DE69923120T2

DE69923120T2 - Vorrichtung und Verfahren zum Feststellen von hellen oder dunklen Flecken

Info

Publication number: DE69923120T2
Application number: DE69923120T
Authority: DE
Inventors: Minoru Kawasaki-shi Fujita
Original assignee: Toshiba Engineering Corp
Current assignee: Toshiba Engineering Corp
Priority date: 1998-07-21
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2019-05-28
Also published as: JP2000036033A; EP0974832B1; CA2269248A1; EP0974832A3; DE69923120D1; EP0974832A2; US6614918B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Licht-und-Schatten-Untersuchungsvorrichtung und Verfahren zur Verwendung bei der Untersuchung von Licht-und-Schattendefekten auf einer Rolle (oder Bahn) aus Material auf der Basis von Bilddaten, die von einer Bildaufnahmeeinrichtung erzeugt werden, die ein Bild der Bahn (z.B. Papier, Film, Vlies usw.) aufnimmt, die eine bestimmte Breite aufweist und sich in eine Richtung bewegt. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Licht-und-Schatten-Untersuchungsvorrichtung zum Untersuchen von Licht-und-Schatten-Abschnitten und ein Verfahren zu ihrer Implementierung, wodurch Schwankungen bei einer Hintergrundleuchtkraft (z.B. Leuchtdichte), die in einer Breitenrichtung (z.B. Querrichtung) der Bahn auftreten, präzise eliminiert werden können.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ist 10 ein Blockschaltbild, das eine zum Untersuchen einer Bahn 2 verwendete herkömmliche Licht-und-Schatten-Untersuchungsvorrichtung 1000 zeigt. Die Vorrichtung 1000 enthält eine Zeilensensorkamera 1 zum Aufnehmen eines Bilds der Bahn 2 als ein untersuchtes Objekt, das eine konstante Breite aufweist und sich in eine Richtung bewegt, eine Leuchte 3 zum Beleuchten einer von der Kamera 1 aufgenommenen Zone und eine Bildverarbeitungseinrichtung 4 zum Verarbeiten von Daten des von der Kamera 1 aufgenommenen Bilds und Untersuchen von Licht-und-Schattendefekten auf der Bahn.
Die Zeilensensorkamera 1 enthält beispielsweise ein Fotodetektorarray aus 1024 Elementen (z.B. ein ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD)), die entlang einer Linie angeordnet sind. Insbesondere ist die Kamera 1 oberhalb eines Mittelabschnitts der Bahn angeordnet, so daß die Fotodetektoren in einem Zeilenarray über die Bahn hinweg in ihrer Querrichtung (Breitenrichtung) und parallel zu der Querrichtung angeordnet sind. Die Leuchte 3 ist unterhalb der Bahn 2 (z.B. auf der Unterseite der Bahn) angeordnet, um die von der Kamera 1 aufzunehmende Zone von einer Rückfläche der Bahn 2 aus zu beleuchten.
Die Bildverarbeitungseinrichtung 4 enthält einen Bildabschnitt 5 zum Durchführen einer Analog-/Digital-Umsetzung (A/D) eines von der Kamera 1 ausgegebenen, aufgenommenen Bildsignals und zum Erfassen des resultierenden (digitalisierten) Signals als Bilddaten der Leuchtdichteinformationen (z.B. Helligkeit oder Leuchtkraft) (z.B. mit 256 Graustufen spezifiziert) in die Bildverarbeitungseinrichtung 4, einen mit einem Ausgang des Bildeingabeabschnitts 5 gekoppelten ersten Vergleicher 6, der dafür ausgelegt ist, die Bilddaten mit einem ersten Schwellwert S1 zu vergleichen, und einen ebenfalls an den Ausgang des Bildeingabeabschnitts 5 gekoppelten zweiten Vergleicher 7, der dafür ausgelegt ist, die Bilddaten mit einem zweiten Schwellwert S2 zu vergleichen. Der erste Schwellwert S1 wird in einer ersten Voreinstellungseinrichtung 8 voreingestellt und der zweite Schwellwert S2 wird in einer zweiten Voreinstelleinrichtung 9 voreingestellt.
Die Funktionsweise der oben erwähnten Licht-und-Schattendefekt-Untersuchungsvorrichtung 1000 wird unter Bezugnahme auf 11 beschrieben. Ein Zeitdiagramm zeigt ein Helligkeitsmuster der mit einem Scan der Zeilensensorkamera 1 erhaltenen Bilddaten. Im Zeitdiagramm zeigt die horizontale Achse (x) eine Position auf der Bahn 2 in Querrichtung an, wohingegen die vertikale Achse einen Grad der Helligkeit oder Leuchtkraft der Bilddaten anzeigt.
Wenn sich auf der Bahn 2 ein Defekt befindet, der im allgemeinen die Helligkeit erhöht (z.B. ein Loch oder ein Fehler), dann erscheint in den Bilddaten ein Abschnitt mit hoher Helligkeit (z.B. Bezugszahl 11 oder 12), wie in 11 gezeigt. Der Vergleicher 6 detektiert einen hellen Defekt, wenn dieser Abschnitt höher ist als der erste Schwellwert S1. Wenn sich jedoch auf der Bahn 2 ein Defekt befindet, der im allgemeinen seine Helligkeit senkt (z.B. durch einen Fleck, einen anhaftenden Fremdkörper usw. verursacht), dann erscheint in den Bilddaten ein Abschnitt mit niedriger Helligkeit (oder ein Schattenabschnitt), der durch die Zahl 13 oder 14 angegeben ist, wie in 11 gezeigt. Der Vergleicher 7 detektiert einen Schattendefekt, wenn dieser Abschnitt niedriger ist als der zweite Schwellwert S2.
Somit untersucht die herkömmliche Licht-und-Schattendefekt-Untersuchungsvorrichtung 1000 das Vorliegen oder die Abwesenheit von Licht-und-Schattendefekten durch Vergleichen der Bilddaten mit zwei Schwellwerten. Wenn jedoch die Zeilensensorkamera 1 ein Bild der Bahn 2 aufnimmt, während die Bahn 2 von der Leuchte 3 beleuchtet wird, wie in 10 gezeigt, dann nimmt im allgemeinen die Helligkeit der Bahn 2 in zentralen und benachbarten Teilen davon aufgrund der Charakteristik der Kameralinsen und des kondensierenden Grads der Leuchte zu. Dadurch können die Bilddaten des aufgenommenen Bilds wie in 12 variieren, anstatt wie in 11. Wenn in diesem Fall Schwellwerte für die Bilddaten von 12 als S1, S2 festgelegt werden, wie in 11 gezeigt, werden Defekte wie etwa die Zahlen 11A, 13A von 12 möglicherweise nicht detektiert, obwohl sie korrekt als wahre Defekte detektiert werden, da sie hinsichtlich Größenordnung oder Größe scheinbar kleiner sind als ihre entsprechenden Schwellwerte.
Angesichts des oben gesagten eliminiert bekannterweise eine Licht-und-Schattendefekt-Untersuchungsvorrichtung 1300 wie in 13 gezeigt das oben erwähnte Problem.
Unter Bezugnahme auf 13, in der sich gleiche Bezugszahlen von 10 auf gleiche Teile beziehen, wird eine Bildverarbeitungseinrichtung 4A gezeigt.
Die Bildverarbeitungseinrichtung 4a enthält einen Bildeingabeabschnitt 5 zum Ausführen einer A/D-Umsetzung eines von der Kamera 1 ausgegebenen, aufgenommenen Bildsignals und zum Erfassen des resultierenden (digitalisierten) Signals als Bilddaten in die Bildverarbeitungseinrichtung 4A, einen an einen Ausgang des Bildeingabeteils 5 gekoppelten eindimensionalen Filter 15 zum Ausführen einer Glättungsverarbeitung von durch einen Scan der Kamera 1 erhaltenen 1024 Bilddaten, einen an einen Ausgang des Filters 15 gekoppelten ersten Addierer 16 zum Erhalten eines ersten Schwellwerts S1' durch Addieren eines ersten voreingestellten Werts zu einem vom Filter 15 ausgegebenen geglätteten Signal und einen ähnlich an den Filter 15 gekoppelten zweiten Addierer 17 zum Erhalten eines zweiten Schwellwerts S2' durch Addieren eines zweiten voreingestellten Werts zu dem geglätteten Signal.
Zudem enthält die Bildverarbeitungseinrichtung 4A einen an Ausgänge des Bildeingabeabschnitts 5 und des ersten Addierers 16 gekoppelten ersten Vergleicher 18 zum Vergleichen der Bilddaten mit dem ersten Schwellwert S1' und einen an Ausgänge des Bildeingabeabschnitts 5 und des zweiten Addierers 17 gekoppelten zweiten Vergleicher 19 zum Vergleichen der Bilddaten mit dem zweiten Schwellwert S2'. Hier wird der erste Schwellwert S1 in einer ersten Voreinstelleinrichtung 20 voreingestellt und der zweite Schwellwert S2 wird in einer zweiten Voreinstelleinrichtung 21 eingestellt.
Bei dieser Konfiguration werden der erste und zweite voreingestellte Wert in der ersten und zweiten Voreinstelleinrichtung 20 und 21 jeweils zu dem von dem eindimensionalen Filter 15 erhaltenen geglätteten Signal addiert, wodurch die jeweiligen voreingestellten Werte S1' und S2' als Reaktion auf die Schwankung der Helligkeit (Leuchtdichte) über die Breite der Bahn geändert werden kann. Somit können Defekt 11A und 13A, die nicht als Defekte in 12 detektiert werden, wie in 14 gezeigt detektiert werden.
Trotz der verbesserten Vorrichtung besteht jedoch weiterhin ein mit der verbesserten Licht-und-Schattendefekt-Untersuchungsvorrichtung 1300 verbundenes Problem dahingehend, daß ein Bereich jedes in 11 oder 14 gezeigten Defekts zunimmt. Es sei angemerkt, daß eine Länge L des Defekts, der als Bilddaten erscheint, gleich oder größer als eine mittlere Länge von von dem eindimensionalen Filter 15 ausgegebenen Daten sein kann. In diesem Fall wird eine auf den Defekt zurückzuführende Helligkeitsschwankung möglicherweise ähnlich wie eine Helligkeitsschwankung der Hintergrundhelligkeit verarbeitet und der Schwellwert variiert mit der Defekthelligkeit. Dadurch wird die Berechnung der Hintergrundhelligkeit durch die Defekthelligkeit beeinflußt, wodurch in einem berechneten Wert ein Fehler verursacht wird.
Beispielsweise könnte, siehe 15, ein Problem dahingehend auftreten, daß innerhalb einer Zone W1 nur die Abschnitte W2, W3 als fehlerhaft detektiert würden, wobei die Zone W1 dann im wesentlichen als ein Defekt detektiert würde, aber ein zentraler Abschnitt W4 würde möglicherweise nicht als fehlerhaft detektiert.
Das obige Problem wird dadurch verursacht, daß der Bildaufnahmebereich über die Breite der von der Zeilensensorkamera abgedeckten Bahn eingeschränkt ist, und der Bereich des Defekts nimmt bezüglich der mittleren Länge von Daten, die in dem Bildaufnahmebereich verwendet werden, zu. Außerdem verschlimmert sich das Problem, wenn der fehlerhafte Bereich größer wird.
Dementsprechend besitzt die herkömmliche Licht-und-Schattendefekt-Untersuchungsvorrichtung 1300 insofern einen signifikanten Mangel, daß eine Licht-und-Schattendefekt-Untersuchung einer Bahn mit Defekten unterschiedlicher Größe darauf (z.B. im Bereich von einem kleinen fehlerhaften Bereich zu einem großen fehlerhaften Bereich) nicht unter Einsatz nur eines einzigen optischen Systems durchgeführt werden kann.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Bildverarbeitungseinrichtung für eine Licht-und-Schatten-Untersuchungsvorrichtung vorgesehen, die folgendes umfaßt:
Mittel zum Berechnen von Projektionsdaten durch Addieren der an einer vorbestimmten Position erhaltenen Bilddaten, bis die Anzahl der Bilddaten eine vorbestimmte Zahl erreicht, wobei die vorbestimmte Zahl von Bilddaten darin eingegeben wird, wobei die Bilddaten durch Scannen einer Abmessung eines Objekts erzeugt werden und jeweilige der Bilddaten bei jedem Scan des Objekts erzeugt werden; Mittel zum Berechnen der Hintergrundleuchtdichte des Objekts über die Abmessung davon auf der Basis der von dem Projektionsdaten berechnenden Mittel erzeugten Projektionsdaten; und Mittel zum Subtrahieren der durch das eine Hintergrundleuchtdichte berechnende Mittel erzeugten Hintergrundleuchtdichte von den in das Projektionsdaten berechnende Mittel eingegebenen Bilddaten.
Bei einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Licht-und-Schatten-Untersuchungsvorrichtung bereitgestellt zum Aufnehmen eines Bilds eines zu untersuchenden Objekts, beispielsweise eines, das eine konstante Breite aufweist und sich in einer Richtung bewegt, um Bilddaten zu erzeugen, und zum anschließenden Durchführen einer Licht-und-Schatten-Untersuchung des Objekts auf der Basis der Bilddaten, wobei die Vorrichtung folgendes enthält:
eine Bildaufnahmeeinrichtung zum Aufnehmen eines Bilds eines Objekts über eine Gesamtbreite davon, um Bilddaten zu erzeugen;
einen Projektionsoperationsabschnitt zum Berechnen von Projektionsdaten durch Addieren der Bilddaten gemäß einer vorbestimmten Anzahl, wobei die Bilddaten bei jedem Scan der Bildaufnahmeeinrichtung bei einer vorbestimmten Position entlang der Breite des Objekts erzeugt werden;
einen Hintergrundhelligkeitsoperationsabschnitt zum Berechnen der Hintergrundhelligkeit des Objekts über seine Breite hinweg auf der Basis der von dem Projektionsoperationsabschnitt erzeugten Projektionsdaten und
einen Differenzoperationsabschnitt zum Subtrahieren der durch den Hintergrundhelligkeitsoperationsabschnitt erzeugten Hintergrundhelligkeit von den von der Bildaufnahmeeinrichtung erzeugten Bilddaten, wodurch Schwankungen der Hintergrundhelligkeit über die Breite des Objekts im wesentlichen aus den Bilddaten eliminiert werden.
Mit dieser Anordnung kann die Menge zusätzlicher Daten ohne Probleme für die Berechnung der Projektionsdaten als Reaktion auf die Anzahl der Scans erhöht werden. Dadurch kann die Anzahl der beim Berechnen der Hintergrundhelligkeit verwendeten Daten im Vergleich zu der Anzahl von Daten für den fehlerhaften Bereich erheblich erhöht werden. Somit reduziert die vorliegende Erfindung die nachteiligen Einflüsse von Defekten aus der Berechnung der Hintergrundhelligkeit, wodurch Schwankungen der Hintergrundhelligkeit mit hoher Präzision aus den Bilddaten entfernt werden.
In der Licht-und-Schatten-Untersuchungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Hintergrundhelligkeitsoperationsabschnitt zusätzlich folgendes enthalten:
einen Filter zum Glätten der Projektionsdaten über die Breite des Objekts hinweg, die von dem Projektionsoperationsabschnitt erzeugt werden; und
einen Normalisierungsabschnitt zum Dividieren der geglätteten Daten durch die vorbestimmte Anzahl der addierten Bildaten, wodurch die Hintergrundhelligkeit berechnet wird.
Die Licht-und-Schatten-Untersuchungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner einen Vergleicherabschnitt zum Vergleichen der Ausgabe des Differenzoperationsteils mit einem vorbestimmten Wert enthalten, um Licht-und-Schattendefekte zu detektieren.
So wird eine höchst zuverlässige Licht-und-Schatten-Untersuchungsvorrichtung bereitgestellt, die unabhängig von der Größe des Defekts in der Lage ist, einen Defekt mit einer bestimmten Helligkeit mit hoher Präzision zu detektieren.
Außerdem kann bei der Licht-und-Schatten-Untersuchungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Bildaufnahmeeinrichtung eine Zeilensensorkamera enthalten, die auf das Objekt ausgerichtet und über die Breite des Objekts hinweg angeordnet ist. Selbst wenn eine derartige Zeilensensorkamera verwendet wird, kann die Datenmenge für die Berechnung der Hintergrundhelligkeit als Reaktion auf die Anzahl der Scans der Kamera erhöht werden, wodurch die Hintergrundhelligkeit mit hoher Präzision berechnet werden kann. Außerdem gestattet die Verwendung dieser Zeilensensorkamera die Reduzierung der Herstellungskosten im Vergleich zu der Verwendung einer Flächensensorkamera.
Zudem kann bei der Licht-und-Schatten-Untersuchungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die bei dem Projektionsoperationsabschnitt zu addierende vorbestimmte Anzahl der Bilddaten als Reaktion auf die Größe eines fehlerhaften Licht-und-Schattenbereichs geändert werden.
Bei dieser Anordnung wird bei einem großen fehlerhaften Bereich die zu addierende Anzahl von Bilddaten entsprechend erhöht, und bei einem kleinen fehlerhaften Bereich wird diese Zahl entsprechend reduziert, wodurch man die Hintergrundhelligkeit mit nur einem optischen System mit hoher Präzision und Effizienz und ohne irgendeinen Effekt, der auf die Größe des fehlerhaften Bereichs zurückzuführen ist, erhalten kann. Außerdem ist diese Anordnung preiswert. Das Ändern der vorbestimmten Anzahl kann durch Operieren und Variieren einer voreingestellten Zahl N im Projektionsoperationsabschnitt durchgeführt werden.
Zudem kann in der Licht-und-Schatten-Untersuchungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die operationelle Berechnung der Hintergrundhelligkeit beim Hintergrundhelligkeitsoperationsabschnitt bei Abschluß einer vorbestimmten Anzahl von Scans durch die Bildaufnahmeeinrichtung durchgeführt werden, und die Differenzoperationsberechnung beim Differenz-operationsabschnitt kann bezüglich eingegebener Bilddaten durch Verwendung der Hintergrundhelligkeit durchgeführt werden, die durch die Hintergrundhelligkeitsoperationsberechnung berechnet wurde, die unmittelbar vor dieser Eingabe der Bilddaten durchgeführt wurde.
Mit dieser Anordnung kann eine präzise Hintergrundhelligkeit hergestellt werden, indem Schwankungen der Hintergrundhelligkeit verfolgt werden, die während Bewegungen des Objekts oder im Laufe der Zeit auftreten, und weiterhin können Präzision, Zuverlässigkeit und Stabilität der Hintergrundhelligkeit sichergestellt werden.
Bei einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Licht-und-Schatten-Untersuchung eines Objekts bereitgestellt, das folgendes umfaßt:
Aufnehmen eines Bilds eines Objekts über eine Abmessung davon; Berechnen von Projektionsdaten durch Addieren der bei einer vorbestimmten Position erhaltenen Bilddaten, bis die Anzahl der Bilddaten eine vorbestimmte Zahl erreicht, wobei jede vorbestimmte Position entlang der Abmessung des Objekts liegt; Berechnen der Hintergrundhelligkeit des Objekts über die Abmessung davon durch Glätten und Normieren der Projektionsdaten ; und Subtrahieren der berechneten Hintergrundhelligkeit von den Bilddaten, wodurch Schwankungen der Hintergrundhelligkeit über die Abmessung des Objekts aus den Bilddaten im wesentlichen eliminiert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Licht-und-Schatten-Untersuchungsverfahren bereitgestellt, bei dem ein zu untersuchendes Objekt, das eine konstante Breite aufweist und sich in eine Richtung bewegt, aufgenommen wird, um Bilddaten davon zu erzeugen, und dann auf der Basis der Bilddaten Licht-und-Schatten-Abschnitte auf dem Objekt untersucht werden, wobei das Verfahren folgendes beinhaltet:
Aufnehmen eines Bilds eines Objekts über eine Breite davon, um Bilddaten zu erzeugen;
Berechnen von Projektionsdaten durch Addieren der Bilddaten gemäß einer vorbestimmten Anzahl, wobei Bilddaten jeweils an einer vorbestimmten Position entlang der Breite des Objekts erzeugt werden;
Berechnen der Hintergrundhelligkeit des Objekts über die Breite hinweg durch Durchführen von glättenden und normierenden Verarbeitungsoperationen der Projektionsdaten und
Eliminieren von Schwankungen der Hintergrundhelligkeit über die Breite des Objekts hinweg aus den Bilddaten durch Subtrahieren der berechneten Hintergrundhelligkeit von den Bilddaten.
Indem dieses Verfahren implementiert wird, kann eine zusätzliche Datenmenge ohne Probleme für das Berechnen der Projektionsdaten als Reaktion auf die Anzahl der Scans erhöht werden. Dadurch kann die Anzahl der Daten zur Berechnung der Hintergrundhelligkeit im Vergleich zu der Anzahl der Daten für den fehlerhaften Bereich wesentlich erhöht werden. Somit werden nachteilige Effekte von Defekten aus der Berechnung der Hintergrundhelligkeit reduziert, wodurch Schwankungen der Hintergrundhelligkeit mit hoher Präzision aus den Bilddaten entfernt werden.
Angesichts der obigen und weiterer Probleme von herkömmlichen Systemen und Verfahren zielt die vorliegende Erfindung somit auf eine Licht-und-Schatten-Untersuchungsvorrichtung und ein Verfahren mit hoher Zuverlässigkeit und geringen Kosten ab. Mit der vorliegenden Erfindung können Defekte auf einer Bahn zuverlässig untersucht werden, indem nur ein optisches System verwendet und indem die Hintergrundhelligkeit, ungeachtet der Größe der Defekte (z.B. von einem kleinen Bereich bis zu einem großen Bereich), präzise eliminiert wird. Infolgedessen wird eine Licht-und-Schatten-Untersuchung mit geringen Herstellungskosten und mit hoher Präzision bereitgestellt.
Die vorliegende Offenbarung ist mit dem Gegenstand verwandt, der in der am 21. Juli 1998 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 10-205251 enthalten ist.
Es werden nun Licht-und-Schatten-Untersuchungsvorrichtungen und -verfahren, jeweils gemäß der vorliegenden Erfindung, beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild, das eine bevorzugte Ausführungsform einer Licht-und-Schatten-Untersuchungsvorrichtung 100 zeigt;
2 ein Schemadiagramm, das eine Datenstruktur zeigt, die in einem Speicher der Licht-und-Schatten-Vorrichtung 100 von 1 eingefangen wird;
3 ein Schemadiagramm, das eine Operation eines Projektionsoperationsabschnitts der Licht-und-Schatten-Untersuchungsvorrichtung 100 von 1 zeigt;
4 ein Schemadiagramm, das Projektionsdaten zeigt;
5 ein Schemadiagramm, das eine Operation eines eindimensionalen Filters 32 der Licht-und-Schatten-Vorrichtung 100 von 1 zeigt;
6 ein Schemadiagramm, das geglättete Daten als eine Ausgabe des eindimensionalen Filters 32 der Licht-und-Schatten-Untersuchungsvorrichtung 100 von 1 zeigt;
7 ein Schemadiagramm, das eine Hintergrundhelligkeit (Leuchtdichte) als Ausgabe eines Normierungsteils 33 der Licht-und-Schatten-Untersuchungsvorrichtung 100 von 1 zeigt;
8 ein Schemadiagramm, das aufgenommene Bilddaten zeigt; und
9 ein Schemadiagramm, das eine Operation eines Vergleicherabschnitts 40 der Licht-und-Schatten-Untersuchungsvorrichtung 100 von 1 zeigt.
Unter Bezugnahme auf 1 ist eine Licht-und-Schatten-Untersuchungsvorrichtung 100, die auf eine Licht-und-Schattendefekt-Untersuchungseinrichtung für eine Bahnuntersuchung angewendet ist, in Form eines Funktionsblockdiagramms dargestellt.
Die Licht-und-Schattendefekt-Untersuchungsvorrichtung 100 enthält eine Zeilensensorkamera 1 zum Aufnehmen eines Bilds einer Bahn 2 als ein zu untersuchendes Objekt, das eine im wesentlichen konstante Breite aufweist und sich in eine Richtung bewegt, eine Leuchte 3 zum Beleuchten einer Zone auf der Bahn, über der die Kamera 1 das Bahnbild aufnimmt, und eine Bildverarbeitungseinrichtung 4B, über die Bilddaten auf der Basis des von der Kamera 1 aufgenommenen Bahnbilds verarbeitet werden, um Licht-und-Schattendefekte auf der Bahn zu untersuchen.
Die Zeilensensorkamera 1 enthält 1024 Fotorezeptoren (z.B. ein ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD)), die in einem Array entlang einer Linie und über einem zentralen Abschnitt in einer Breitenrichtung oder über die Breite der Bahn 2 hinweg und in einer parallelen Beziehung zu der Breitenrichtung angeordnet sind. Die Leuchte 3 ist unter der Bahn 2 plaziert, um die Bahnzone, die von der Kamera 1 aufgenommen werden soll, von der Rückseite der Bahn aus zu beleuchten (z.B. erhellen).
Wie in 1 gezeigt, enthält die Bildverarbeitungseinrichtung 4B einen an einen Ausgang der Kamera 1 gekoppelten Bildeingabeabschnitt 5A, einen an einen Ausgang des Bildeingabeabschnitts 5A gekoppelten Licht-und-Schattendetektionsfilterungsabschnitt 30 und einen an einen Ausgang des Licht-und-Schattendetektionsfilterungsabschnitts 30 gekoppelten Vergleicherabschnitt 40.
Der Bildeingabeabschnitt 5A enthält einen Analog-/Digital-(A/D)-Wandler 5a zum Durchführen einer A/D-Umwandlung eines analogen Signals des von der Kamera 1 ausgegebenen, aufgenommenen Bilds und zum Erzeugen eines digitalisierten Bildsignals, und einen Speicher 5b zum Speichern von Bildsignalen als Bilddaten, die hergestellt werden durch Digitalisieren der durch mehrere Scans der Kamera 1 erhaltenen analogen Bildsignale. Dadurch werden die von der Kamera 1 aufgenommenen Bildsignale in der Bildverarbeitungseinrichtung 4B erfaßt.
Der Licht-und-Schattendetektionsfilterungsabschnitt 30 enthält einen Projektionsoperationsabschnitt 31, der an einen Ausgang des Bildeingabeabschnitts 5A gekoppelt ist, einen an einen Ausgang des Projektionsoperationsabschnitts 31 gekoppelten eindimensionalen Filter 32, einen an einen Ausgang des Filters 32 gekoppelten Normierungsabschnitt 33 und einen an Ausgänge des Normierungsabschnitts 33 und des A/D-Wandlers 5a gekoppelten Subtrahierer 34. Der eindimensionale Filter 32 und der Normierungsabschnitt 33 bilden einen (z.B. arithmetischen) Hintergrundhelligkeitsoperationsabschnitt 35.
Der Vergleicherabschnitt 40 enthält eine erste Voreinstellungseinrichtung 43, in der ein erster Schwellwert S1 voreingestellt wird, eine zweite Voreinstelleinrichtung 44, in der ein zweiter Schwellwert S2 voreingestellt wird, einen an die Ausgänge des Subtrahierers 34 und der ersten Voreinstelleinrichtung 33 gekoppelten ersten Vergleicher 41 zum Vergleichen des Ausgangssignals des Subtrahierers 34 mit dem ersten Schwellwert S1 und einen an Ausgänge des Subtrahierers 34 und des zweiten Schwellwerts S2 gekoppelten zweiten Vergleicher 42 zum Vergleichen des Ausgangssignals des Subtrahierers 34 mit dem zweiten Schwellwert S2.
2 zeigt eine beispielhafte Datenstruktur, die im Speicher 5b erfaßt wird. In 2 stellt eine horizontale Achse (z.B. X-Achse) ein Gebiet von Datenpositionen dar, das über einen Scan der Zeilensensorkamera 1 gescannt wird. Eine X-Koordinate gibt eine Position des Zeilensensors an, die einer Positionskoordinate auf der Bahn 2 in der Breitenrichtung entspricht. In dem Beispiel von 2 entspricht eine Positionskoordinate von x = 0 einem Ende oder seinem benachbarten Abschnitt der Bahn, wohingegen eine Positionskoordinate von x = M dem anderen Ende oder seinem benachbarten Abschnitt der Bahn entspricht. Bei dieser Ausführungsform wird angenommen, daß zum Aufnehmen eines Bilds über die Breite der Bahn hinweg 1024 Fotorezeptoren verwendet werden (z.B. M = 1024).
In 2 gibt eine vertikale Achse (z.B. Y-Achse) die Anzahl der Scans der Kamera 1 an und weist als die daran vorgesehene Scannummer die Bezugszahlen 1 bis 11 auf. Beispielsweise gibt die Scannummer 0 den ersten Scan der Kamera an. In 2 sind i Nummern aufgetragen, wobei alle sequentiell jeweils für N Scans organisiert sind. Die Zahl i kann ausgedrückt werden durch i = [y/N] mit der Gaußschen Notation [ ].
Bei dieser Ausführungsform ist die Anzahl von N auf 4 eingestellt, doch kann diese Anzahl N gegebenenfalls selektiv abgeändert werden. Wenn beispielsweise ein fehlerhafter Bereich groß ist, kann die Zahl N gemäß der Größe ihres fehlerhaften Bereichs erhöht werden.
Als eine in 2 gezeigte Datenstruktur sind die Scannummern von 0 bis 11 gezeigt, doch die Nummer von im Speicher gespeicherten Daten ist die Scannummer 0–N (4), mit der die Berechnung (z.B. die Projektionsoperation) durchgeführt wird.
Der Projektionsoperationsabschnitt 31, wie in 1 gezeigt, bestimmt eine Projektion unter Verwendung von Scandaten von N Zeilen (N × M) an einem Zeitpunkt aus dem Speicher, die für seine Operation repräsentativ sind, und zwar in 3. Wie in 3 gezeigt, werden N Bilddaten bei jeder X-Koordinate addiert, um einen schraffierten Abschnitt S zu erzeugen (d.h., Bilddaten an einer vorbestimmten Position in der Querrichtung des zu untersuchenden Objekts werden so lange addiert, bis die Anzahl seiner Bilddaten eine vorbestimmte Anzahl erreicht), wodurch Projektionsdaten wie in 4 gezeigt bereitgestellt werden.
Diese Operation oder Berechnung wird durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt: Pi(x) = Σf(x, y) (1)wobei i = [y/N], wobei N eine Anzahl von zu addierenden Zeilen definiert, wobei diese Addition bis zu N Zeilennummern durchgeführt wird, wobei mit der Zählung begonnen wird bei y = N·i, (d.h. bis zu N·i + N – 1).
Als nächstes führt der eindimensionale Filter 32 die Glättung der von dem Projektionsoperationsabschnitt 31 erzeugten Projektionsdaten in einem Bereich zwischen +m und –m, beginnend bei seiner X-Koordinate (x₁) in der Richtung der X-Achse, durch, wodurch geglättete Daten erzeugt werden, wie in 6 gezeigt. Diese Operation oder Berechnung wird durch die folgende Gleichung (2) definiert: Pi(x) = (Σpi(x – m + j)g(j)/Σg(j)) (2)wobei die Operationsaddition mit j = 0~2m durchgeführt wird und g für eine Filterfunktion repräsentativ ist, aber durch eine Konstante ersetzt werden kann.
Der Normierungsabschnitt 33 dividiert die geglätteten Daten durch die Anzahl N von zu addierenden Zeilen, wodurch eine Hintergrundhelligkeit Gi(x) erhalten wird, wie in 7 gezeigt. Diese Operation ist gegeben durch die folgende Gleichung (3): Gi(x) = Pi(x)/N (3)
Der Subtrahierer 34 subtrahiert die erhaltene Hintergrundhelligkeit Gi(x) von von der Kamera 1 in den Bildeingabeabschnitt 5A neu eingegebenen Bilddaten f(x, y). Diese Operation oder Berechnung wird durch die folgende Gleichung (4) definiert: F(x, y) = f(x, y) – Gi(x), I = [y/N] (4)
Mit dieser Operation werden die eingegebenen Bilddaten f(x, y), wie in 8 gezeigt, durch eine Funktion F(x, y) geändert oder ausgedrückt, aus der Schwankungen der Hintergrundhelligkeit eliminiert sind. Wie aus den 8 und 9 deutlich wird, sind Lichtdefekte 50, 51 und ein Schattendefekt 54 jeweils als relativ kleine fehlerhafte Bereiche gezeigt, und ein Lichtdefekt 52 und ein Schattendefekt 53 sind jeweils als relativ große fehlerhafte Bereiche gezeigt. Insbesondere ist aus der durch die Löschung der Hintergrundhelligkeit verdeutlichten 9 zu erkennen, daß der Einfluß des fehlerhaften Bereichs auf die Hintergrundhelligkeit vernachlässigbar ist.
Danach vergleicht der erste Vergleicher 41 diese Funktion F(x, y) mit dem ersten Schwellwert S1, und dann werden die Bilddaten (Bereich) als ein Lichtdefekt eingestuft, wenn die Funktion F(x, y) höher ist als der erste Schwellwert 1. Außerdem vergleicht der zweite Vergleicher 42 die Funktion F(x, y) mit dem zweiten Schwellwert S2, und dann werden die Bilddaten (Bereich) als ein Schattendefekt eingestuft, wenn die Funktion F(x, y) niedriger ist (z.B. größer in ihrem Absolutwert) als der zweite Schwellwert S2.
Die oben erwähnte Operation durch den Licht-und-Schattendetektionsfilterungsabschnitt 30 wird nach jeder vorbestimmten Anzahl N von Scans der Kamera 1 ausgeführt. Zudem wird eine Differenzoperation durch den Subtrahierer 34 bezüglich der eingegebenen Bilddaten f(x, y) durchgeführt, wobei die Hintergrundhelligkeit (z.B. i = [y/N] in Gleichung (4)) verwendet wird, die durch die unmittelbar vor dieser Eingabe der Bilddaten f(x, y) ausgeführte Hintergrundhelligkeitsoperation erhalten wurde. Die Hintergrundhelligkeitsoperation nach dem Abschluß einer erstmaligen vorbestimmten Anzahl N von Scans kann immer dann durchgeführt werden, wenn ein Scan beendet ist, ohne daß irgendwelche Probleme verursacht werden.
Aufgrund dieser Konfiguration kann eine präzise Hintergrundhelligkeit trotz Schwankungen bei der Hintergrundhelligkeit hergestellt werden, die während Bewegungen des zu untersuchenden Objekts oder im Laufe der Zeit auftreten. Zudem werden mit der vorliegenden Erfindung Präzision, Zuverlässigkeit und Stabilität der Hintergrundhelligkeit sichergestellt. Gemäß dem obigen Verfahren erhält man die Hintergrundhelligkeit für eine Periode erst bei Beendigung einer erstmaligen vorbestimmten Anzahl N von Scans. Für diese Zeitperiode könnten jedoch empirische Werte als die Hintergrundhelligkeit verwendet werden. Es versteht sich, daß die Helligkeitsdetektion für diesen Zeitraum ansonsten möglicherweise vernachlässigbar sein kann.
Wie oben erwähnt wird die Differenzoperation bezüglich nächster Bilddaten durchgeführt, die nach den Bilddaten eingegeben werden, mit denen die Berechnung der Hintergrundhelligkeit zuvor durchgeführt wurde. Somit wird die Differenzoperation zwischen den aktuellen eingegebenen Bilddaten und den unmittelbar zuvor eingegebenen Bilddaten durchgeführt. Weiterhin können die Bilddaten an sich verwendet werden, mit denen die Hintergrundhelligkeit berechnet wird, und zwar als solche zum Subtrahieren mit dieser Hintergrundhelligkeit. Zudem ist der Speicher 5b vorgesehen, um die für die Projektionsoperation zu verwendenden Bilddaten vorübergehend zu speichern. Es ist jedoch möglich, Daten an den jeweiligen x-Koordinaten als Reaktion auf jeden Scan zu addieren und die Projektionsoperation in Echtzeit durchzuführen. Zudem kann die vorliegende Erfindung anstelle der Zeilensensorkamera durch eine Flächensensorkamera ausreichend realisiert werden.
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird zuerst ein zu untersuchendes Objekt über seine Querrichtung aufgenommen, um seine Bilddaten zu erhalten, dann wird die Anzahl der Bilddaten, die bei jedem Scan bei einer vorbestimmten Position erhalten werden können, bis zu einer vorbestimmten Anzahl addiert, um Projektionsdaten zu berechnen, dann werden die Projektionsdaten durch glättende und normierende Verarbeitungsoperationen verarbeitet, um eine Hintergrundhelligkeit über die Querrichtung des Objekts hinweg zu berechnen, und schließlich wird die Hintergrundhelligkeit von den Bilddaten subtrahiert, um Schwankungen der Hintergrundhelligkeit über die Querrichtung des Objekts hinweg aus den Bilddaten zu eliminieren.
Somit kann die Anzahl der Daten ohne Probleme für die Berechnung der Projektionsdaten als Reaktion auf die Anzahl von Scans erhöht werden. Infolge dessen kann die Anzahl der Daten zum Berechnen der Hintergrundhelligkeit im Vergleich zur Anzahl der Daten zum Herstellen des fehlerhaften Bereichs erheblich erhöht werden. Dementsprechend werden nachteilige Beeinflussungen von Defekten aus der Berechnung der Hintergrundhelligkeit reduziert, wodurch man eine höchst zuverlässige Licht-und-Schatten-Untersuchungsvorrichtung und ein höchst zuverlässiges Verfahren zum Entfernen von Schwankungen der Hintergrundhelligkeit von den Bilddaten und Detektieren von Licht-und-Schattendefekten unabhängig von ihren Größen und mit hoher Präzision erhält.
Wenngleich die Grundlagen der Erfindung oben in Verbindung mit einer spezifischen Ausführungsform und besonderen Modifikationen davon beschrieben worden sind, ist eindeutig zu verstehen, daß diese Beschreibung nur beispielhaft und nicht als Beschränkung des Schutzbereichs der Erfindung erfolgt. Während die Erfindung im Hinblick auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden ist, erkennt der Fachmann, daß die Erfindung mit einer Modifikation innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche praktiziert werden kann.

Claims

Bildverarbeitungseinrichtung für eine Licht-und-Schatten-Untersuchungsvorrichtung, die folgendes umfaßt: Mittel (31) zum Berechnen von Projektionsdaten durch Addieren der an einer vorbestimmten Position erhaltenen Bilddaten, bis die Anzahl der Bilddaten eine vorbestimmte Zahl erreicht, wobei die vorbestimmte Zahl von Bilddaten darin eingegeben wird, wobei die Bilddaten durch Scannen einer Abmessung eines Objekts (2) erzeugt werden und jeweilige der Bilddaten bei jedem Scan des Objekts erzeugt werden; Mittel (35) zum Berechnen der Hintergrundleuchtdichte des Objekts (2) über die Abmessung davon auf der Basis der von dem Projektionsdaten berechnenden Mittel (31) erzeugten Projektionsdaten; und Mittel (34) zum Subtrahieren der durch das eine Hintergrundleuchtdichte berechnende Mittel (35) erzeugten Hintergrundleuchtdichte von den in das Projektionsdaten berechnende Mittel (31) eingegebenen Bilddaten.
Verfahren zur Licht-und-Schatten-Untersuchung eines Objekts, das folgendes umfaßt: Aufnehmen eines Bilds eines Objekts über eine Abmessung davon; Berechnen von Projektionsdaten durch Addieren der bei einer vorbestimmten Position erhaltenen Bilddaten, bis die Anzahl der Bilddaten eine vorbestimmte Zahl erreicht, wobei jede vorbestimmte Position entlang der Abmessung des Objekts liegt; Berechnen der Hintergrundhelligkeit des Objekts über die Abmessung davon durch Glätten und Normieren der Projektionsdaten und Subtrahieren der berechneten Hintergrundhelligkeit von den Bilddaten, wodurch Schwankungen der Hintergrundhelligkeit über die Abmessung des Objekts aus den Bilddaten im wesentlichen eliminiert werden.