EP1197926B1 - Verfahren zur Erkennung eines Prägebilds einer Münze in einem Münzautomaten - Google Patents

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EP1197926B1
EP1197926B1 EP20010122726 EP01122726A EP1197926B1 EP 1197926 B1 EP1197926 B1 EP 1197926B1 EP 20010122726 EP20010122726 EP 20010122726 EP 01122726 A EP01122726 A EP 01122726A EP 1197926 B1 EP1197926 B1 EP 1197926B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coin
exposures
image
illumination
object field
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP20010122726
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP1197926A2 (de
EP1197926A3 (de
Inventor
Markus Adameck
Manfred Prof. Dr. Eich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Crane Payment Innovations GmbH
Original Assignee
National Rejectors Inc GmbH
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Publication date
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Publication of EP1197926A3 publication Critical patent/EP1197926A3/de
Application granted granted Critical
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Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G07—CHECKING-DEVICES
    • G07D—HANDLING OF COINS OR VALUABLE PAPERS, e.g. TESTING, SORTING BY DENOMINATIONS, COUNTING, DISPENSING, CHANGING OR DEPOSITING
    • G07D5/00—Testing specially adapted to determine the identity or genuineness of coins, e.g. for segregating coins which are unacceptable or alien to a currency
    • G07D5/005—Testing the surface pattern, e.g. relief

Definitions

  • the present invention relates to a method for detecting an embossed image of a coin in a slot machine.
  • coin machines For coin machines, z. As with coin validators, for example, up to eight coins are discriminated within one second. For this purpose, a number of methods have become known. A common distinguishing criterion is the coinage, which is determined with different probes. In known world monetary systems, however, identical or almost identical blanks are often used. The finished coins then differ only in thickness and diameter. An important distinguishing criterion, however, is the embossed image of the coin.
  • an opto-electronic coin validator in which the coin to be tested is arranged between rotating drive rollers.
  • the light emitted by a light source is imaged by a lens onto a coin rotated by the drive rollers as a small dot.
  • the reflected portion of the incident light is projected by another lens onto a photodiode array.
  • depressions, dirt and other surface texture, such as wear the reflection changes in the direction of the photodiode array.
  • the disadvantage here is that the coin between the drive rollers must be arranged, which is mechanically complicated.
  • the signal is not correlated with the profile of the embossed image, which leads to an increased rejection of real coins and at the same time to an increased acceptance of counterfeit money. It has been found that such a system can be deceived by a black and white image of the embossed image.
  • European patent application EP 0 898 163 A1 and US 6 064 478 each disclose a method and a device for automatically inspecting moving surfaces.
  • diffuse reflected light is recorded and evaluated.
  • the intensity of diffused light is orders of magnitude smaller (well over 1000 times) compared to light reflected on a specular metallic surface.
  • the low intensity of the reflected light requires either a long integration time in the image sensor or the use of strong light sources.
  • the disadvantage of a long integration time is that fast moving objects can not be recorded, certainly not with a single shot.
  • the use of strong light sources is costly and consumes a lot of energy.
  • the surface to be inspected is illuminated from three different directions.
  • the light sources each have a different characteristic color.
  • a line scan camera captures the color image of the moving surface and analyzes it for the physical properties of the surface.
  • an image receiver records three images of an object field illuminated from three directions in different colors. The colored shadows caused by depressions or elevations are used to inspect the surface.
  • a disadvantage of the known method is that this method can not be used for highly reflective surfaces, as they occur in coin testing. Also, it is not suitable for moving, embossed circulating coins. Also, the method is so complicated that the necessary calculations for example, 260 000 pixels can not be performed within a given time.
  • the invention has for its object to provide a method that allows a reliable and fast recording of the embossed image of a coin, without that the method can be deceived by the photo.
  • the method according to the invention runs in several steps.
  • a first step the coin is moved to an image receiver and to a light source having two or more illumination sections for preferentially parallel illumination of an object field on the coin surface from a different direction.
  • Each of the illumination sections preferably illuminates the object field on the coin surface with parallel light from another direction.
  • the illumination sections are arranged so that the object field is preferably illuminated from a total of 360 ° at a fixed azimuthal angle. In the language of spherical trigonometry it is called a full circle of latitude.
  • the parallel illumination ensures that the complete object field is under a fixed azimuthal angle (Width) is illuminated.
  • the image receiver records two or more images of the same object field simultaneously or successively.
  • recordings are taken by the same object field. It can be illuminated simultaneously with monochromatic light from 360 ° or illuminated in chronological order monochromatically from several different sections or simultaneously multi-colored from several angular ranges.
  • the object field is illuminated with light of different emission spectra on a plurality of angle sections. The emission spectra should be adapted to the filters of the color sensors used.
  • Difference image means that the brightness values of the images are subtracted from each other. Due to the difference between the images, the image areas, which are equally bright in both images despite different illumination, cancel out, while the image areas, which have a different brightness in both images, appear in the differential image. With the aid of a data and image processing, the determined difference image is compared with predetermined image data for generating a real or false signal. If the method according to the invention is carried out with a photograph of an embossed image, equal bright spots stand out when comparing the images in the difference image. The result is a uniform bright difference image, without evaluable structure.
  • the object field for recording is illuminated substantially with monochrome light.
  • monochromatic light several shots are preferably taken in succession. Each shot shows the embossed image in the area of the object field illuminated from a different direction.
  • the parallel illumination ensures that light is only reflected from locations on the coin surface towards the camera, where the slope corresponds to a certain value.
  • the object field is illuminated with illumination sections of different color for the recording.
  • a lighting can be done with red, green and blue light.
  • the light is correspondingly reflected on the object field in the direction of the camera, so that the reflection of a spectral range can be seen only in a partial image of the color sensor recorded image, but not in the other spectral images.
  • the subtraction of images of different spectra leads to the fact that the differences in the images remain and similarities stand out.
  • a color image produced in this way is recorded by a color image receiver, which can, for example, decompose the color image into three individual images. It is also possible to provide the image receiver with a corresponding set of filters in order to use other colors for the image receiver.
  • a color image receiver When using colored light and a corresponding image receiver, preferably only one image of the illuminated object field is made and this one image is split into a plurality of images with different illumination. It is also possible to work with polarized light instead of colored light.
  • light sources with a broad emission spectrum are used. Individual spectral ranges can be used of color filters, preferably short, long and band pass filters arranged between the object field and the light source.
  • the coin moves along a Münzlauf and triggers a signal to actuate the image receptor and the light source.
  • the coin can be recorded in your idle state. This is advantageous but by no means absolutely necessary if more than one shot of the embossed image is made in the monochrome embodiment.
  • the object field is illuminated by all lighting sections together in a substantially circular.
  • the illumination sections are designed, for example, as circular segments, wherein preferably the light from each circle segment strikes the object field in parallel.
  • each illumination section takes place at a constant angle with respect to the surface normal of the object field.
  • This illumination causes the resulting reflections, which arise at the selected gradient, have almost the same strength and thus enter into the differential image to the same extent.
  • the brightness values of the generated difference image are compared with a threshold value and, depending on whether they are smaller or larger than the threshold value, they are set to zero or one or vice versa.
  • the differential image thus digitized contains black and white areas which simplify a comparison with the reference data.
  • SSGM Selective Stereo Gradient Method
  • An object 10 with a structured surface reflects incident light beams 12 and 14 differently depending on the orientation of the surface normals 16 and 18 at the reflection point in the direction of the observer 20.
  • a metallic, reflecting surface which is illuminated with a directed light beam cf. FIG. 6, ray A
  • the reflections of real surfaces can be described by the bidirectional reflection distribution function.
  • Fig. 6 shows the incident light beam A and the light lobe reflected from the surface.
  • Narrow light lobes generally mean that there is no diffuse reflection and that the surface is intrinsically reflective.
  • the ideally specular component can be larger by a factor of 1000 than in diffuse reflection.
  • a significant advantage of the detection of the reflective components is that you can work with much lower amounts of light, which saves on the one hand energy, on the other hand requires shorter exposure times than diffuse reflection.
  • the detection of the specular component allows the selection of all object points in which the reflection conditions are fulfilled. The different brightnesses thus contain information about the structure of the reflective surface.
  • Fig. 2 shows how an object 22 from different directions 24 and 29 is illuminated. Depending on the direction of the illumination light of different areas 26 and 28, which have the same amount of slope, reflected.
  • a camera 30 essentially captures the images labeled A and B at the same camera position.
  • the image A has on its left side, which faces the light source 24, a clearly visible area, while this is in image B on the right side.
  • Image C in FIG. 2 shows the difference image of images A and B, the diffuse brightness values being suppressed by the application of a threshold value.
  • Fig. 3 shows the method according to the invention applied to a 1-DM coin illuminated from four different directions B1-B4. The difference image is shown as a large picture D.
  • E shows a bright picture.
  • the photograph of a coin - a plan image - was illuminated from four different directions B1-B4 and the four images were subtracted from each other. Since the photograph of an embossed image, regardless of the direction of illumination, reflects the same amount of light towards the camera, it stands out in the subtraction.
  • the method enables a reliable distinction between the photograph of a stamping image and an actual stamping image.
  • no specular component is reflected in the direction of observation, which is clearly reflected in the intensities of the reflections.
  • Fig. 4 shows schematically the arrangement of the camera 32 relative to the chute 34 and the Münzlauf 36 of a slot machine. Depending on the integration time of the camera, the coin can be recorded on the Münzlauf 36 when falling or while unrolling.
  • FIGS. 5A and B show two preferred constructions for illuminating an object field of the coin.
  • the light source 38 is annular and has 3 illumination sections 40, 42 and 44 which illuminate the embossed image of the coin in the colors red, green and blue.
  • the camera 30 has a digital sensor with a color filter (for example, Bayer Pattem), which provides a pixel-dependent signal that is proportional to the amount of light detected. This signal can be decomposed, resulting in three shots of the coin surface. The brightness values of these images are subtracted from each other to produce the difference image.
  • the illumination in each of the luminous sections 40, 42 and 43 is effected by a chain with light-emitting diodes (cf., Fig.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Prägebilds einer Münze in einem Münzautomaten.
  • Bei Münzautomaten, z. B. bei Münzprüfern werden beispielsweise bis zu acht Münzen innerhalb von einer Sekunde diskriminiert. Hierzu ist eine Reihe von Verfahren bekannt geworden. Ein häufiges Unterscheidungskriterium ist das Münzmaterial, das mit verschiedenen Sonden ermittelt wird. Bei bekannten weltweiten Währungssystemen werden jedoch häufig gleiche oder fast gleiche Rohlinge benutzt. Die fertigen Münzen unterscheiden sich dann nur noch in Dicke und Durchmesser. Ein wichtiges Unterscheidungskriterium ist jedoch das Prägebild der Münze.
  • Aus der Offenlegungsschrift DE 2 306 187 ist ein opto-elektronischer Münzprüfer bekannt, bei dem die zu prüfende Münze zwischen sich drehenden Antriebsrollen angeordnet wird. Das von einer Lichtquelle ausgehende Licht wird durch eine Linse auf eine durch die Antriebsrollen gedrehte Münze als kleiner Punkt abgebildet. Der reflektierte Teil des auftreffenden Lichts wird durch eine weitere Linse auf eine Fotodiodenanordnung projiziert. Abhängig von auf der Münze befindlichen Erhebungen, Vertiefungen, Verschmutzungen und der sonstigen Oberflächenbeschaffenheit, wie beispielsweise Abnutzungen, ändert sich die Reflexion in Richtung der Fotodiodenanordnung. Nachteilig hierbei ist, daß die Münze zwischen den Antriebsrollen angeordnet werden muß, was mechanisch aufwendig ist. Ferner ist nachteilig, daß das Signal nicht mit dem Profil des Prägebilds korreliert, was zu einer erhöhten Abweisung von Echtmünzen führt und gleichzeitig zu einer erhöhten Akzeptanz von Falschgeld. Es hat sich gezeigt, daß ein solches System durch ein Schwarz-Weiß-Bild des Prägebilds getäuscht werden kann.
  • Aus dem Artikel "Photometric method for determining surface orientation from multiple images" von Robert J. Woodham in Optical Engineering 1980, Vol. 19 No. 1, S. 139ff ist es bekannt, zur Untersuchung von Oberflächen die Richtung der einfallenden Beleuchtung zwischen aufeinanderfolgenden Bildern zu variieren, während die Blickrichtung für die Aufnahmen konstant gehalten wird. Die so gewonnenen Bilder enthalten ausreichend Information, um die Oberflächenorientierung in jedem Punkt zu berechnen. Nachteilig an dem von Woodham vorgeschlagenen Verfahren ist, daß zur Berechnung der Oberflächenorientierung aufwendige Rechnungen notwendig sind, die zur Erkennung eines Prägebildes nicht geeignet sind. Wie bei allen Verfahren, die auf dieser Methode des photometrischen Stereos aufbauen, sind mindestens drei Lichtquellen zur Berechnung der Oberflächengradienten notwendig. Nur so können die lokalen, sich über die Oberfläche ändemden Reflektivitäten, beispielsweise bei Umlaufmünzen aufgrund von unterschiedlicher Abnutzung, herausgerechnet werden. Außerdem muß jeder Punkt auf der Oberfläche unverzichtbar von allen drei Lichtquellen beleuchtet werden und es muß ausreichend Licht von jeder der drei Lichtquellen in Beobachtungsrichtung reflektiert werden.
  • Aus der europäischen Offenlegungsschrift EP 0 898 163 A1 und US 6 064 478 ist jeweils ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Inspektion von sich bewegenden Oberflächen bekannt. Bei der Methode wird diffus reflektiertes Licht aufgezeichnet und ausgewertet. Die Intensität von diffus gestreutem Licht ist im Vergleich zu Licht, das an einer spiegelnden, metallischen Oberfläche reflektiert wurde, um Größenordnungen kleiner (weit über Faktor 1000). Die geringe Intensität des reflektierten Lichts macht entweder eine lange Integrationszeit im Bildsensor oder die Verwendung von starken Lichtquellen notwendig. Nachteilig an einer langen Integrationszeit ist, daß schnell bewegte Objekte nicht aufgenommen werden können, erst recht nicht mit einer einzigen Aufnahme. Die Verwendung starker Lichtquellen ist kostenintensiv und verbraucht viel Energie.
  • Bei dem aus EP 0 898 163 und US 6 064 478 bekannten Verfahren wird die zu inspizierende Oberfläche aus drei unterschiedlichen Richtungen angeleuchtet. Die Lichtquellen besitzen jeweils eine andere charakteristische Farbe. Eine Zeilenkamera nimmt das Farbbild der sich bewegenden Oberfläche auf und analysiert es auf die physikalischen Eigenschaften der Oberfläche. Bei dem bekannten Verfahren zeichnet ein Bildempfänger drei Aufnahmen eines aus drei Richtungen in unterschiedlichen Farben beleuchteten Objektfeldes auf. Die durch Vertiefungen oder Erhebungen hervorgerufenen farbigen Schatten werden zur Inspektion der Oberfläche herangezogen. Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist, daß dieses Verfahren nicht bei hoch reflektierenden Oberflächen, wie sie bei der Münzprüfung auftreten, eingesetzt werden kann. Auch ist es nicht für sich bewegende, geprägte Umlaufinünzen geeignet. Ebenfalls ist das Verfahren derart aufwendig, daß die notwendigen Rechnungen für beispielsweise 260 000 Bildpunkte nicht innerhalb einer vorgegebenen Zeit durchgeführt werden können.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, das ein zuverlässiges und schnelles Aufnehmen des Prägebilds einer Münze gestattet, ohne daß das Verfahren durch das Foto getäuscht werden kann.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren läuft in mehreren Schritten ab. In einem ersten Schritt wird die Münze zu einem Bildempfänger und zu einer Lichtquelle bewegt, die zwei oder mehr Beleuchtungsabschnitte zur bevorzugten parallelen Beleuchtung eines Objektfeldes auf der Münzoberfläche aus jeweils einer anderen Richtung aufweist. Jeder der Beleuchtungsabschnitte beleuchtet das Objektfeld auf der Münzoberfläche vorzugsweise mit parallelem Licht aus einer anderen Richtung. Die Beleuchtungsabschnitte sind so angeordnet, daß das Objektfeld bevorzugt aus insgesamt 360° unter einem festen Azimutalwinkel beleuchtet wird. In der Sprache der sphärischen Trigonometrie wird damit ein voller Breitenkreis bezeichnet. Die parallele Beleuchtung stellt sicher, daß das komplette Objektfeld unter einem festen Azimutalwinkel (Breite) beleuchtet wird. So reflektieren alle Objektpunkt, für welche die Reflexionbedingung in Richtung Kamera erfüllt ist, also die denselben Gradienten besitzen, maximal in Richtung des Bildempfängers. Der Bildempfänger zeichnet bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Anspruch 1 zwei oder mehr Aufnahmen desselben Objektfeldes gleichzeitig oder nacheinander auf. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Aufnahmen von demselben Objektfeld aufgenommen. Dabei kann gleichzeitig mit monochromatischem Licht aus 360° beleuchtet werden oder in zeitlicher Abfolge monochromatisch aus mehreren unterschiedlichen Abschnitten oder gleichzeitig mehrfarbig aus mehreren Winkelbereichen beleuchtet werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird auf mehreren Winkelabschnitten das Objektfeld mit Licht unterschiedlicher Emissionsspektren beleuchtet. Dabei sollen die Emissionsspektren den Filtern der verwendeten Farbsensoren angepaßt sein. Dadurch entstehen in einem Farbsensor, gleichzeitig oder in zeitlicher Folge, ein oder mehrere Bilder, welche im Sensor die Höhenlinien der ausgewählten Gradienten des Objektfeldes zeigen. Um Fälschungssicherheit gegen Vorlage von Photos zu gewährleisten, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Differenzbild ermittelt. Differenzbild bedeutet hierbei, daß die Helligkeitswerte der Bilder voneinander subtrahiert werden. Durch die Differenzbildung zwischen den Bildern heben sich die Bildbereiche, die bei beiden Aufnahmen trotz unterschiedlicher Beleuchtung gleich hell sind, auf, während die Bildbereiche, die in beiden Bildern eine unterschiedliche Helligkeit besitzen, in dem Differenzbild zutage treten. Mit Hilfe einer Daten- und Bildverarbeitung wird das ermittelte Differenzbild mit vorgegebenen Bilddaten zur Erzeugung eines Echt- oder Falschsignals verglichen. Wird das erfindungsgemäße Verfahren mit einem Foto eines Prägebildes ausgeführt, so heben sich beim Vergleich der Bilder im Differenzbild gleich helle Stellen heraus. Es entsteht ein gleichmäßig helles Differenzbild, ohne auswertbare Struktur.
  • In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Objektfeld für die Aufnahme im wesentlichen mit einfarbigem Licht beleuchtet. Bevorzugt werden bei der Beleuchtung mit einfarbigem Licht mehrere Aufnahmen hintereinander gemacht. Jede der Aufnahmen zeigt das Prägebild im Bereich des Objektfeldes aus einer anderen Richtung beleuchtet. Die parallele Beleuchtung stellt sicher, daß Licht nur von Orten auf der Münzoberfläche in Richtung Kamera reflektiert wird, an dem die Steigung einem bestimmten Wert entspricht.
  • In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Objektfeld mit Beleuchtungsabschnitten unterschiedlicher Farbe für die Aufnahme beleuchtet. Beispielsweise kann eine Beleuchtung mit rotem, grünem und blauem Licht erfolgen. Bei dieser Beleuchtung wird auf dem Objektfeld das Licht entsprechend in Richtung Kamera reflektiert, so daß die Reflexion eines Spektralbereichs nur in einem Teilbild des vom Farbsensor aufgenommenen Bildes zu sehen ist, nicht aber in den anderen Spektralaufnahmen. Die Subtraktion von Bildern unterschiedlicher Spektren führt dazu, daß die Unterschiede in den Bildern enthalten bleiben und Gemeinsamkeiten sich herausheben.
  • Ein so entstandenes Farbbild wird durch einen Farbbildempfänger aufgenommen, der beispielsweise das Farbbild in drei einzelne Bilder zerlegen kann. Auch ist es möglich, den Bildempfänger mit einem entsprechenden Satz von Filtern zu versehen, um andere Farben für den Bildempfänger verwenden zu können. Bei der Verwendung von farbigem Licht und einem entsprechenden Bildempfänger wird bevorzugt nur eine Aufnahme des ausgeleuchteten Objektfeldes gemacht und diese eine Aufnahme in mehrere Aufnahmen mit unterschiedlicher Ausleuchtung zerlegt. Es ist ebenfalls möglich, anstelle von farbigem Licht mit polarisiertem Licht zu arbeiten. In einer vorzugsweisen Ausgestaltung des Verfahrens werden Lichtquellen mit einem breiten Emissionsspektrum verwendet. Einzelne spektrale Bereiche können unter Verwendung von Farbfiltern, vorzugsweise Kurz-, Lang- und Bandpaßfiltern die zwischen Objektfeld und Lichtquelle angeordnet sind, ausgewählt werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bewegt sich die Münze entlang einem Münzlauf und löst dabei ein Signal zur Betätigung des Bildempfängers und der Lichtquelle aus.
  • Alternativ hierzu kann die Münze auch in Ihrem Ruhezustand aufgenommen werden. Dies ist vorteilhaft aber keineswegs unbedingt erforderlich, wenn in der einfarbigen Ausgestaltung mehr als eine Aufnahme des Prägebilds gemacht wird.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführung wird das Objektfeld durch alle Beleuchtungsabschnitte zusammen im wesentlichen kreisförmig ausgeleuchtet. Die Beleuchtungsabschnitte sind beispielsweise als Kreissegmente ausgeführt, wobei bevorzugt das Licht aus jedem Kreissegment parallel auf das Objektfeld trifft.
  • Zweckmäßigerweise erfolgt die Beleuchtung durch jeden Beleuchtungsabschnitt unter einem konstanten Winkel gegenüber der Flächennormalen des Objektfeldes. Diese Ausleuchtung bewirkt, daß die jeweils entstehenden Reflexionen, die an den ausgewählten Gradienten entstehen, nahezu die gleiche Stärke besitzen und somit im gleichen Maße in das Differenzbild eingehen.
  • Die Helligkeitswerte des erzeugten Differenzbildes werden mit einem Schwellwert verglichen und abhängig davon, ob sie kleiner oder größer als der Schwellwert sind, werden sie zu Null bzw. Eins oder umgekehrt gesetzt. Das so digitalisierte Differenzbild enthält schwarze und weiße Flächen, die einen Vergleich mit den Referenzdaten vereinfachen.
  • In einer einfachen Ausgestaltung bietet es sich an, das aufgenommene Bild oder die Maxima der erzeugten Bilder ohne Bildung eines Differenzbildes mit einem Schwellwert zu vergleichen und die Werte der Bildpunkte auf Eins zu setzen, wenn sie über dem Schwellwert liegen und ansonsten auf Null zu setzen. Diese Ausgestaltung bietet sich an, wenn in dem Verarbeitungsschritt auf die Verifikation eines 3D-Höhenprofiles verzichtet werden kann.
  • Alternativ zu der Verwendung eines Schwellwertes ist es ebenfalls möglich, diejenigen Bildpunkte mit einem Helligkeitswert auf null oder eins zu setzen, die innerhalb eines vorgegebenen Intervalls von Helligkeitswerten liegen. Die verbleibenden Bildpunkte werden entsprechend anders gesetzt, so daß Linien konstanter Helligkeit entstehen. Die Linien konstanter Helligkeit können als Höhenlinien des Prägebildes aufgefaßt werden. Da diesen Linien jeweils eine konstante Steigung des Flächenelements in dem Punkt zugrunde liegt, wird dieser Verfahrensschritt auch als Selektive Stereo Gradientenmethode (SSGM) bezeichnet.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1:
    die Reflektion von parallel einfallendem Licht an unterschiedlich geneigten Flächenelementen,
    Fig. 2:
    das Prinzip der Differenzbildung zweier Aufnahmen mit anschließender Reskalierung der Helligkeit,
    Fig. 3:
    das Prägebild einer 1,00 DM Münze bei der Verwendung von vier Aufnahmen,
    Fig. 4:
    eine rollende Münze auf einem schrägen Münzlauf,
    Fig. 5A,B:
    eine schematische Darstellung von Kamera und einer ringförmigen Beleuchtung,
    Fig. 6:
    Helligkeitsverteilung bei der Reflexion an einer spiegelnden Oberfläche.
  • Ein Objekt 10 mit einer strukturierten Oberfläche reflektiert einfallende Lichtstrahlen 12 und 14 je nach Ausrichtung der Flächennormalen 16 und 18 im Reflexionspunkt in Richtung des Beobachters 20 unterschiedlich stark. Bei einer metallischen, spiegelnden Oberfläche, die mit einem gerichteten Lichtstrahl (vergleiche Fig. 6, Strahl A) beleuchtet wird, kann zwischen diffuser Lambert-Reflexion B, gerichteter Reflexion C und ideal spiegelnder Reflexion D unterschieden werden. Die Reflexionen realer Oberflächen lassen sich durch die sogenannte bidirectional reflection distribution function (bidirektionale Reflexionsverteilungsfunktion) beschreiben. Fig. 6 zeigt den einfallenden Lichtstrahl A und die von der Oberfläche reflektierte Lichtkeule. Schmale Lichtkeulen bedeuten generell, daß keine diffuse Reflexion auftreten und es sich um eine dem Wesen nach spiegelnde Oberfläche handelt. In Reflexionsbedingung (Einfallwinkel = Ausfallwinkei) kann der ideal spiegelnde Anteil um einen Faktor 1000 größer sein, als bei der diffusen Reflexion.
  • Ein wesentlicher Vorteil der Detektion der spiegelnden Anteile ist, daß mit wesentlich geringeren Lichtmengen gearbeitet werden kann, was zum einen Energie spart, zum anderen kürzere Belichtungszeiten als bei diffuser Reflexion benötigt. Die Detektion des spiegelnden Anteils ermöglicht die Auswahl aller Objektpunkte, in der die Reflexionsbedingungen erfüllt werden. Die unterschiedlichen Helligkeiten beinhalten also Informationen über die Struktur der reflektierenden Oberfläche.
  • Fig. 2 zeigt wie ein Objekt 22 aus unterschiedlicher Richtung 24 und 29 beleuchtet wird. Je nach Richtung der Beleuchtung wird Licht unterschiedlicher Bereiche 26 bzw. 28, die denselben Betrag der Steigung haben, reflektiert. Eine Kamera 30 nimmt bei derselben Kameraposition im wesentlichen die mit A und B gekennzeichneten Bilder auf. Das Bild A besitzt an seiner linken Seite, die der Lichtquelle 24 zugewandt ist, einen deutlich sichtbaren Bereich, während dieser in Bild B auf der rechten Seiten liegt. Bild C in Fig. 2 zeigt das Differenzbild der Bilder A und B, wobei die diffusen Helligkeitswerte durch die Anwendung eines Schwellwertes unterdrückt wurden.
  • Fig. 3 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren angewendet auf eine 1-DM Münze, die aus vier unterschiedlichen Richtungen B1-B4 beleuchtet wurde. Das Differenzbild ist groß als Bild D dargestellt.
  • Zum Vergleich dazu zeigt E ein helles Bild. Hier wurde das Foto einer Münze - also ein planes Bild - aus vier unterschiedlichen Richtung B1-B4 beleuchtet und die vier Aufnahmen voneinander subtrahiert. Da das Foto eines Prägebildes unabhängig von der Beleuchtungsrichtung gleiche Lichtmengen in Richtung Kamera reflektiert, heben sich diese bei der Differenzbildung heraus. Damit ermöglicht das Verfahren eine zuverlässige Unterscheidung zwischen dem Foto eines Prägebildes und einem tatsächlichen Prägebild. Insbesondere wird im Fall eines Fotos kein spiegelnder Anteil in Beobachtungsrichtung reflektiert, was sich deutlich in den Intensitäten der Reflexionen zeigt.
  • Fig. 4 zeigt schematisch die Anordnung der Kamera 32 relativ zu dem Einwurfschacht 34 und dem Münzlauf 36 eines Münzautomaten. Je nach Integrationszeit der Kamera kann die Münze im Fallen oder während des Abrollens auf dem Münzlauf 36 aufgenommen werden.
  • Fign. 5A und B zeigen zwei bevorzugte Aufbauten für die Beleuchtung eines Objektfeldes der Münze. Hierbei ist als Objektfeld die gesamte Münzoberfläche gewählt. Die Lichtquelle 38 ist ringförmig und besitzt 3 Beleuchtungsabschnitte 40, 42 und 44, die in den Farben rot, grün und blau das Prägebild der Münze beleuchten. Die Kamera 30 besitzt einen digitalen Sensor mit einem Farbfilter (beispielsweise Bayer Pattem), der ein pixelabhängiges Signal liefert, das proportional zur detektierten Lichtmenge ist. Dieses Signal kann zerlegt werden und ergibt so drei Aufnahmen der Münzoberfläche. Die Helligkeitswerte dieser Aufnahmen werden voneinander subtrahiert, um das Differenzbild zu erzeugen. Die Beleuchtung in jedem der Leuchtabschnitte 40, 42 und 43 erfolgt durch eine Kette mit Leuchtdioden (vgl. Fig. 5B), die jeweils die Münzoberfläche über einen Winkelbereich von 120° ausleuchten. Bei dieser Beleuchtung entsteht ein rotationsinvariantes Bild. Anstatt mit farbigem Licht kann auch mit polarisiertem Licht gearbeitet werden, wobei der Bildempfänger dann mit entsprechenden Polarisationsfiltern ausgestattet ist, um die Beleuchtung selektiv aufzeichnen zu können.

Claims (22)

  1. Verfahren zur Erkennung eines Prägebilds einer Münze in einem Münzautomaten mit den folgenden Schritten:
    • die Münze (10) wird zu einem Bildempfänger (32) und zu einer Lichtquelle (38) bewegt, wobei die Lichtquelle (38) zwei oder mehr Beleuchtungsabschnitte (40, 42, 44) zur Beleuchtung eines Objektfeldes auf der Münzoberfläche aus jeweils einer anderen Richtung aufweist,
    • der Bildempfänger zeichnet mindestens zwei Aufnahmen (A, B, C) des Objektfeldes auf, bei denen das Objektfeld jeweils von einem der Beleuchtungsabschnitte aus einer anderen Richtung beleuchtet wird,
    • aus den Aufnahmen wird ein Differenzbild (D) ermittelt,
    • mit Hilfe einer Daten- und Bildverarbeitung wird das ermittelte Differenzbild (D) mit vorgegebenen Bilddaten verglichen, zur Erzeugung eines Echt- oder Falschsignals.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektfeld von jedem Beleuchtungsabschnitt mit parallelem Licht (12) beleuchtet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektfeld für die Aufnahmen im wesentlichen mit einfarbigem Licht beleuchtet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmen nacheinander aufgenommen werden, jeweils bei Beleuchtung mit einem der Beleuchtungsabschnitte.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektfeld für die Aufnahmen von den Beleuchtungsabschnitten mit jeweils unterschiedlich farbigem Licht beleuchtet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das farbige Licht durch die Verwendung von Filtern erzeugt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmen mit einem Bildempfänger gemacht werden, der für sämtliche Farben der Beleuchtungsabschnitte empfindlich ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Bildempfänger eine Farbkamera verwendet wird und die Beleuchtungsabschnitte auf die Farbkamera abgestimmt farbiges Licht erzeugen, derart, daß eine Farbaufnahme in mehrere Aufnahmen mit einer Beleuchtung jeweils eines anderen Beleuchtungsabschnitts zerlegt werden kann.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmen gleichzeitig gemacht werden, indem eine Farbaufnahme in die durch die unterschiedlichen Beleuchtungsabschnitte beleuchteten Aufnahmen zerlegt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektfeld für die Aufnahme mit unterschiedlich polarisiertem Licht beleuchtet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildpixel des Bildempfängers mit Polarisationsfiltern versehen sind, mit denen die Aufnahme in ihre polarisationsabhängigen Anteile zerlegt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Münze entlang einem Münzlauf ein Signal zur Betätigung des Bildempfängers und der Lichtquelle auslöst.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Münze sich im Ruhezustand während der Aufnahmen befindet.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Münze sich während der Aufnahme in Bewegung befindet, insbesondere die Münze frei fällt, abrollt oder an einer Fläche entlang gleitet.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektfeld durch die Beleuchtungsabschnitte insgesamt im wesentlichen kreisförmig angeleuchtet wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung durch jeden Beleuchtungsabschnitt unter einem im wesentlichen konstanten Winkel gegenüber der Flächennormalen erfolgt.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Helligkeitswerte des erzeugten Differenzbildes mit einem Schwellwert verglichen werden und abhängig davon, ob sie kleiner oder größer als der Schwellwert sind, zu Null bzw. Eins oder umgekehrt gesetzt werden.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem mittleren Helligkeitswert der Aufnahme oder einem gemessenen mittleren Helligkeitswert eine dem Sensor vorgeschaltete Meßanordnung aus LED und Photodiode und/oder aus einem Vergleich von mittleren Helligkeitswerten mit maximal auftretenden Helligkeitswerten und/oder aus der Mittelwertabweichung der Helligkeitswerte der Aufnahmen, die Reflektivität der Münzoberfläche ermittelt wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß aus der ermittelten Reflektivität auf das Münzmaterial geschlossen wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß aus der ermittelten Reflektivität ein Schwellwert berechnet wird, mit dem das Differenzbild verglichen wird.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß aus der ermittelten Reflektivität ein zusätzlicher Vergleichswert berechnet wird, der zur Erzeugung eines Gut- oder Falschsignals dient.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Helligkeitswerte des erzeugten Differenzbildes, die innerhalb eines vorbestimmten Wertebereichs liegen, auf Null oder auf Eins gesetzt werden, während die übrigen Helligkeitswerte auf Eins bzw. auf Null gesetzt werden.
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