungen ist es nicht erforderlich, in jeder auszuwertenden Bildsequenz die Geschwindigkeit im gesamten technisch möglichen Bereich von negativen Maximalwert zu positiven Maximalwert zu suchen. Dazu ein Beispiel: Der Sensor bewege sich mit einer Geschwindigkeit von 30 m/s über die Oberfläche des Meßgutes. Aufnahme und Auswertung einer Bildsequenz betrage eine hundertstel Sekunde. Es werden also hundert Meßwerte pro Sekunde ausgegeben. Damit die Geschwindigkeit von einem Meßwert zum anderen, also innerhalb einer hundertstel Sekunde, ihre Richtung ändert, müßte eine Beschleunigung von mindestens 300 g (g - Erdbeschleunigung) wirken - in der Praxis ein nicht erreichbarer Wert. Doch selbst eine Änderung um 1 m/s würde immer noch 10 g erfordern.For many applications it is not necessary to use the in every image sequence to be evaluated Speed in the entire technically possible range from negative maximum value to positive maximum value. Here is an example: The sensor is moving with a Speed of 30 m / s over the surface of the medium. Recording and evaluation a picture sequence is one hundredth of a second. So there are a hundred measurements per Second spent. So that the speed from one measured value to another, so within a hundredth of a second, their direction should change, an acceleration of at least 300 g (g - gravitational acceleration) work - in practice an unattainable value. But even a change of 1 m / s would still require 10 g.

Daher kann das Verfahren mit folgendem erfindungsgemäßen Zusatz in der Datenverknüpfung ablaufen: Die den Struktureinzelheiten zuordenbaren Kurven werden nicht in allen möglichen Steigungswerten, sondern nur in einem eingegrenzten Intervall gesucht, wobei die Breite dieses Intervalls durch die Anwendungsparameter bedingt ist und der mittlere Wert des Intervalls durch eine zeitlich vorher ermittelte oder festgelegte Steigung definiert ist. Der mittlere Wert kann beispielsweise der jeweils zuletzt gemessenen Geschwindigkeit entsprechen. Dadurch wird die Auswertung beschleunigt, und die Geschwindigkeiten können in äußerst hoher zeitlicher Folge gemessen werden. Dies ist ein großer Vorteil für stark beschleunigte Bewegungen, deren Geschwindigkeitsverlauf sich dadurch sehr präzis aufnehmen läßt.Therefore, the method with the following addition according to the invention can be used in the data link run: The curves that can be assigned to the structural details are not in all possible ones Slope values, but only searched in a limited interval, the width of this Interval is determined by the application parameters and the mean value of the interval by a previously determined or defined gradient is defined. The mean value can for example correspond to the last measured speed. This will make the Evaluation speeds up, and speeds can be extremely high in chronological order be measured. This is a great advantage for highly accelerated movements, whose This allows the speed profile to be recorded very precisely.

Wird die Datenverknüpfung mit Suche im eingegrenzten Intervall angewandt, empfiehlt sich ein weiterer erfindungsgemäßer Zusatz: Sofern die zuletzt gemessene Geschwindigkeit den Wert Null hatte, wird in der Auswertung der Bildsequenz nach allen Steigungen im gesamten technisch möglichen Wertebereich gesucht. Damit wird erreicht, daß nach Störungen, die zu singulären Nullwerten führen, sofort wieder der richtige Geschwindigkeitswert gemessen wird. Beispielsweise führt eine kurzzeitige völlige Abdunklung der Oberfläche des Meßgutes (Störung in der Beleuchtung) zur Ausgabe des Geschwindigkeitswertes Null, da der Sensor bei völliger Dunkelheit keine Struktureinzelheiten erkennt.If the data link with search is used in the limited interval, a is recommended further addition according to the invention: if the last measured speed is the value Had zero is used in the evaluation of the image sequence after all slopes in the whole technically possible range of values sought. This ensures that after disturbances that lead to singular zero values, the correct speed value is measured again immediately. For example, a brief, complete darkening of the surface of the measured material (fault in the lighting) to output the speed value zero, since the sensor is at full Darkness does not recognize structural details.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer CCD-Zeilenkamera als Sensor und einer 32bit-CPU benötigen Aufnahme und Auswertung einer Sequenz von fünf Bildern etwa eine hundertstel Sekunde. Es werden also 100 Geschwindigkeitswerte pro Sekunde ausgegeben, von denen jeder bereits sehr genau ist.In one embodiment of the invention with a CCD line camera as a sensor and 32-bit CPUs require the acquisition and evaluation of a sequence of five images, approximately one hundredth of a second. So 100 speed values are output per second, from to which everyone is already very precise.

Anhand der Zeichnungen, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt ist, soll die Erfindung näher erläutert werden.Based on the drawings, in which an embodiment of the invention is shown, the Invention will be explained in more detail.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 den Sensor, der sich relativ gegenüber dem Meßgut bewegt, Fig. 1 the sensor that moves relative to the material to be measured against,

Fig. 2 eine zur Ermittlung von Näherungsgeraden geeignete Plazierung von Funktionspunkten im Speichermedium, und Fig. 2 is a suitable for the determination of approximation line placement of feature points in the storage medium, and

Fig. 3 einen Ausschnitt aus dem Histogramm der Steigungen aller Kurvenscharen. Fig. 3 shows a section of the histogram of the slopes of all families of curves.

Gemäß Fig. 1 ist eine CCD-Zeilenkamera 1 als Sensor auf die Oberfläche 6 des Meßgutes gerichtet. Die Zeilenkamera 1 bewege sich in Pfeilrichtung 5 mit der Geschwindigkeit v. Auf der Oberfläche 6 des Meßgutes seien diverse Schlieren, Flecken, Schattierungen, Kratzer sowie beliebige Muster vorhanden. Die Zeilenkamera 1 erfaßt davon den linienförmigen Ausschnitt 7. Die nachgeschaltete Elektronik 2 erkennt die Struktureinzelheiten 8, mit S1-S7 bezeichnet, und ordnet diesen die elektronisch erzeugten Signale 9, mit A1(t)-A7(t) bezeichnet, zu. In einem typischen Anwendungsfall sind es weit mehr als nur sieben erkannte Struktureinzelheiten. Die Signale A(t) werden im Speichermedium 3 plaziert. Der Rechner 4 ermittelt aus den Funktionspunkten die den Struktureinzelheiten zugeordneten Kurven und berechnet deren Steigungen. Speichermedium 3 und Rechner 4 können auf einem kleinen, kompakten Mainboard zusammengefaßt sein.Referring to FIG. 1, a CCD line camera 1 is directed as a sensor to the surface 6 of the material to be measured. The line scan camera 1 moves in the direction of arrow 5 at the speed v. Various streaks, stains, shades, scratches and any pattern are present on the surface 6 of the measured material. The line camera 1 detects the line-shaped section 7 thereof. The downstream electronics 2 recognizes the structural details 8 , designated S1-S7, and assigns them the electronically generated signals 9 , designated A1 (t) -A7 (t). In a typical application, there are far more than just seven identified structural details. The signals A (t) are placed in the storage medium 3 . The computer 4 determines the curves assigned to the structural details from the function points and calculates their slopes. Storage medium 3 and computer 4 can be combined on a small, compact mainboard.

In Fig. 2 ist eine Plazierung von fünf Signalsätzen im Speichermedium 3 dargestellt. Die elektronischen Signale A_n(t_l), A_m(t₂), A_p(t₃), A_q(t₄) und A_r(t₅) entstammen Bildern, die zu den Zeitpunkten t1-t5 aus einer Folge herausgegriffen wurden. In einem typischen Anwendungsfall gibt es weit mehr Funktionspunkte A(t). Fig. 2 wäre dann nur als Ausschnitt aus der Gesamtmenge der A(t) zu betrachten. Durch die Funktionspunkte in Fig. 2 lassen sich sehr viele Geraden ziehen. Der Übersichtlichkeit halber ist in Fig. 2 nur eine einzige Gerade 10 eingezeichnet, die der Bewegung einer Struktureinzelheit zuordenbar ist. Ihre Steigung entspricht dem Wert v der Geschwindigkeit zwischen der Struktureinzelheit und dem Sensor.A placement of five sets of signals in the storage medium 3 is shown in FIG . The electronic signals A _n (t _l ), A _m (t₂), A _p (t₃), A _q (t₄) and A _r (t₅) originate from pictures which were taken from a sequence at times t1-t5. In a typical application there are far more function points A (t). Fig. 2 would then only be considered as a section of the total set of A (t). A large number of straight lines can be drawn through the function points in FIG. 2. For the sake of clarity, only a single straight line 10 is drawn in FIG. 2, which can be assigned to the movement of a structural detail. Their slope corresponds to the value v of the speed between the structural detail and the sensor.

In Fig. 3 ist ein Ausschnitt aus einem Histogramm der Steigungen abgebildet, in dem die Häufigkeit der Steigungswerte G aus einer Sequenz von fünf Bildern eingetragen ist. Mit 11 ist derjenige Bereich gekennzeichnet, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aus dem Histogramm herausgeschnitten wird. Die herausgeschnittenen Werte bilden die Basismenge für bekannte Verfahren der statistischen Mathematik zur Ermittlung der wahrscheinlichsten Steigung mit der ihr entsprechenden Geschwindigkeit v. FIG. 3 shows a section of a histogram of the gradients, in which the frequency of the gradient values G from a sequence of five images is entered. The region 11 which is cut out of the histogram by the method according to the invention is identified by 11 . The cut-out values form the basic set for known methods of statistical mathematics to determine the most likely slope with the corresponding speed v.

Claims

1. Method for non-contact measurement of the speed between an image-converting sensor, which contains an arrangement of several light-sensitive elements, and the material to be measured with any patterned and structured surface, the sensor being directed to the surface of the material to be measured and the surface of the material to be measured Photosensitive elements of the sensor is imaged, characterized in that of several images that are taken from a sequence of images, the structural details recognized in the image electronically generated signals that contain location information relating to the photosensitive elements of the sensor, and their other shape and size must not be related to the gray scale value of the structural detail, assigned and placed in a storage medium as function points, and by means of special data links and special curve selection from the multitude of the function points le Possible curves are selected from the family of curves in which each individual curve can be assigned to a structural detail, and the slope of each individual curve is a direct measure of the speed between the corresponding structural detail and the sensor.

2. The method according to claim 1, characterized in that the plurality of simultaneously an image sequence determined gradients of individual curves, the structural details can be assigned are to form a value v for the relative speed between sensor and Surface of the material to be measured.

3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the in one Detected structural details can be used for speed measurement.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the image window by the area occupied by all light-sensitive elements of the sensor is defined.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the main feature the placement consists of the electronic signals as function points of straight lines use, and the main feature of the special data link is a straight line to be regarded as recognized and to enter their slope value in a histogram if between a function point of the temporally first image, referred to here as the base point, and one Function point of the last picture in time, here designated end point, for each time an nth function point can be found between the nth image and that of a straight line Connection from base to end point no more than by a specifically defined value dA deviates, the size of dA being a function of the slope of the line, and all of detected straight lines starting at a base point at different end points be and this coverage extends to all footpoints, and that the main feature the curve selection consists of the values from the histogram of the slopes cut out that form the maximum and its adjacent falling flanks, and the lines that correspond to these cut-out values than those of the individual structures assigned to view.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the special Data linkage is additionally extended by the condition that straight lines are only recognized as are considered when two successive straight lines form a pair, where consecutive means that both base points are caused by structural details, which follow each other in the scan direction of the imager, and where pair means that between the difference in amount W only at two base points, both end points and two nth points may differ by a specifically defined value dW, the amount of W is limited upwards by a fixed value Wmax, and where dW is a function the straight slope is.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the computer immediately after evaluating an image sequence with evaluating the next image sequence begins.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that in the special Linking of data the curves that can be assigned to the structural details is not possible in all possible ways Slope values, but only in a limited interval, the The range of values of this interval is a previously determined or fixed gradient grouped.

9. The method according to claim 8, characterized in that in the evaluation of the image sequence all gradients in the entire technically possible range of values are searched, provided that last measured speed was zero.

10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the Electronic signals assigned to structural details from the position addresses of the Structural details relating to the photosensitive elements of the sensor are formed.

11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the sensor for Image conversion contains a linear array of photo receivers.

12. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the sensor for Image conversion contains one or more CCD lines.

13. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the sensor for Image conversion contains a two-dimensional arrangement of photo receivers.

14. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the sensor for Image conversion one or more CCD matrices with pixels in both directions Contains area.

15. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the sensor for Image conversion contains a combination of CCD lines and CCD matrices.