EP0645009A1 - Verfahren zur kalibrierung eines bildverarbeitungssystems - Google Patents

Verfahren zur kalibrierung eines bildverarbeitungssystems

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EP0645009A1
EP0645009A1 EP93912866A EP93912866A EP0645009A1 EP 0645009 A1 EP0645009 A1 EP 0645009A1 EP 93912866 A EP93912866 A EP 93912866A EP 93912866 A EP93912866 A EP 93912866A EP 0645009 A1 EP0645009 A1 EP 0645009A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
image
calibration
image sensor
pattern
camera
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP93912866A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ernst Greten
Robert Massen
Meinrad Simnacher
Erwin Herre
Michael Mittelsdorf
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Grecon Greten GmbH and Co KG
Fagus Grecon Greten GmbH and Co KG
Original Assignee
Grecon Greten GmbH and Co KG
Fagus Grecon Greten GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Grecon Greten GmbH and Co KG, Fagus Grecon Greten GmbH and Co KG filed Critical Grecon Greten GmbH and Co KG
Publication of EP0645009A1 publication Critical patent/EP0645009A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/89—Investigating the presence of flaws or contamination in moving material, e.g. running paper or textiles
    • G01N21/892—Investigating the presence of flaws or contamination in moving material, e.g. running paper or textiles characterised by the flaw, defect or object feature examined
    • G01N21/898—Irregularities in textured or patterned surfaces, e.g. textiles, wood
    • G01N21/8986—Wood
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    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/08—Arrangements of light sources specially adapted for photometry standard sources, also using luminescent or radioactive material
    • G01J2001/086—Calibrating drift correction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/8851—Scan or image signal processing specially adapted therefor, e.g. for scan signal adjustment, for detecting different kinds of defects, for compensating for structures, markings, edges
    • G01N2021/8887—Scan or image signal processing specially adapted therefor, e.g. for scan signal adjustment, for detecting different kinds of defects, for compensating for structures, markings, edges based on image processing techniques

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1.
  • Optical systems for quality control, classification and sorting are being used to an increasing extent in the context of wood processing and processing.
  • Lumber is cut out.
  • the adjustment and alignment of the four cameras and the calibration of such a system cause difficulties and have so far been insufficiently solved. If, for example, the dimension of the lumber to be tested changes, all four cameras usually have to be mechanically adjusted, their optics readjusted, the different lighting intensities corrected and the alignment of the cameras to each other readjusted. This requires a considerable amount of time of up to one day and therefore also means an economic loss, since the system cannot be operated profitably during this changeover period.
  • the invention is based on the object of calibrating to speed up, simplify and improve an image processing system.
  • Matrix or line cameras can be used as cameras.
  • the method is particularly suitable for testing sawn timber and chipboard.
  • the method enables a rapid, at least partially automatic calibration of an image processing system for the automatic inspection of the test objects.
  • setting aids By using setting aids, an accelerated and automatic setting and calibration of such a system can take place.
  • radiometric calibration and then geometric calibration it is achieved that the individual calibration settings do not have a negative effect on other calibration settings.
  • the radiometric calibration is carried out correctly, even if the geometric calibration is still missing, e.g. the cameras are still misaligned and / or defocused.
  • the geometric calibration can only be carried out with good accuracy if the radiometric calibration has been carried out beforehand.
  • the features of claim 2 improve the overall calibration if the at least one camera is a color camera.
  • test specimen In the case of sawn timber, for example, all four sides of the test specimen can be inspected. Four cameras are then preferably provided, each of which is directed to one side of the test specimen.
  • the body can be sent through the test station during breaks, for example, when no test object is passing through the cameras. Then more computer time is available for the calibration.
  • the calibration according to claim 4 can be carried out continuously or at short intervals. In the case of intermittent re-calibration, it is also advantageous in this case to take advantage of breaks in operation in order to then have more computing time available.
  • the procedure according to claim 5 can make a separate calibration body and its periodic passage through the test zone unnecessary.
  • the re-calibration can be carried out without interrupting the test operation.
  • the intermediate strip according to claim 15 is preferably of a defined brightness or color.
  • the setting according to claim 17 can e.g. manual or motorized via linear adjustment devices.
  • all optical axes can be through a common point on the
  • the period can be calculated in a manner known per se with high accuracy from the Fourier spectrum or from the autocorrelation function of the brightness signal. Both methods allow the determination of the period with an accuracy of typically 1/100 pixels.
  • the features of claim 20 or 21 are to be used advantageously in colorimetric calibration.
  • the determination of the transformation of the color space can e.g. take place at predetermined intervals.
  • FIG. 1 schematically shows the structure of a test station with four lighting devices, four line cameras aimed at a sawn timber and an image computer,
  • FIG. 2 shows a calibration body which is provided with pattern fields suitable for radiometric, geometric and colorimetric calibration
  • 17 shows a type of attachment of cameras during chipboard inspection.
  • test object 2 in this case lumber, is moved in a feed direction 3 in a test station 1.
  • an image processing system 4 is intended to examine all four sides of the test specimen 2 for specific defects 5, such as cracks, knots, branches, edge breakouts, resin gall, blue and red rot.
  • an illumination device 6 and a line camera 7 are directed onto each surface of the test object 2.
  • Each camera 7 captures a line-shaped section 8 of the surface of the test specimen 2 in a plane perpendicular to the feed direction 3.
  • the test object 2 moves at a relatively high speed of up to several m / s, for example 1 to 2 m / s.
  • matrix cameras can also be used instead of the line cameras 7.
  • black / white cameras or color cameras are to be used.
  • the calibration of the image processing system 4 is divided into a radiometric, a geometric and a colorimetric calibration.
  • the radiometric calibration in the present example relates to the following steps:
  • This calibration is carried out in that, according to FIG. 4, a line profile 12 is recorded from a template with a known gray value and from this the e.g. linear transformation rule
  • x (i) target a (i) + b (i) * x (i) i, st tl]
  • x (i) represents the electrical output signal of the pixel with the index i.
  • X. is the uncorrected value, xsol, l, the corrected
  • the coefficient a (i) indicates the required zero point shift
  • the coefficient b (i) the required (positive or negative) amplification of the electrical signal of the image point i, which is required in order to obtain the desired value from the actual value to obtain.
  • the image point In order to determine the two unknown coefficients a and b, the image point must observe two pattern fields 13 and 14 (FIGS. 2 and 8) one after the other with known, different brightness.
  • the pattern fields 13, 14 are expediently chosen so that they lie in the central brightness range detected by the line camera 7.
  • the pattern field 13 is somewhat lighter than the pattern field 14.
  • an image sensor 15, in this case designed as a pixel line, with individual pixels 16 is shown.
  • the electrical output signals of each pixel 16 are queried serially via a switching element 17, amplified by an analog video amplifier 18 and then input into an analog / digital converter 19.
  • the fact that each pixel 16 consecutively looks at the two pattern fields 13, 14 ensures that all the pixels 16 give a value in spite of the zero point and gain setting of the analog video amplifier 18 and the analog / digital converter 19 still missing there, which is still in the modulation range of the analog video amplifier 18 and the analog / digital converter 19.
  • the coefficient pair a (i) and b (i) and thus the individual transformation rule for each pixel is determined, which is necessary to adjust the individual zero point shift (ie, the individual dark current) and to correct the individual sensitivity (ie, the conversion factor of radiation power into electrical voltage) of the pixel to the desired value.
  • the transformation rule according to equation [1] can advantageously be carried out using a table calculator according to FIG. 5.
  • the table 20 is with the addressing pointer 21 from the index i and with the addressing pointer 22 from the gray value x (i). + of the pixel i (or 16) addressed. Under each of these addresses is in the
  • the calibration markings for this step of radiometric calibration consist of the two pattern fields 13, 14, each with a uniform and known, but different brightness value. These two brightness values should lie in the safe modulation range of the line scan cameras 7.
  • the correction of the different sensitivity and the different zero point of the pixels 16 of the image sensor 15 simultaneously includes the correction of the edge drop in brightness caused by the optical laws (the so-called vignetting), since this edge drop is like a lower sensitivity of the Pixel 16 arranged at the edge of the image field affects.
  • the next step of the radiometric calibration namely the zero point and the gain setting of the video amplifier 18 and the analog / digital converter 19 of each line camera 7, is carried out in that all the pixels i (or 16) in succession at the same time to a very high dark pattern field 23 (FIGS. 2, 6 and 8) with a constant brightness value and then onto a very bright pattern field 24 (FIGS. 2, 7 and 8) with a likewise constant brightness value. 6 is when viewing the very dark
  • Pattern field 23 the zero point is set so that after the analog / digital converter 19, all pixels i produce a small numerical value located at the lower modulation range, which is shown in FIG. 6 by the curve 25.
  • the gain is set so that all the pixels i produce a larger numerical value which lies at the upper modulation range, which is shown in FIG. 7 by the curve 26.
  • this three-stage method is iterated until a desired modulation of all pixels i (or 16) is reached, i.e. until the numerical starting value of all
  • Pixels when viewing a homogeneous surface e.g. of the pattern field 13 or 14, assumes a value that is sufficiently close to the desired value xsoi *, i *.
  • FIG. 2 shows a calibration body 32, which expediently has the same cross-sectional shape as the test object 2 and is moved instead of the test object by the test station 1 (Fig. 1) when the image processing system 4 is to be calibrated.
  • the pattern fields 13, 14, 23, 24 are applied to each of the four sides of the calibration body 32 in the form of circumferential strips.
  • the calibration body 32 instead of the calibration body 32, one can also proceed according to FIG. 3. There, within the test station 1, the same arrangement of sample fields, e.g. 13, projected. Instead of a surface of the calibration body 32 (FIG. 2) in FIG. 3, the line camera 7 records the image of the test object 2 itself that is projected in this way. The electrical signals obtained from the sample fields are then evaluated in the same way as with the calibration body 32.
  • This contrast measure K can e.g. consist of the sum of the differences in magnitude of neighboring pixel brightnesses:
  • the contrast measure K shown in FIG. 10 is maximum if the lens of the associated line scan camera 7 * is in focus.
  • the marking for focus calibration always consists of a high-frequency light / dark pattern field.
  • the pattern field 34 with the periodic dash pattern is sufficient for this, but not the only possible embodiment.
  • Other designs can e.g. high-frequency random dot patterns, pseudo-random binary patterns and similar high-frequency patterns with many light / dark edge transitions.
  • a further geometric setting consists in the alignment of all four line cameras 7 in such a way that they are aligned at right angles to the test specimen 2 and are offset from one another either in the same observation plane or by defined distances in the feed direction 3.
  • a pattern field 35 (see also FIG. 2) is used, for example, which has two relatively dark strips 36 and 37 parallel to the scanning direction, spaced apart from one another, and a lighter intermediate strip 38 arranged between them.
  • the strips 36 to 38 must each have at least the width of the image 39 of the image sensor 15 on the calibration body 32 (FIG. 2) or the test object 2 (FIG. 3). If the line camera 7 in question is not correctly aligned, the illustration 39 cuts one of the two strips 36, 37. This then results in
  • Fig. 11 Profile of the output voltage shown below.
  • the line camera 7 is aligned by manual or motorized displacement, rotation and tilting until the line profile according to FIG. 12 is homogeneous and only detects the intermediate strip 38.
  • the intermediate strip 38 is expediently of a defined brightness or a defined color.
  • Another geometric calibration consists in determining the magnification, i.e. the number of pixels per mm, for each line scan camera 7.
  • the known period of the pattern field 34 already mentioned under a), which is already used for focus calibration, is measured with the periodic line pattern and the period of the light / dark structure in the digitized brightness signal is determined. It is known to calculate this period with high accuracy from the Fourier spectrum (FIG. 14) or from the autocorrection function of the brightness signal (FIG. 15).
  • the spatial frequency which arises from the line pattern 34 is proportional to its step size, namely l / d Q. Both methods are known per se to the person skilled in the art of image processing and allow the determination of the period with an accuracy of typically 1/100 pixel.
  • Fsol n l ( v n) 'g a be measured.
  • n 4 color references, e.g. Green, yellow, red and blue.
  • Suitable ultra stable color references are e.g. by Minolta Camera Co., Ltd., 30.2-Chome, Azuchi-Machi, Higashi-Ku, Osaka 514, Japan, and Labsphere Inc., P.O. Box 70, North Futton, N.H. 03260, USA.
  • T and T are coefficients of the matrix T. T and T are thus known. If all observed color vectors Fi.s + (i) of the surface of the test specimen 2 are multiplied by T ⁇ , the corrected color vectors Fsol- * l *, (i) are obtained, which correspond to the color that is found in a color camera 7 without drift and with lighting without changing the lighting intensity and temperature would result in:
  • pattern fields 40 each with a blue 41, green 42, yellow 43 and red color reference 44 are shown in FIGS. 2 and 3.
  • This re-calibration is carried out at periodic intervals by measuring at least four color references and by calculating the inverse transformation matrix.
  • the mathematical foundations of matrix and geometric transformation mathematics are known to the person skilled in the art and need not be clarified further here.
  • all the measured pixels are transformed before the actual image evaluation with the aid of a color-roughness transformation calculator according to equation [5].
  • arithmetic units exist in the form of special matrix multiplier modules for real-time color space transformation and are available, for example, from Brooktree Corporation, 9950 Barnes Canyon Rd., San Diego, CA 92121-2790, USA, and from TRW LSI Products Inc., PO Box 2472, La Jolla, CA 92038, USA.
  • the calibration body 32 (FIG. 2) or the test specimen 2 carrying the at least one projection image with the pattern fields according to FIG. 3 can be moved zone by zone automatically or manually as well as continuously or stepwise through the image field of the line cameras 47.
  • the individual calibration calculations are carried out in the image computer 11.
  • the zones between the individual pattern fields can be designed such that they serve as optical trigger signals.
  • some of the aforementioned pattern fields can be permanently superimposed on the edge of the image field of the camera 7.
  • the recalibration can be carried out at short intervals or continuously and in any case without interrupting the running test operation.
  • the re-calibration can advantageously be carried out during breaks in operation, when no test object is passing the cameras 7. In principle, more computer time is available during these breaks.
  • the calibration is limited to the pixels concerned at the edge of the image field, but the above-mentioned basic calibration can advantageously be supplemented by this type of re-calibration.
  • 16 shows the arrangement of the line cameras 7 on a frame-like, stable carrier 45.
  • Each line camera 7 can be adjusted three-dimensionally relative to the carrier 45, one dimension 46 parallel to the feed direction 3, another dimension 47 horizontally and the third dimension 48 vertically runs.
  • Optical axes 49 of the line cameras 7 are arranged at right angles to the feed direction 3 and intersect the longitudinal axis 51 of the test object 2 at a point 50.
  • each line camera 7 can e.g. Via a known multiple slide guide either manually or - controlled by the image computer 11 - motorized.
  • the test station 1 according to FIG. 17 is intended for testing test specimens 2 designed as chipboard.
  • test specimens 2 designed as chipboard.
  • only an upper surface 52 and a lower surface 53 of the test object 2 are inspected by two line cameras 7, 7 each.
  • the line-shaped cutouts 8 of each of these line camera pairs 7, 7 extend transversely to the feed direction 3 of the test specimen 2, abut one another and are in alignment with one another.
  • the inspection of the upper surface 52 and the lower surface 53 can be carried out with only one line camera 7 or more than two line cameras 7. If necessary, side surfaces 54 and 55 of the test specimen 2 can also be inspected by a line camera 7 in accordance with FIG. 16. These line cameras would then also be mounted and adjustable on the frame-like, rigid support 45 in the same way as the line cameras 7 shown in FIG. 17.
  • the chipboard to be tested according to FIG. 17 can be raw or coated with laminates or foil. Also in the case of FIG. 17, the image processing system 4 is calibrated in the same way as described above in connection with the testing of sawn timber.

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Abstract

Ein ganz oder teilweise aus Holz bestehender Prüfling (2) wird in einer Vorschubrichtung (3) durch eine Prüfstation (1) mit einem Bildverarbeitungssystem (4) bewegt. Vier Zeilenkameras (7) nehmen jeweils einen strichförmigen Ausschnitt (8) der Oberfläche des Prüflings (2) auf. Die Bildsignale werden durch einen Bildrechner (11) ausgewertet zur Steuerung von Funktionen zur Verwertung der Prüflinge (2). Zur radiometrischen und/oder geometrischen und/oder kolorimetrischen Kalibrierung jedes Bildsensors werden in seinem Blickfeld Musterfelder von Helligkeits- und/oder Linien und/oder Struktur- und/oder Farbmustern angeordnet. Die dadurch erhaltenen Bildsignale werden zur Gewinnung von Kalibrationsdaten durch den Bildrechner (11) ausgewertet und zur Kalibrierung des jeweiligen Bildsensors verwendet.

Description

B E S C H R E I B U N G
Verfahren zur Kalibrierung eines Bildverarbeitungssystems
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbe¬ griff des Anspruchs 1.
Im Rahmen der Holzver- und -bearbeitung werden in zuneh¬ mendem Maß optische Systeme zur Qualitätskontrolle, Klassifizierung und Sortierung eingesetzt.
Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art (Holz-Zentralblatt, Stuttgart Nr. 10, 23.01.1991, Seite 171) wird die Sortierung von Schnittholz mit Hilfe eines Bildverarbeitungssystems durchgeführt, bei dem mit vier Videokameras alle Flächen des Schnittholzes im schnellen Durchgang geprüft werden. Die Kamerasignale werden von einem Bildrechner ausgewertet, der eine Kappsäge so ansteuert, daß Teile ungenügender Qualität aus dem
Schnittholz herausgetrennt werden. Die Einstellung und Ausrichtung der vier Kameras sowie die Kalibrierung eines solchen Systems bereiten Schwierigkeiten und sind bisher noch ungenügend gelöst. Verändert sich z.B. die Dimension des zu prüfenden Schnittholzes, müssen in der Regel alle vier Kameras mechanisch verstellt, ihre Optiken neu justiert, die unterschiedlichen Beleuchtungs- intensitäteπ korrigiert und die Ausrichtung der Kameras zueinander neu justiert werden. Dies erfordert einen erheblichen Zeitaufwand von bis zu einem Tag und bedeutet damit auch einen wirtschaftlichen Verlust, da während diese Umstelldauer die Anlage nicht nutzbringend betrie¬ ben werden kann.
Ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit ähnlichen Nachteilen ist auch aus den US 4 891 530 A bekannt. Zur Kalibrierung wird ein fehlerfreier oder fast fehlerfreier Prüfling durch die Prüfstation bewegt.
Aus der GB 2 029 570 A ist ein Verfahren an sich bekannt, Entscheidungsschwellen zu finden, indem auf einem Video- Monitor das Originalbild einer Prüffläche überlagert wird mit dem Ergebnis des über einen Schwellenwert binarisierten und klassifizierten Bildes. Der Bediener erhält auf diese Weise eine optische Kontrollmöglichkeit über die korrekte Einstellung dieser Schwelle. Eine solche visuelle Kontrolle der Einstellung von Schwellen wäre allenfalls im Anschluß an die erfindungsgemäße Kalibrierung sinnvoll durchzuführen.
Aus der US 4 301 373 A ist es an sich bekannt, eine selbsttätige Kompensation der unterschiedlichen Empfind¬ lichkeiten der einzelnen Pixel einer Matrixkamera und auch eine Kompensation äußerer Einflüsse, wie einer Verstärkerdrift, durchzuführen (Sp. 3, Z. 46 bis 54). Diese Art eines Teils der radiometrischen Kalibrierung wird intermittierend während der Messung anhand einer Dunkelreferenz, die von dem eigentlichen Signal abgezogen wird, vorgenommen. Nachteilig ist ferner, daß multiplika- tive Fehler nicht korrigierbar sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kalibrie- rung eines Bildverarbeitungssysteirss zu beschleunigen, zu vereinfachen und zu verbessern.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Als Kameras können Matrix- oder Zeilenkameras verwendet werden. Das Verfahren eignet sich besonders für die Prüfung von Schnittholz und Spanplatten. Das Verfahren ermöglicht eine schnelle, zumindest teilautoma¬ tische Kalibration eines Bildverarbeitungssystems für die automatische Inspektion der Prüflinge. Durch Einsatz von Einstellhilfen kann eine beschleunigte und selbsttä¬ tige Einstellung und Kalibrierung eines solchen Systems erfolgen. Es erfolgt eine rechnergestützte Auswertung der Bilder der Musterfelder und eine entsprechend schnel¬ le und sichere Kalibrierung der Kameras. Durch Einhaltung der Prüfsequenz: Radiometrische Kalibrierung und danach geometrische Kalibrierung wird erreicht, daß die einzel¬ nen Kalib ierungseinstellungen nicht negativ auf andere Kalibrierungseinstellungen zurückwirken. So kann z.B. die radiometrische Kalibrierung korrekt erfolgen, selbst wenn die geometrische Kalibrierung noch fehlt, die Kameras also z.B. noch falsch ausgerichtet und/oder defokussiert sind. Andererseits kann die geometrische Kalibrierung mit guter Genauigkeit nur erfolgen, wenn zuvor die radiometrische Kalibrierung durchgeführt worden ist.
Die Merkmale des Anspruchs 2 verbessern die Gesamtkali¬ brierung, wenn es sich bei der wenigstens einen Kamera um eine Farbkamera handelt.
Gemäß Anspruch 3 können bei Schnittholz z.B. alle vier Seiten des Prüflings inspiziert werden. Vorzugsweise sind dann vier Kameras vorgesehen, von denen jede auf eine Seite des Prüflings gerichtet ist.* Der Kalibrations- körper kann z.B. in Betriebspausen durch die Prüfstation geschickt werden, wenn also gerade kein Prüfling die Kameras passiert. Dann steht mehr Rechnerzeit für die Kalibrierung zur Verfügung.
Die Kalibrierung gemäß Anspruch 4 kann kontinuierlich oder in kurzen Abständen erfolgen. Bei der intermittie¬ renden Re-Kalibrierung kann man auch in diesem Fall mit Vorteil Betriebspausen ausnutzen, um dann mehr Rechner¬ zeit zur Verfügung zu haben.
Das Vorgehen gemäß Anspruch 5 kann in vielen Fällen einen gesonderten Kalibrationskörper und dessen perio¬ dischen Durchlauf durch die Prüfzone erübrigen. Auch hier kann die Re-Kalibrierung ohne Unterbrechung des Prüfbetriebs durchgeführt werden.
Die Merkmale jedes der Ansprüche 6 bis 12 kennzeichnen vorteilhafte Schritte zur radiometrischen Kalibrierung. Die über eine reine Subtraktion hinausgehende Transfor¬ mationsvorschrift gemäß Anspruch 8 gestattet die Beseiti¬ gung nicht nur von additiven Fehlern (Driften der Nulla- ge) » sondern auch von multiplikativen Fehlern (Driften der A/D-Wandlerreferenz, Driften der Verstärkungsfakto¬ ren) .
Die Merkmale jedes der Ansprüche 13 bis 19 lassen sich mit Vorteil zur geometrischen Kalibrierung einsetzen.
Gemäß Anspruch 14 können als Hell/Dunkel-Struktur z.B. periodische Strichmuster, hochfrequente zufällige Punkt¬ muster, pseudo-zufällige Binärmuster und ähnliche hoch¬ frequente Muster mit vielen Hell/Dunkel-Kantenübergängen Verwendung finden. Der Zwischenstreifen gemäß Anspruch 15 ist vorzugsweise von definierter Helligkeit oder Farbe.
Die Einstellung gemäß Anspruch 17 kann z.B. manuell oder motorisch über Linearverstelleinrichtungen erfolgen.
Gemäß Anspruch 18 können bei mehreren Kameras alle optischen Achsen durch einen gemeinsamen Punkt auf der
Längsachse des Prüflings verlaufen.
Gemäß Anspruch 19 kann die Periode in an sich bekannter Weise mit hoher Genauigkeit aus dem Fourierspektrum oder aus der Autokorrelationsfunktion des Helligkeitssignals berechnet werden. Beide Verfahren erlauben die Bestimmung der Periode mit einer Genauigkeit von typisch 1/100 Bildpunkt.
Die Merkmale des Anspruchs 20 oder 21 sind mit Vorteil bei der kolorimetrischen Kalibrierung einzusetzen. Die Bestimmung der Transformation des Farbraums kann z.B. in vorgegebenen Zeitabständen erfolgen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbei- spielen anhand der Zeichnungen. Es zeigt:
Fig. 1 schematisch den Aufbau einer Prüfstation mit vier Beleuchtungsvorrichtungen, vier auf ein Schnittholz gerichteten Zeilenkameras sowie einem Bildrechner,
Fig. 2 einen Kalibrationskörper, der mit zur radiome- trischen, geometrischen und kolorimetrischen Kalibrierung geeigneten Musterfeldern versehen ist,
Fig. 3 einen Prüfling, auf dessen eine Fläche die Muster- felder gemäß Fig. 2 durch einen Projektor projiziert werden,
Fig. 4 bis 8 jeweils Auswertungen der aus Musterfeldern zur radiometrischen Kalibrierung gewonnenen Signale,
Fig. 9 bis 15 jeweils Auswertungen der aus Musterfeldern zur geometrischen Kalibrierung gewonnenen Signale,
Fig. 16 eine Anbringungsart von Kameras bei der Schnitt¬ holzprüfung und
Fig. 17 eine Anbringungsart von Kameras bei der Span- plattenprüfung.
Gemäß Fig. 1 wird in einer Prüfstation 1 ein Prüfling 2, in diesem Fall Schnittholz, in einer Vorschubrichtung 3 bewegt.
Ein Bildverarbeitungssystem 4 soll in diesem Fall alle vier Seiten des Prüflings 2 auf bestimmte Fehler 5, wie Risse, Knoten, Äste, Randausbrüche, Harzgallen, Blau- und Rotfäule, untersuchen. Dazu sind auf jede Fläche des Prüflings 2 eine Beleuchtungsvorrichtung 6 und eine Zeilenkamera 7 gerichtet. Jede Kamera 7 erfaßt einen strichförmigen Ausschnitt 8 der Oberfläche des Prüflings 2 in einer zu der Vorschubrichtung 3 rechtwinkligen Ebene.
Der Prüfling 2 bewegt sich mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit von bis zu mehreren m/s, z.B. 1 bis 2 m/s. Um zu robusten und absoluten Meßwerten zu gelangen, ist es erforderlich, daß alle vier Kameras 7 richtig ausgerichtet sind (üblicherweise rechtwinklig zur Vor¬ schubrichtung 3) , daß ihre Abbildungsmaßstäbe und ihre Fokussierung identisch sind, daß ihre Empfindlichkeit im Grauwert- oder Farbbild identisch ist, und daß die Beleuchtungsstärke und -Verteilung identisch sind.
Diese Kalibrierungen sind besonders dann wichtig, wenn die Bilder 9 der Zeilenkameras 7 vor ihrer Auswertung zu einem der Abwicklung entsprechenden Panoramabild 10 zusammengesetzt werden, so daß ein Bildrechner 11 die gleichen Algorithmen auf die Bildpunkte aller vier Zeilenkameras 7 anwenden kann.
Erfindungsgemäß können anstelle der Zeilenkameras 7 auch Matrixkameras eingesetzt werden. Je nach der Prüfaufgabe sind Schwarz/Weiß-Kameras oder Farbkameras einzusetzen.
Die Kalibrierung des Bildverarbeitungssystems 4 ist unterteilt in eine radiometrische, eine geometrische und eine kolorimetrische Kalibrierung.
Die radiometrische Kalibrierung:
Hierunter versteht man alle diejenigen Einstellungen, die erforderlich sind, um eine korrekte und stabile Umwandlung von Lichtsignalen in dazu proportionale elektrische Signale zu erreichen. Die radiometrische Kalibrierung betrifft in dem vorliegenden Beispiel im einzelnen folgende Schritte:
Die Bestimmung der Beleuchtungsintensität entlang der Bildpunktzeile zur Erfap-ung der absoluten Lichtver¬ teilung und des Randabf Is,
die Bestimmung der Empfindlichkeit aller Bildpunkte entlang der Bildpunktzeile und die Einstellung von Nullpunkt und Verstärkung des analogen Videoverstärkers und des Analog/Digital- Wandlers jeder Kamera.
Diese Kalibrierung wird dadurch durchgeführt, daß gemäß Fig. 4 ein Zeilenprofil 12 von einer Vorlage mit bekann¬ tem Grauwert aufgenommen und hieraus für jeden Bildpunkt die z.B. lineare Transformationsvorschrift
x(i)soll = a (i) + b (i) * x(i)i,st tl]
ermittelt wird. Hierbei stellt x(i) das elektrische Ausgangssignal des Bildpunktes mit dem Index i dar. x. ist der nicht korrigierte Wert, xsol,l, der korrigierte
Wert. Der Koeffizient a(i) gibt die erforderliche Null¬ punktverschiebung, der Koeffizient b(i) die erforderliche (positive oder negative) Verstärkung des elektrischen Signals des Bildpunktes i an, die erforderlich ist, um aus dem Ist-Wert den gewünschten Soll-Wert zu erhalten. Um die beiden unbekannten Koeffizienten a und b zu bestimmen, muß der Bildpunkt nacheinander zwei Musterfel¬ der 13 und 14 (Fig. 2 und 8) mit bekannter, unterschied- licher Helligkeit beobachten. Die Musterfelder 13, 14 werden zweckmäßigerweise so gewählt, daß sie im mittle¬ ren, von der Zeilenkamera 7 erfaßten Helligkeitsbereich liegen. Dabei ist das Musterfeld 13 etwas heller als das Musterfeld 14.
In Fig. 5 ist am Beispiel einer der Zeilenkameras 7 ein in diesem Fall als Bildpunktzeile ausgebildeter Bildsen¬ sor 15 mit einzelnen Bildpunkten 16 dargestellt. Die elektrischen Ausgangssignale jedes Bildpunkts 16 werden über ein Schaltglied 17 seriell abgefragt, durch einen analogen Videoverstärker 18 nachverstärkt und danach in einen Analog/Digital-Wandler 19 eingegeben. Durch die Tatsache, daß jeder Bildpunkt 16 nacheinander die beiden Musterfelder 13,14 betrachtet, ist sicherge¬ stellt, daß alle Bildpunkte 16 trotz dort noch fehlender Nullpunkt- und Verstärkungseinstellung der analogen Videoverstärker 18 und der Analog/Digital-Wandler 19 einen Wert abgeben, der noch im Aussteuerungsbereich der analogen Videoverstärker 18 und der Analog/Digital- Wandler 19 liegt.
Durch Auflösen des linearen Gleichungssystems
xl(i)soll = a(i) + b(i) ' xl(i)ist
[2]
wird für jeden Bildpunkt i (bzw. 16) das Koeffizienten¬ paar a(i) und b(i) und damit die für jeden Bildpunkt individuelle Transformationsvorschrift bestimmt, die erforderlich ist, um die individuelle Nullpunktverschie¬ bung (d.h., den individuellen Dunkelstrom) und die individuelle Empfindlichkeit (d.h., den Umwandlungsfaktor von Strahlungsleistung in elektrische Spannung) des Bildpunktes auf den Sollwert zu korrigieren.
Die Transformationsvorschrift nach Gleichung [1] kann vorteilhafterweise durch ein Tabellenrechenwerk nach Fig. 5 durchgeführt werden. Die Tabelle 20 wird mit dem Adressierzeiger 21 vom Index i und mit dem Adressierzei¬ ger 22 vom Grauwert x(i). + des Bildpunktes i (bzw.16) adressiert. Unter jeder die-*' r Adressen wird in der
Kalibrationsphase der korrigierte Ausgahgswert χ(i)SQιι abgespeichert, der sich ergibt, wenn ein Bildpunkt i einen Helligkeitswert erzeugt. Diese Berechnung erfolgt durch den Bildrechner 11 (Fig. 1), der die beiden Helligakeitswerte xl(i)'sol,l-, und x2(xi)'so.ll, für jeden Bildpunkt abspeichert, hieraus die Koeffizienten •a(i) und b(i) nach dem Gleichungssystem [2] berechnet und die Tabelle 20 nach der Vorschrift der Gleichung [1] füllt. Der Vorteil dieses Tabellenrechenwerks ist, daß keine weitere arithmetischen Prozessoren, wie Multipli¬ zierer und Akkumulatoren, erforderlich sind und die Transformationsvorschrift in Echtzeit im Bildpunkt-Takt durchgeführt werden kann.
Die Kalibrierungsmarkierungen für diesen Schritt der radiometrischen Kalibrierung bestehen, wie erwähnt, aus den beiden Musterfeldern 13, 14 mit jeweils einem gleich¬ mäßigen und bekannten, aber voneinander unterschiedlichen Helligkeitswert. Diese beiden Helligkeitswerte sollen im sicheren Aussteuerungsbereich der Zeilenkameras 7 liegen.
Die Korrektur der unterschiedlichen Empfindlichkeit und des unterschiedlichen Nullpunkts der Bildpunkte 16 des Bildsensors 15 (Fig. 5) umfaßt gleichzeitig die Korrektur des durch die optischen Gesetzmäßigkeiten bewirkten Randabfalls der Helligkeit (der sog. Vignettierung), da dieser Randabfall sich wie eine geringere Empfindlichkeit der am Rand des Bildfeldes angeordneten Bildpunkte 16 auswirkt.
Der nächste Schritt der radiometrischen Kalibrierung, nämlich die Nullpunkt- und die Verstärkungseinstellung des Videoverstärkers 18 und des Analog/Digital-Wandlers 19 jeder Zeileπkamera 7, wird dadurch durchgeführt, daß alle Bildpunkte i (bzw. 16) nacheinander jeweils gleich¬ zeitig auf ein sehr dunkles Musterfeld 23 (Fig. 2, 6 und 8) mit konstantem Helligkeitswert und dann auf ein sehr helles Musterfeld 24 (Fig. 2, 7 und 8) mit ebenfalls konstantem Helligkeitswert gerichtet werden. Gemäß Fig. 6 wird bei Betrachtung des sehr dunklen
Musterfeldes 23 der Nullpunkt so eingestellt, daß nach dem Analog/Dic≤ al-Wandler 19 alle Bildpunkte i einen kleinen, am unteren Aussteuerungsbereich liegenden numerischen Wert erzeugen, der in Fig. 6 durch den Kurvenzug 25 dargestellt ist. Bei der Betrachtung des sehr hellen Musterfeldes 24 wird die Verstärkung so eingestellt, daß alle Bildpunkte i einen größeren, am oberen Aussteuerungsbereich liegenden numerischen Wert erzeugen, der im Zusammenhang in Fig. 7 durch den Kurven¬ zug 26 dargestellt ist.
Da alle drei Einstellungen (Bildpunktempfindlichkeit,
Nullpunkt und Verstärkung) sich gegenseitig beeinflussen, wird nach einer Ausführungsform der Erfindung dieses dreistufige Verfahren so lange iteriiert, bis eine gewünschte Aussteuerung aller Bildpunkte i (bzw. 16) erreicht ist, d.h. bis der numerische Ausgangswert aller
Bildpunkte bei der Betrachtung einer homogenen Fläche, z.B. des Musterfelds 13 oder 14, einen Wert annimmt, der ausreichend nahe an dem gewünschten Wert xsoi*,i*, liegt.
Fig. 8 zeigt einen beispielhaften Ablauf einer solchen Iteration. Dabei kommt den einzelnen Kästen folgende Bedeutung zu: 27 = Start der radiometrischen Kalibration; 28 = Bildpunktempfindlichkeit; 29 = Nullpunkt; 30 = Verstärkung; und 31 = Helligkeitsprofil ausreichend homogen und im richtigen Wertebereich?
In allen Zeichnuπgsfiguren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszahleπ versehen.
Fig. 2 zeigt einen Kalibrationskörper 32, der zweckmäßi- gerweise die gleiche Querschnittsform wie der Prüfling 2 aufweist und anstelle des Prüflings durch die Prüfstation 1 (Fig. 1) bewegt wird, wenn das Bildverarbeitungssystem 4 kalibriert werden soll. Auf jede der vier Seiten des Kalibrationskörpers 32 sind in Gestalt umlaufender Streifen die Musterfelder 13, 14, 23, 24 aufgebracht.
Anstelle des Kalibrationskörpers 32 kann auch gemäß Fig. 3 vorgegangen werden. Dort wird innerhalb der Prüfstation 1 auf wenigstens eine Fläche des Prüflings 2 mittels eines Projektors 33 die gleiche Anordnung von Musterfel- dem, z.B. 13, projiziert. Die Zeilenkamera 7 nimmt anstelle einer Fläche des Kalibrationskörpers 32 (Fig. 2) in Fig. 3 das so projizierte Bild von dem Prüfling 2 selbst auf. Die Auswertung der von den Musterfeldern gewonnenen elektrischen Signale erfolgt dann in der gleichen Weise wie mit dem Kalibrationskörper 32.
Die geometrische Kalibrierung:
Dazu gehören folgende Kalibrationsschritte:
a) Die Bestimmung der Abbildungsschärfe (Fokuskalibrie¬ rung) .
Hierzu wird nach Fig. 9 ein periodisches Strichmuster 34 in das Sichtfeld der Zeilenkameras 7 gebracht und ein Kontrastmaß aus dem Helligkeitsprofil bestimmt. Dieses Kontrastmaß K kann z.B. aus der Summe der Betragsdifferenzen benachbarter Bildpunkthelligkeiten bestehen:
= ∑ | x(i) - x(i+D| [3]
Das in Fig. 10 gezeigte Kontrastmaß K ist maximal, wenn das Objektiv der zugehörigen Zeilenkamera 7* scharf eingestellt ist. Die Fokuseinstellung der
Objektive wird dann so lange automatisch oder manuell fortgesetzt, bis ein gewünschtes Kontrast-Soll-Maß erreicht ist. Andere von Gleichung [3] abweichende Kontrastmaße sind dem Fachmann der Bildverarbeitung bekannt und brauchen daher hier nicht weiter erwähnt zu werden.
Die Markierung zur Fokus-Kalibrierung besteht in jedem Fall aus einem hochfrequent hell/dunklen Muster- feld. Das Musterfeld 34 mit dem periodischen Strich¬ muster ist hierfür eine ausreichende, aber nicht die einzig mögliche Ausführung. Andere Ausführungen können z.B. hochfrequente zufällige Punktmuster, pseudo-zufällige Binärmuster und ähnliche hochfrequen- te Muster mit vielen Hell/Dunkel-Kantenübergängen sein.
Die Ausrichtung der Zeilenkameras
Eine weitere geometrische Einstellung besteht in der Ausrichtung aller vier Zeilenkameras 7 derart, daß sie rechtwinklig zum Prüfling 2 ausgerichtet sind und zueinander entweder in der gleichen Beobachtungsebene oder um definierte Abstände in der Vorschubrichtung 3 versetzt liegen. Hierzu wird nach Fig. 11 z.B. ein Musterfeld 35 (s. auch Fig. 2) verwendet, das zwei zur Abtastrichtung parallele, im Abstand voneinander angeordnete, verhältnismäßig dunkle Streifen 36 und 37 und einen dazwischen angeordneten, helleren Zwi¬ schenstreifen 38 aufweist. Die Streifen 36 bis 38 müssen jeweils mindestens die Breite der Abbildung 39 des Bildsensors 15 auf dem Kalibrationskörper 32 (Fig. 2) oder dem Prüfling 2 (Fig. 3) aufweisen. Ist die betreffende Zeilenkamera 7 nicht korrekt ausgerichtet, schneidet die Abbildung 39 einen der beide Streifen 36, 37. Dann ergibt sich das in
Fig. 11 unten eingezeichnete Profil der Ausgangsspan- nung. In diesem Fall erfolgt die Ausrichtung der Zeilenkamera 7 durch manuelle oder motorische Ver¬ schiebung, Drehung und Kippung so lange, bis das Zeilenprofil gemäß Fig. 12 homogen ist und nur den Zwischenstreifen 38 erfaßt. Der Zwischenstreifen 38 ist zweckmäßigerweise von definierter Helligkeit bzw. definierter Farbe.
c) Der Abbildungsmaßstab
Eine weitere geometrische Kalibrierung besteht in der Bestimmung des Abbildungsmaßstabes, d.h. der Anzahl von Bildpunkten je mm, für jede Zeilenkamera 7.
Hierzu wird die bekannte Periode des unter a) erwähn¬ ten, für die Fokuskalibrierung bereits eingesetzten Musterfeldes 34 mit dem periodischen Strichmuster ausgemessen und die Periode der Hell/Dunkel-Struktur im digitalisierten Helligkeitssignal bestimmt. Es ist bekannt, diese Periode mit hoher Genauigkeit aus dem Fourierspektrum (Fig. 14) oder aber aus der Autokorre¬ lationsfunktion des Helligkeitssignals (Fig. 15) zu berechnen. Im Fall der Fig. 14 ist die Ortsfrequenz, die aus dem Strichmuster 34 entsteht, proportional zu seiner Schrittweite, nämlich l/dQ. Beide Verfahren sind dem Fachmann der Bildverarbeitung an sich bekannt und erlauben die Bestimmung der Periode mit einer Genauigkeit von typisch 1/100 Bildpunkt.
Die kolorimetrische Kalibrierung:
Bei der Verwendung von Farbkameras 7 muß sichergestellt werden, daß unabhängig von der Drift der Kameraelektronik und der Alterung der Beleuchtung ein möglichst absolut treues Farbsignal gewonnen werden kann. Eine Veränderung der analogen Kameraelektronik oder in der Farbtemperatur der Beleuchtung bedeutet ein Wegwandern aller Farbvekto¬ ren. Dies entspricht einer affinen Transformation der ursprünglichen Farbvektoren, d.h., die Farbvektoren verändern ihre Lage durch Rotation und Skalierung. Ein solches Wegwandern kann korrigiert werden, wenn diese affine Transformation bekannt ist.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird jede
Farbkamera 7 dadurch kalibriert, daß in einer ersten
Phase die Farbve stören von mindestens vier Farbreferenzen
Fsolnl(vn) ' gaemessen werden. Fsol-.l-.(n) ' bezeichnet den Farb- vektor, bestehend aus den Farbkomp ronenten [Rotsol,l,,
Grünsol,l,, Blauso,ll,] der Farbreferenz mit dem Index n.
Üblich ist z.B. die Verwendung von n=4 Farbreferenzen, z.B. Grün, Gelb, Rot und Blau. Dafür geeignete ultra¬ stabile Farbreferenzen werden z.B. von der Minolta Camera Co., Ltd., 30.2-Chome, Azuchi-Machi, Higashi-Ku, Osaka 514, Japan, und der Firma Labsphere Inc., P.O. Box 70, North Futton, N.H. 03260, USA, angeboten.
Zur Re-Kalibrierung der Farbkamera 7 werden in bestimmten Abständen diese Farbreferenzen wieder nachgemessen. Infolge der erwähnten Driften mißt der Bildrechner 11 nunmehr die Ist-Farbrefereπzvektoren F X.Sw. (n), die mit den Soll-Farbvektoren über eine affine Transformation verknüpft sind. Diese Transformation kann in Form einer Multiplikation der Soll-Farbvektoren durch eine Transfor- mationsmatrix " ausgedrückt werden:
Fι-s*t(n)' = Fsol.l- (n) * T [L4] ■ T ist eine 3 mal 4-Matrix mit 12 unbekannten Koeffizien¬ ten. Durch das Ausmessen von n = 4 Farbreferenzen mit jeweils 3 Farbvektorkomponenten ergeben sich durch Umstellung von Gleichung [4] und Auflösen nach T 12 lineare Gleichungen, deren Lösungen die 12 unbekannten
_1 Koeffizienten der Matrix T sind. Damit sind T und T bekannt. Werden alle beobachteten Farb Λvektoren Fi.s+(i) der Oberfläche des Prüflings 2 mit T~ multipliziert, erhält man die korrigierten Farbvektoren Fsol-*l*,(i), die derjenigen Farbe entsprechen, die sich bei einer Farbka¬ mera 7 ohne Drift und bei einer Beleuchtung ohne Verän¬ derung der Beleuchtungsintensität und -temperatur ergeben würden:
Dies entspricht der Re-Kalibrierung des gesamten Farb¬ systems.
Zu diesem Zweck sind in den Fig. 2 und 3 jeweils Muster¬ felder 40 mit jeweils einer blauen 41, grünen 42, gelben 43 und roten Farbrefereπz 44 eingezeichnet.
Diese Re-Kalibrierung wird in periodischen Abständen durch Ausmessen von mindestens vier Farbreferenzen und durch Berechnung der inversen Transformationsmatrix durchgeführt. Die mathematischen Grundlagen der Matrizen- und geometrischen Transformations-Mathematik sind dem Fachmann bekannt und brauchen hier nicht weiter verdeut¬ licht zu werden.
Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden alle gemessenen Bildpunkte vor der eigentlichen Bildauswertung mit Hilfe eines Farbrau transformations-Rechenwerks nach Gleichung [5] transformiert. Solche Rechenwerke existieren in Form spezieller Matrix-Multiplizier-Bausteine für die Echtzeit-Farbraum-Transformation und werden z.B. von der Brooktree Corporation, 9950 Barnes Canyon Rd., San Diego, CA 92121-2790, USA, und der Firma TRW LSI Products Inc., P.O. Box 2472, La Jolla, CA 92038, USA, herge¬ stellt.
Zur Kalibrierung kann der Kalibrationskörper 32 (Fig. 2) oder der das wenigstens eine Projektionsbild mit den Musterfeldern tragende Prüfling 2 gemäß Fig. 3 zonenwei- se automatisch oder manuell sowie kontinuierlich oder schrittweise durch das Bildfeld der Zeilenkameras 47 bewegt werden. Dabei werden im Bildrechner 11 die einzel¬ nen Kalibrationsberechnungen durchgeführt. Beim konti¬ nuierlichen Durchlauf können die Zonen zwischen den einzelnen Musterfeldern so ausgelegt sein, daß sie als optische Triggersignale dienen.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung können einige der vorerwähnten Musterfelder, z.B. die Farbreferenzen 41 bis 44, permanent am Rande des Bildfeldes der Kamera 7 eingeblendet werden. Auf diese Weise kann in kurzen Abständen oder kontinuierlich und in jedem Fall ohne Unterbrechung des laufenden Prüfbetriebs die Re-Kalibrie¬ rung durchgeführt werden. Bei der intermittierenden Re- Kalibrierung kann man mit Vorteil die Re-Kalibrierung in Betriebspausen durchführen, wenn also gerade kein Prüf¬ ling die Kameras 7 passiert. In diesen Betriebspausen steht grundsätzlich mehr Rechnerzeit zur Verfügung. Zwar beschränkt sich in diesem Fall die Kalibrierung auf die betroffenen Bildpunkte am Rande des Bildfeldes, jedoch kann durch diese Art der Re-Kalibrierung die vorerwähnte Grundkalibrierung in vorteilhafter Weise ergänzt werden. Fig. 16 zeigt die Anordnung der Zeilenkameras 7 an einem rahmenartigen, stabilen Träger 45. Jede Zeilenkamera 7 ist relativ zu dem Träger 45 dreidimensional einstellbar, wobei eine Dimension 46 parallel zu der Vorschubrichtung 3, eine weitere Dimension 47 waagerecht und die dritte Dimension 48 senkrecht verläuft. Optische Achsen 49 der Zeilenkameras 7 sind rechtwinklig zu der Vorschubrich¬ tung 3 angeordnet und schneiden in einem Punkt 50 die Längsachse 51 des Prüflings 2.
Die vorerwähnte dreidimensionale Einstellung jeder Zeilenkamera 7 kann z.B. über eine an sich bekannte Mehrfachschlittenführung entweder manuell oder - durch den Bildrechner 11 gesteuert - motorisch erfolgen.
Die Prüfstation 1 gemäß Fig. 17 ist für die Prüfung von als Spanplatten ausgebildeten Prüflingen 2 bestimmt. In disem Fall werden nur eine obere Fläche 52 und eine untere Fläche 53 des Prüflings 2 durch je zwei Zeilen¬ kameras 7, 7 inspiziert. Die strichförmigen Ausschnitte 8 jedes dieser Zeilenkamerapaare 7,7 erstrecken sich quer zur Vorschubrichtung 3 des Prüflings 2, stoßen aneinander an und fluchten miteinander.
Je nach der Breite der Spanplatten kann die Inspektion der oberen Fläche 52 und der unteren Fläche 53 mit jeweils nur einer Zeilenkamera 7 oder mehr als zwei Zeilenkameras 7 erfolgen. Bei Bedarf können auch Seiten¬ flächen 54 und 55 des Prüflings 2 durch jeweils eine Zeilenkamera 7 entsprechend Fig. 16 inspiziert werden. Auch diese Zeilenkameras würden dann an dem rahmenarti¬ gen, starren Träger 45 in der gleichen Weise montiert und verstellbar sein wie die in Fig. 17 eingezeichneten Zeilenkameras 7. Die gemäß Fig. 17 zu prüfenden Spanplatten können roh oder mit Laminaten oder Folie beschichtet sein. Auch im Fall der Fig. 17 findet die Kalibration des Bildverar¬ beitungssystems 4 in der gleichen Weise statt, wie zuvor im Zusammenhang mit der Prüfung von Schnittholz beschrie¬ ben.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Kalibrierung eines Bildverarbeitungs¬ systems (4) für die optische Prüfung von ganz oder teilweise aus Holz bestehenden Prüflingen (2) ,
mit folgenden Schritten:
a) Von dem Bildverarbeituπgssystem (4) wird mit wenigstens einer Kamera (7) ein Bild des Prüflings (2) aufgenommen und durch einen Bildsensor (15) der Kamera (7) in zu den Lichtsignalen proportiona¬ le elektrische Bildsignale umgewandelt,
b) die Bildsignale werden von einem Bildrechner (11) ausgewertet,
c) der Bildrechner (11) steuert Funktionen zur Verwer¬ tung der Prüflinge (2) , und
d) jeder Bildsensor (15) wird nach Bedarf kalibriert,
gekennzeichnet durch folgende Schritte
A) Zur radiometrischen und geometrischen Kalibrierung jedes Bildsensors (15) werden im Blickfeld des Bildsensors (15) in dieser Reihenfolge nacheinander Musterfelder (13,14,23,24,34,35) von Helligkeits- sowie Linien- und/oder Strukturmustern angeordnet,
B) die im Schritt A) erhaltenen Bildsignale der
Musterfelder werden zur Gewinnung von Kalibrations- daten durch den Bildrechner (11) ausgewertet, und
C) die im Schritt B) gewonnenen Kalibrationsdaten werden zur Kalibrierung Λa.s jeweiligen Bildsenscrs (15) verwendet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
AI) Im Anschluß an Schritt A) werden zur kolorimetri¬ schen Kalibrierung jedes Bildsensors (15) im Blickfeld des Bildsensors (15) Musterfelder (40) von Farbmustern angeordnet,
Bl) die im Schritt AI) erhaltenen Bildsignale der Musterfelder (40) werden zur Gewinnung von Kali- brationsdaten durch den Bildrechner (11) ausgewer¬ tet, und
Cl) die im Schritt Bl) gewonnenen Kalibrationsdaten werden zur Kalibrierung des jeweiligen Bildsensors (15) verwendet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Musterfelder für jeden Bildsensor (15) auf einen Kalibrationskörper (32) aufgebracht werden, daß dem Kalibrationskörper (32) zumindest annähernd die Querschnittsform der Prüflinge (2) gegeben wird, und daß die Musterfelder nacheinander in das Blickfeld des zugehörigen Bildsensors (15) bewegt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich¬ net, daß zumindest einige der Musterfelder am Rand des Bildfeldes jeder Kamera (7) eingeblendet werden, und daß mit den so gewonnenen Kalibrationsdaten die Kalibrierung jedes Bildsensors (15) ohne Unterbrechung des Prüfbetriebs durchgeführt wird. 015. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Musterfelder mit einem Projektor (33) auf eine dem jeweiligen Bildsensor (15) zugeordnete Fläche des Prüflings (2) projiziert werden, und daß
05 die projizierten Bilder der Musterfelder nacheinander in das Blickfeld des zugehörigen Bildsensors (15) bewegt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur radiometrischen Kalibrierung
10 Musterfelder (13,14,23,24) mit jeweils bekannter und homogener, aber unterschiedlicher Helligkeit verwen¬ det werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Helligkeitssignalen von Musterfeldern
15 (13,14) für jeden Bildpunkt (i;16) eine individuelle Transformationsvorschrift durch den Bildrechner (11) berechnet wird, um die individuelle Nullpunktverschie¬ bung und die individuelle Empfindlichkeit des Bildpunk¬ tes (i;16) auf einen Sollwert zu korrigieren.
20 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Bildpunkt (i;16) nacheinander zwei Muster¬ felder (13,14) unterschiedlicher Helligkeitswerte im mittleren, von der zugehörigen Kamera (7) erfaßten Helligkeitsbereich gezeigt werden,
25 daß durch den Bildrechner (11) das lineare Gleichungs¬ system aufgelöst wird:
x ^soll = 3(i) + b(i) ' Xl(i)ist
X 2(i)soll B "^ + b(i) ' x2(i)ist' worin xl(i) und x2(i) die elektrischen Ausgangssigna¬ le des Bildpunktes (16) mit dem Index i bei Betrach¬ tung der beiden Musterfelder (13,14), sowie der Koeffizient a(i) die Nullpunktverschiebung und der Koeffizient b(i) die Verstärkung des elektrischen
Ausgangssignals darstellen, die erforderlich sind, um aus dem Ist-Wert den gewünschten Soll-Wert zu erhal¬ ten,
und daß durch durch diese Auflösung für jeden Bild- punkt i das Koeffizientenpaar a(i) und b(i) und damit die individuelle Transformationsvorschrift bestimmt wird, um die individuelle Nullpunktverschiebung und die individuelle Empfindlichkeit des Bildpunkts (i;16) auf den gewünschten Sollwert zu korrigieren.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformationsvorschrift durch ein Tabellen¬ rechenwerk durchgeführt wird,
daß die Tabelle (20) sowohl vom Index i als auch vom Grauwert x(i) I-S+b jedes Bildpunktes (i;16) adressiert wird,
daß in der Kciibrationsphase unter jeder dieser
Adressen die korrig 3ierten Werte xl(i sol,l, und x2(i)'sol,l, des elektrischen Ausgangssignals abgespeichert wer¬ den,
und daß durch den Bildrechner (11) aus diesen korri¬ gierten Werten die Koeffizienten a(i) und b(i) berech¬ net werden und die Tabelle (20) entsprechend gefüllt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch 1 gekennzeichnet, daß auf diese Weise auch der durch die optischen Gesetzmäßigkeiten bedingte Randabfall der Helligkeit (die sogenannte Vignettierung) korri¬ giert wird, der sich wie eine geringere Empfindlich- 5 keit der am Rand des Bildfeldes angeordneten Bildpunk¬ te (i;16) auswirkt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß alle Bildpunkte (i;16) jedes Bildsensors (15) nacheinander jeweils gleichzeitig 10 auf ein sehr dunkles Musterfeld (23) mit konstantem Helligkeitswert und auf ein sehr helles Musterfeld (24) mit konstantem Helligkeitswert gerichtet werden,
daß bei Betrachtung des sehr dunklen Musterfelds (23) der Nullpunkt des Videoverstärkers (18) so eingestellt 15 wird, daß nach dem Analog/Digital-Wandler (19) alle Bildpunkte (i;16) einen verhältnismäßig kleinen, am unteren Ende des Aussteuerungsbereichs liegenden numerischen Wert (25) erzeugen,
und daß bei Betrachtung des sehr hellen Musterfelds 20 (24) die Verstärkung des Videoverstärkers (18) so eingestellt wird, daß nach dem Analog/Digital-Wandler (19) alle Bildpunkte (i;16) einen verhältnismäßig großen, am oberen Ende des Aussteuerungsbereichs liegenden numerischen Wert (26) erzeugen.
2512. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahren zur Kalibrierung der Bildpunkt¬ empfindlichkeit sowie des Nullpunkts und der Verstär¬ kung des Videoverstärkers (18) und des Analog/Digital- Wandlers (19) für jeden Bildsensor (15) so lange
30 iteriert (Fig. 8) werden, bis eine gewünschte Aus¬ steuerung aller Bildpunkte (i;16) erreicht ist, d.h., 01 bis das elektrische Ausgangssignal aller Bildpunkte (i;16) bei der Betrachtung eines Musterfelds mit homogenem Helligkeitswert einen numerischen Wert annimmt, der ausreichend nahe an dem gewünschten Wert
05 Xsoll liegt'
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur geometrischen Kalibrierung Musterfelder (34) mit periodischen Hell/Dunkel- Strukturen verwendet werden, und daß aus den elektri- 10 sehen Ausgangssignalen der Bildpunkte (i;16) bei der Betrachtung dieser Musterfelder (34) Einstellwerte für die Abbildungsschärfe und/oder die Ausrichtung und/oder der Abbildungsmaßstab jeder Kamera (7) durch den Bildrechner (11) berechnet werden.
1514. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kalibrierung der Abbildungsschärfe ein Muster¬ feld (34) mit einer hochfrequenten Hell/Dunkel- Struktur verwendet und aus dem Helligkeitsprofil ein Kontrastmaß (K) bestimmt wird, und daß die Fokusein-
20 Stellung des Objektivs der zugehörigen Kamera (7) so lange fortgesetzt wird, bis ein gewünschtes Soll- Koπtrastmaß erreicht ist.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß zur Ausrichtung jeder als Zeilenkamera
25 (7) ausgebildeten Kamera ein Musterfeld (35) mit zwei parallel zur Abtastrichtung angeordneten Streifen (36,37) und einem dazwischen angeordneten Zwischen¬ streifen (38) mit von den beiden Streifen (36,37) abweichender Helligkeit verwendet wird, und daß die
30 Kamera (7) so lange ein- bis dreidimensional justiert wird, bis eine Abbildung (39) des Bildsensors (15) parallel zu den Streifen (36,37) in dem Zwischenstrei- fen ( 38 ) liegt .
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kamera (7) so ausgerichtet wird, daß ihre optische Achse (49) zumindest annähernd rechtwinklig zu einer Vorschubrichtung (3) des Prüf¬ lings (2) angeordnet ist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kamera (7) in wenigstens einer von drei zueinander rechtwinkligen Koordinaten (46,47,48) relativ zu einem starren Träger (45) eingestellt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß jede Kamera (7) so ausgerichtet wird, daß ihre optische Achse (49) zumindest annähernd die Längsachse (51) des Prüflings (2) schneidet.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Abbildungsma߬ stabs jeder Kamera (7), d.h. der Anzahl der Bildpunk¬ te (16) je mm, die bekannte Periode einer Hell/Dunkel- Struktur eines Musterfelds (34) ausgemessen und die Periode der Hell/Dunkel-Struktur im digitalisierten Helligkeitssignal bestimmt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß zur kolorimetrischen Kalibrierung Musterfelder (40) mit wenigstens vier Farbreferenzen (41 bis 44) verwendet werden, daß die Farbvektoren der Farbreferenzen gemessen und als Soll-Referenzwer¬ te in einem Soll-Speicher abgespeichert werden, daß die Ist-Farbreferenzwerte nachgemessen werden, daß die. Transformation des Farbraums von den Soll-Referenz- werten zu den jeweiligen Ist-Referenzwerten bestimmt wird, und daß alle Farbvektoren der Signale der Bildpunkte (16) jedes Bildsensors (15) dieser Trans¬ formation unterworfen werden.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß alle Farbvektoren der Signale der Bildpunkte (16) jedes Bildsensors (15) mit Hilfe eines Farbraum- Transformationsrechners entsprechend der ermittelten Transformation umgewandelt werden.
EP93912866A 1992-06-10 1993-06-03 Verfahren zur kalibrierung eines bildverarbeitungssystems Withdrawn EP0645009A1 (de)

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