EP0597178B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Identifizierung von Gegenständen - Google Patents

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EP0597178B1
EP0597178B1 EP93109258A EP93109258A EP0597178B1 EP 0597178 B1 EP0597178 B1 EP 0597178B1 EP 93109258 A EP93109258 A EP 93109258A EP 93109258 A EP93109258 A EP 93109258A EP 0597178 B1 EP0597178 B1 EP 0597178B1
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EP
European Patent Office
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objects
optical sensor
deformation
characteristic
image
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EP93109258A
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EP0597178A3 (de
EP0597178A2 (de
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Klaus-Dieter Dr. Kuhnert
Joachim Dr. Beeck
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Tzn Forschungs- und Entwicklungszentrum Unterluess GmbH
Original Assignee
Tzn Forschungs- und Entwicklungszentrum Unterluess GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B07—SEPARATING SOLIDS FROM SOLIDS; SORTING
    • B07C—POSTAL SORTING; SORTING INDIVIDUAL ARTICLES, OR BULK MATERIAL FIT TO BE SORTED PIECE-MEAL, e.g. BY PICKING
    • B07C5/00—Sorting according to a characteristic or feature of the articles or material being sorted, e.g. by control effected by devices which detect or measure such characteristic or feature; Sorting by manually actuated devices, e.g. switches
    • B07C5/04—Sorting according to size
    • B07C5/10—Sorting according to size measured by light-responsive means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B07—SEPARATING SOLIDS FROM SOLIDS; SORTING
    • B07C—POSTAL SORTING; SORTING INDIVIDUAL ARTICLES, OR BULK MATERIAL FIT TO BE SORTED PIECE-MEAL, e.g. BY PICKING
    • B07C5/00—Sorting according to a characteristic or feature of the articles or material being sorted, e.g. by control effected by devices which detect or measure such characteristic or feature; Sorting by manually actuated devices, e.g. switches
    • B07C5/34—Sorting according to other particular properties
    • B07C5/342—Sorting according to other particular properties according to optical properties, e.g. colour
    • B07C5/3422—Sorting according to other particular properties according to optical properties, e.g. colour using video scanning devices, e.g. TV-cameras

Definitions

  • the invention relates to a method for identifying objects with the aid of an image processing system.
  • the invention further relates to devices for performing such a method.
  • DE 35200486 C2 discloses a method for sorting hollow plastic articles, in particular household waste, with the aid of an image recognition system in which the objects to be sorted are recorded with a camera, temporarily stored and analyzed for shape and color by comparison with corresponding stored patterns.
  • a method and a device for determining the quality of rice grains is known from US-A-5135114. Both the reflection and the absorption behavior of the individual rice grains are determined, the changes in the waveform of the measured values being used to classify the rice grains.
  • a method for classifying objects by shape is known from WO92 / 00149.
  • the characteristic geometric values measured for the respective object are compared with corresponding stored data.
  • EP-A-0258810 discloses a method for classifying spherical objects, such as fruit and vegetables, in which incident light measurements from at least four different sides are carried out with only one camera from the respective object to be classified. The shape, the dimensions and the surface structure of the respective object are then determined from the images determined with the camera.
  • the object of the present invention is to further develop a method and devices of the type mentioned at the outset in such a way that deformed and soiled objects can also be recognized in a short time (considerably less than 1 second).
  • the invention is therefore essentially based on the idea that the images taken are parameters that are characteristic of the deformation-invariant for the respective object type to analyze by geometry and transparency measurements and then to infer the object by comparison with corresponding stored values.
  • the deformation-invariant parameters are determined using a calibration process, which can be different for each type of object (e.g. from the approximately determined can volume of an aluminum can and the angle that the base has relative to the longitudinal axis of the can, to the diameter of the (round) base of the Can be closed, since the bases of aluminum cans practically do not deform).
  • the diameter of the can base and any additional information e.g. color and transparency then define the object to be sorted relatively well.
  • the object to be identified is detected from two (or more) directions that are as orthogonal as possible with different lighting, in order to ensure transparency and the various geometric data, such as length, width, angle between bottom and side wall, Obtain bottom diameter, articulation angle or volume.
  • 1 denotes an image processing system with which objects 2, which are conveyed, for example, on an assembly line 3, are recognized. After the objects 2 have been identified, they can then be sorted (for the sorting, see also the above-mentioned DE 35204866 C2).
  • the image processing system 1 essentially consists of an optical sensor 4, e.g. a color image line camera with downstream electronics 5, a light source 6 and a mirror 7. Light source 6 and mirror 7 are arranged such that the objects 2 to be identified are moved between them.
  • the electronics 5 contains, for example, an amplifier 8, which is followed by an analog / digital converter 9 and an evaluation device 10.
  • the evaluation device 10 which contains an image memory 11 and a processor 12, is connected to a display device 13.
  • the optical sensor 4 looks from above onto the object 2 illuminated with incident light (the corresponding light source has been omitted in FIG. 1 for the sake of a better overview), so that the light beams 14 scattered and reflected on the object 2 reach the sensor 4.
  • the object 2 is laterally illuminated with the light source 6, so that the corresponding light beams 15 passing through the object 2 are faded into the image field of the sensor 4 via the mirrors 7 as light beams 16.
  • the actual real-time detection is preceded by the calibration method. This serves to record the systematic influences of the deformation and fracture behavior on the shape, color and transparency of an object 2, whereby a representative sample of deformed objects 2 must be available for the calibration.
  • the objects 2 are sorted manually according to their degree of deformation and object type and then the variables also determined in real time operation (see below) are calculated.
  • the association between the degree of deformation or object type and the measured parameters is stored in the evaluation device 10.
  • the resulting assignment tables can be interpolated in order to be saved as a closed function to save memory.
  • the measured parameter values are used in the reversing functions in order to determine the degree of deformation and the object type.
  • the gray value edges are determined in the first step by suitable filtering in the evaluation device 10.
  • the outer contour and edges lying within the contour are then chained separately.
  • a hard-wired arithmetic unit of the evaluation device 10 can be used to accelerate this step.
  • the signals originating from the color camera 4 are transformed into an HSI representation and then the color edges are filtered out and concatenated. This reduces the video data in real time to its essential proportions (gray value and color edges).
  • the individual edge lists are then distributed via a first communication network to microcomputers contained in the evaluation device, each of which processes only a few such lists.
  • At least the following sizes are calculated for each edge in the image: color value, saturation, enclosed area, moments of the enclosed area, average curvature, length, rotational position, relative position to the outer contour.
  • edge-related sizes are calculated as required, or they are converted (by connecting the start and end points) into closed edges so that the area-related sizes can also be calculated.
  • the volume within the outer contour is approximately determined by multiplying the base depth by the height determined by the side view.
  • the transparency is determined from the transmitted light portion of the side lighting.
  • the ascertained variables are fed via a further communication network, which does not necessarily have to be physically different from the first, to a central evaluation processor 12 of the evaluation device 10, which calculates the reversing functions determined during the calibration and thus carries out the detection.
  • the incident light measurement is again carried out with the line camera 4.
  • a separate optical sensor (camera) 17 is provided instead of the mirror provided in FIG.
  • the sensor signals are supplied to electronics which essentially correspond to the electronics denoted by 5 in FIG. Only the analog input signals can be amplified separately and converted into corresponding digital values. The further processing of the signals by the evaluation device 10 is then identical to that described above.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Image Analysis (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Identifizierung von Gegenständen mit Hilfe eines bildverarbeitenden Systems. Die Erfindung bezieht sich ferner auf Vorrichtungen zur Ausführung eines derartigen Verfahrens.
  • Aus der DE 35200486 C2 ist ein Verfahren zur Sortierung von Kunststoffhohlkörpern, insbesondere Hausmüll, mit Hilfe eines Bilderkennungssystems bekannt, bei dem die zu sortierenden Gegenstände mit einer Kamera aufgenommen, zwischengespeichert und nach Form und Farbe durch Vergleich mit entsprechenden gespeicherten Mustern analysiert werden.
  • Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren ist vor allem, daß bei einem Vergleich der gespeicherten Muster und der zu identifizierenden Gegenstände letztere häufig fehlerkannt werden, wenn diese deformiert und/oder stark verschmutzt sind.
  • Aus der US-A-5135114 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Qualitätsbestimmung von Reiskörnern bekannt. Dabei wird sowohl das Reflektions- als auch das Absorptionsverhalten der einzelnen Reiskörner ermittelt, wobei zur Klassifizierung der Reiskörner die Änderungen in der Wellenform der gemessenen Werte herangezogen werden.
  • Aus der WO92/00149 ist ein Verfahren zur Klassifizierung von Objekten nach Formen bekannt. Dabei werden die für das jeweilige Objekt gemessenen charakteristischen geometrischen Werte mit entsprechenden gespeicherten Daten verglichen.
  • Schließlich ist aus der EP-A-0258810 ein Verfahren zur Klassifizierung von ballförmigen Gegenständen, wie Obst und Gemüse, bekannt, wobei von dem jeweiligen zu klassifizierenden Gegenstand mit nur einer Kamera Auflichtmessungen von mindestens vier unterschiedlichen Seiten durchgeführt werden. Aus den mit der Kamera ermittelten Bildern werden dann die Form, die Abmessungen und die Oberflächenstruktur des jeweiligen Gegenstandes bestimmt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie Vorrichtungen der eingangs erwähnten Art derart weiterzuentwickeln, daß auch deformierte und verschmutzte Gegenstände in kurzer Zeit (wesentlich kürzer als 1 Sekunde) erkannt werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. durch die Merkmale der Ansprüche 4 und 5 gelöst.
  • Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
  • Der Erfindung liegt also im wesentlichen der Gedanke zugrunde, die aufgenommenen Bilder auf für den jeweiligen Gegenstandstyp charakteristische deformationsinvariante Parameter durch Geometrie- und Transparenzmessungen zu analysieren und dann durch Vergleich mit entsprechenden gespeicherten Werten auf den Gegenstand zu schließen.
  • Die deformationsinvarianten Parameter werden über einen Eichprozeß, der für jeden Gegenstandstyp unterschiedlich sein kann, bestimmt (z.B. kann aus dem näherungsweise ermittelten Dosenvolumen einer Aluminiumdose und dem Winkel, den der Boden relativ zur Längsachse der Dose besitzt, auf den Durchmesser des (runden) Bodens der Dose geschlossen werden, da sich bei Alu-Dosen die Böden praktisch nicht deformieren). Der Durchmesser des Dosenbodens und eventuell ergänzender Informationen (z.B. Farbe und Transparenz) definieren dann relativ gut den zu sortierenden Gegenstand.
  • Für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist wesentlich, daß der zu identifizierende Gegenstand aus zwei (oder mehr), möglichst orthogonalen Richtungen bei unterschiedlicher Beleuchtung, erfaßt wird, um Transparenz und die diversen Geometriedaten, wie Länge, Breite, Winkel zwischen Boden und Seitenwand, Bodendurchmesser, Knickwinkel oder Volumen zu erhalten.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend mit Hilfe von Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
    • Fig.1
    schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit nur einem optischen Sensor; und
    Fig. 2
    ein weiteres Ausführungsbeispiel mit zwei optischen Sensoren.
  • In Fig.1 ist mit 1 ein bildverarbeitendes System bezeichnet, mit dem Gegenstände 2, die beispielsweise auf einem Fließband 3 befördert werden, erkannt werden. Nach der Identifizierung der Gegenstände 2 können diese dann sortiert werden (zur Durchführung der Sortierung vgl. auch die obengenannte DE 35204866 C2).
  • Das bildverarbeitende System 1 besteht im wesentlichen aus einem optischen Sensor 4, z.B. einer Farbbild-Zeilenkamera mit nachgeschalteter Elektronik 5, einer Lichtquelle 6 und einem Spiegel 7. Lichtquelle 6 und Spiegel 7 sind derart angeordnet, daß zwischen ihnen die zu identifizierenden Gegenstände 2 hindurchbewegt werden.
  • Die Elektronik 5 enthält beispielsweise einen Verstärker 8, dem ein Analog-/Digitalwandler 9 und eine Auswertevorrichtung 10 nachgeschaltet ist. Die Auswertevorrichtung 10, die einen Bildspeicher 11 und einen Prozessor 12 enthält, ist mit einer Anzeigenvorrichtung 13 verbunden.
  • Der optische Sensor 4 schaut von oben auf den mit Auflicht beleuchteten Gegenstand 2 (die entsprechende Lichtquelle wurde in Fig.1 aus Gründen einer besseren Übersicht weggelassen), so daß die an dem Gegenstand 2 gestreuten und reflektierten Lichtstrahlen 14 in den Sensor 4 gelangen. Gleichzeitig wird der Gegenstand 2 seitlich mit der Lichtquelle 6 angestrahlt, so daß die entsprechenden durch den Gegenstand 2 gelangenden Lichtstrahlen 15 über die Spiegel 7 als Lichtstrahlen 16 in das Bildfeld des Sensors 4 eingeblendet werden.
  • Im folgenden wird näher auf die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingegangen:
    • Eichung
  • Der eigentlichen Echtzeiterkennung ist das Eichverfahren vorgeschaltet. Dieses dient der Erfassung der systematischen Einflüsse des Deformations- und Bruchverhaltens auf die Form, Farbe und Transparenz eines Gegenstandes 2, wobei eine repräsentative Stichprobe von deformierten Gegenständen 2 für die Eichung vorliegen muß.
  • Generell besitzen alle zu untersuchenden Gegenstände 2 ein spezifisches Deformations- und Bruchverhalten. D.h., Böden, Deckel und durch Versteifungsrippen oder Waben gestärkte Oberflächenteile deformieren sich wenig, wohingegen an Knickkanten oder schwach gewölbten gleichmäßigen Flächen zuerst und gehäuft Deformationen auftreten. Ebenso bestimmt die Elastizität des Materials den Verformungsverlauf. So entstehen bei verschiedenen Kunststoffen (z.B. Polypropylen bzw. Polyethylen) gerade bzw. kurvige Risse beim Bruch.
  • Die Gegenstände 2 werden manuell gemäß ihrem Deformationsgrad und Objekttyp sortiert und dann die auch im Echtzeitbetrieb ermittelten Größen (vergleiche unten) berechnet. Die Zuordnung zwischen Deformationsgrad bzw. Objekttyp und den gemessenen Parametern werden in der Auswertevorrichtung 10 gespeichert. Die entstehenden Zuordnungstabellen können interpoliert werden, um zur Speicherersparnis als geschlossene Funktion abgelegt zu werden. In der Echtzeitphase werden in die Umkehrfunktionen die gemessenen Parameterwerte eingesetzt, um den Deformationsgrad und den Objekttyp zu bestimmen.
    • Echtzeitauswertung
  • Alle Größen der Echtzeitauswertung werden sowohl für die Aufals auch für die Seitenansicht jeden Gegenstandes 2 berechnet. Beide Ansichten können mit der in Fig.1 dargestellten Sensoranordnung gleichzeitig gewonnen werden.
  • Nach der Bildaufnahme werden im ersten Schritt durch passende Filterung in der Auswertevorrichtung 10 die Grauwertkanten bestimmt. Die Außenkontur und innerhalb der Kontur liegende Kanten werden dann getrennt verkettet. Zur Beschleunigung dieses Schrittes kann ein festverdrahtetes Rechenwerk der Auswertevorrichtung 10 verwendet werden.
  • Mit einem weiteren Rechenwerk der Auswertevorrichtung 10 werden die von der Farbkamera 4 stammenden Signale in eine HSI Darstellung transformiert und dann die Farbkanten ausgefiltert und verkettet. Damit werden die Videodaten in Echtzeit auf ihre wesentlichen Anteile (Grauwert- und Farbkanten) reduziert.
  • Die einzelnen Kantenlisten werden dann über ein erstes Kommunikationsnetzwerk an in der Auswertevorrichtung enthaltene Mikrorechner verteilt, von denen jeder nur wenige solcher Listen bearbeitet.
  • Für jede Kante im Bild werden mindestens die folgenden Größen berechnet: Farbwert, Sättigung, eingeschlossene Fläche, Momente der eingeschlossenen Fläche, mittlere Krümmung, Länge, Drehlage, relative Lage zur Außenkontur. Bei offenen Kantenzügen werden je nach Bedarf nur die kantenbezogenen Größen berechnet oder sie werden (durch Verbindung von Anfangs- und Endpunkt) in geschlossene Kantenzüge überführt, um auch die flächenbezogenen Größen berechnen zu können.
  • Innerhalb der Außenkontur wird näherungsweise das Volumen bestimmt durch Multiplikation der Grundflächentiefe mit der durch die Seitenansicht ermittelten Höhe. Die Transparenz wird aus dem durchgelassenen Lichtanteil der Seitenbeleuchtung bestimmt.
  • Die ermittelten Größen werden über ein weiteres Kommunikationsnetzwerk, das nicht notwendigerweise physikalisch vom ersten verschieden sein muß, einem zentralen Auswerteprozessor 12 der Auswertevorrichtung 10 zugeleitet, der die bei der Eichung bestimmten Umkehrfunktionen berechnet und damit die Erkennung durchführt.
  • Anstatt die Durchlicht- und Auflichtmessung mit nur einem optischen Sensor 4 durchzuführen, kann auch eine Vorrichtung mit zwei getrennten Sensoren verwendet werden. Dieses ist in Fig.2 dargestellt, wobei der zu identifizierende Gegenstand 2 aus Gründen einer besseren Übersicht weggelassen ist:
  • Die Auflichtmessung erfolgt wiederum mit der Zeilenkamera 4. Für die Durchlichtmessung ist hingegen statt des in Fig.1 vorgesehenen Spiegels ein separater optischer Sensor (Kamera) 17 vorgesehen. Die Sensorsignale werden einer Elektronik zugeführt, die im wesentlichen der in Fig.1 mit 5 bezeichneten Elektronik entspricht. Lediglich die analogen Eingangssignale können separat verstärkt und in entsprechende digitale Werte umgewandelt werden. Die weitere Bearbeitung der Signale durch die Auswertevorrichtung 10 ist dann identisch wie oben beschrieben.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    bildverarbeitendes System
    2
    Gegenstand
    3
    Fließband
    4
    optischer Sensor, Kamera
    5
    Elektronik
    6
    Lichtquelle
    7
    Spiegel
    8
    Verstärker
    9
    Analog-/Digitalwandler
    10
    Auswertevorrichtung
    11
    Bildspeicher
    12
    Prozessor
    13
    Anzeigenvorrichtung
    14
    Lichtstrahlen
    15,16
    Lichtstrahlen
    17
    optischer Sensor, Kamera
    18
    Lichtquelle
    19
    Lichtstrahlen

Claims (6)

  1. Verfahren zur Identifizierung von Gegenständen (2) mit Hilfe eines bildverarbeitenden Systems (1), wobei
    a) von den Gegenständen (2) mit Hilfe mindestens eines bildgebenden optischen Sensors (4;17) jeweils mindestens eine Auflicht- und eine Durchlichtmessung aus unterschiedlichen Richtungen vorgenommen wird;
    b) die von dem bildgebenden optischen Sensor (4,17) erzeugten Sensorsignale digitalisiert und die digitalen Signalwerte an eine elektronische Auswertevorrichtung (10) mit Bildspeicher (11) und Prozessor (12) weitergeleitet werden;
    c) aus den entsprechenden Bildsignalwerten die Transparenz der Gegenstände (2) und charakteristischer geometrischer Daten, wie Länge, Breite, Volumen, Knickwinkel etc., ermittelt werden und
    d) aus diesen Werten für die Gegenstände (2) charakteristische deformationsinvariante Größen bestimmt und mit den aufgrund einer Eichmessung bestimmten und gespeicherten Werten verglichen werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der deformationsinvarianten Größen zusätzlich zur Transparenz und den charakteristischen geometrischen Daten auch die Farbe der Gegenstände (2) herangezogen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Messungen mit einem einzigen optischen Sensor (4) durchgeführt werden.
  4. Vorrichtung zur Identifizierung von Gegenständen (2) mit Hilfe eines bildverarbeitenden Systems (1), wobei die Vorrichtung
    a) eine Lichtquelle (6) zur Beleuchtung des zu identifizierenden Gegenstandes (2), einen optischen Sensor (4) und einen Spiegel (7) umfaßt, die derart zueinander angeordnet sind, daß der beleuchtete Gegenstand (2) einerseits mit dem optischen Sensor (4) in Auflicht betrachtbar ist und andererseits die durch den Gegenstand (2) hindurchgehenden Lichtstrahlen der Lichtquelle (6) durch den Spiegel (7) derart reflektiert werden, daß sie ebenfalls in den optischen Sensor (4) gelangen, so daß eine Auflicht- und eine Durchlichtmessung des Gegenstandes (2) aus unterschiedlichen Richtungen ermöglicht wird, wobei es sich bei dem optischen Sensor (4) um eine Farbbildkamera handelt und
    b) eine elektronische Auswertevorrichtung (10) mit mindestens einem Bildspeicher (11) und Prozessor (12) zur Ermittlung der für die Gegenstände (2) charakteristischen deformationsinvarianten Parameter aus der Transparenz und charakteristischen geometrischen Daten der Gegenstände, und zum Vergleichen der charakteristischen deformationsinvarianten Parameter mit gespeicherten Werten enthält, die dem bildgebenden optischen Sensor (4,17) nachgeschaltet ist.
  5. Vorrichtung zur Identifizierung von Gegenständen (2) mit Hilfe eines bildverarbeitenden Systems (1), wobei die Vorrichtung
    a) mindestens eine Lichtquelle (6) zur Beleuchtung des zu identifizierenden Gegenstandes (2) und zwei optische Sensoren (4,17) umfaßt, die derart zueinander angeordnet sind, daß der beleuchtete Gegenstand (2) einerseits mit dem ersten optischen Sensor (4) in Auflicht betrachtbar ist und andererseits die durch den Gegenstand (2) hindurchgehenden Lichtstrahlen der Lichtquelle (6) in den zweiten optischen Sensor (17) gelangen, so daß eine Auflicht- und eine Durchlichtmessung des Gegenstandes (2) aus unterschiedlichen Richtungen ermöglicht wird und
    b) eine elektronische Auswertevorrichtung (10) mit mindestens einem Bildspeicher (11) und einem Prozessor (12) zur Ermittlung der für die Gegenstände (2) charakteristischen deformationsinvarianten Parameter aus der Transparenz und charakteristischen geometrischen Daten der Gegenstände, und zum Vergleichen der charakteristischen deformationsinvarianten Parameter mit gespeicherten Werten enthält, der den bildgebenden optischen Sensoren (4,17) nachgeschaltet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste optische Sensor (4) eine Farbbildkamera ist.
EP93109258A 1992-11-12 1993-06-09 Verfahren und Vorrichtung zur Identifizierung von Gegenständen Expired - Lifetime EP0597178B1 (de)

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DE4238193 1992-11-12
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EP0597178A2 EP0597178A2 (de) 1994-05-18
EP0597178A3 EP0597178A3 (de) 1995-02-22
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EP0597178A3 (de) 1995-02-22
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