CN111727435A - 增大基于阴影的视频入侵检测***的检测区域的方法 - Google Patents

增大基于阴影的视频入侵检测***的检测区域的方法 Download PDF

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Abstract

本披露涉及一种增强在拉伸试验机或其他材料试验机内的基于视觉的单相机入侵检测***的三维检测范围的方法。照明源从相机偏离，并且提供与该相机的圆锥形查看区域相交的照明圆锥形，从而限定检测区域。当物体入侵到这些圆锥形区域中时，投***影。该阴影被该相机检测到。对该入侵的检测通常用作用于停用该材料试验机的至少一部分功能的安全功能。

Description

增大基于阴影的视频入侵检测***的检测区域的方法
发明背景
本PCT申请要求于2018年12月5日提交的美国申请序列号16/210,547的优先权，该美国申请要求于2017年12月6日提交的美国临时申请序列号62/595,134的优先权，这些美国申请的全部披露内容出于所有目的通过引用结合在此。
技术领域
本披露涉及一种增强基于视觉的单相机入侵检测***的三维检测范围的方法，该***通常与材料测试设备结合使用，并且不会由于利用了多个相机而添加额外的成本和复杂度。
背景技术
基于视觉的入侵检测***使用视频相机来观察要保护的区域。入侵检测区域通常由相对于背景物体呈现出对于相机而言的高可见对比度的边界(诸如例如相邻的一对黑线和白线)来限定。相机连续地监测该边界的任何变化。任何物理物体越过此边界都会导致边界处的可见对比度发生局部变化，从而使得相机能够很容易以最少的图像处理检测到入侵物体。在名称为“Configurable User Detection System[可配置用户检测***”的PCT/US2015/050353中呈现了入侵检测***的示例。
图1示出了现有技术的基于视觉的入侵检测***200的简单示例。具有两个相邻的照明源203、205的头顶相机202俯视***的基底处的检测平面204。例如，诸如通过在检测平面204上印刷表示入侵边界的高对比度边界图案206来在检测平面204上实施图案206。边界图案206可以包括例如相邻的一对细同心圆弧(一黑一白)，这对同心圆弧一起提供了对于与边界图案与相机之间的视线相交的入侵物体而言的高光学对比度。当任意颜色的物体中断了相机202与弯曲的边界图案206上的任一点之间的直接视线时，将检测到入侵。当越过边界的深色物体越过弧线的白色部分时，该物体将被检测到，因为其对比度变得对相机202而言高度可见。类似地，浅色物体将被黑色弧线突显，而中间色调的物体将被这两条弧线突显。
对该边界图案的照明通常被设置为能够最大程度上减少阴影；例如，通过将(多个)照明源紧靠相机放置。通常，唯一的目的是提供对边界图案206的足够均匀的照明。
利用现有技术的***，只有相机202可观察到的物体可以被检测为入侵。如果可能的入侵物体不能被相机202看见，则该物体无法被视觉***检测到。特别地，该物体必须被观察到越过边界图案206。该物体必须遮住相机202的视野中边界图案206的某一段才会被检测为入侵。
图2中示出了针对如图1的配置所限定的圆形边界图案206所产生的圆锥形入侵检测区域210。入侵检测区域210是由从头顶相机的位置处的点辐射出、到达沿着基平面处的圆形边界的点的线限定的圆锥形。
三维入侵检测区域210的形状总会在相机202的位置处缩小成一个点。针对圆形边界的示例情况，区域形状是圆锥形。如果边界图案206是矩形，则区域形状是角锥形。在这两种情况下，检测区域的大小都随着在基平面204上方的高度而线性地减小。在基底上方等于相机高度的一半的距离处，检测区域210的大小(即，其检测范围)减小到二分之一。这是一个缺点，因为理想的是，区域210的大小将随着基平面204上方的高度的变化而保持不变。针对圆形边界图案，理想入侵检测区域将是圆柱形。
减弱检测区域210在基底204上方的特定设计高度处的缩小的唯一方式是增加相机202的高度。这通常是不实际的，并且仅提供有限的优势。可替代地，可以使用附加的相机，但是这会添加基于视觉的入侵检测***的成本和复杂度。另外，因为必须实时处理从每个相机接收或捕获到的图像以检测入侵，所以所产生的图像处理负担随着所添加的相机的数量而成倍增长。这两种选项还倾向于增大检测***的物理大小。
发明内容
本披露的目的是提供一种与材料测试或类似应用结合使用的方法，该方法将入侵检测区域的大小和形状扩大至超过相机可以看见入侵物体的范围，并且用于在不向基于视觉的入侵检测***添加更多的部件的情况下实现这一点。这一点是通过有意地使用由入侵物体产生的阴影(即使在该物体不能被相机看见的情况下)来实现的。(多个)照明源被策略性地从相机位置移开，其方式优化了当入侵截断了新扩大的检测区域时在检测边界上的阴影产生。通过这种方法，在如以前一样地由相机直接看见入侵物体越过给定边界的情况下、以及还在由物体产生的阴影越过给定边界的情况下都能检测到入侵物体。入侵检测用于停用材料试验机的至少一部分功能，并且进入安全模式，以便增强操作员的安全性。
附图说明
根据以下描述并根据附图，本披露的进一步的目的和优点将变得明显，在附图中：
图1展示了典型的现有技术的视频入侵检测***。
图2展示了典型的现有技术的来自单个头顶相机的圆锥形入侵检测区域。
图3A和图3B是在添加照明源之前本披露的实施例的透视图和正视图。
图4A和图4B展示了本披露的图3A和图3B的实施例的检测区域。
图5展示了由本披露的实施例提供的入侵检测区域，展示了单个照明源，而省略了对第二照明源的展示。
图6A和图6B展示了使用阴影方法的增强型入侵检测屏障，该增强型入侵检测屏障包括两个照明源。
图7A和图7B展示了入侵检测屏障的正视图和后视图：从2个LED投射的圆锥形(两个侧向圆锥形)和中央视频相机投射的圆锥形(中央圆锥形)。
图8展示了入侵检测圆锥形的后视图，示出了到印刷在底垫上的椭圆形上的公共截断。
具体实施方式
现在详细参考附图，其中，在这几个视图中，相似的数字指示相似的元素，可以看见图3A和图3B展示了要由本披露的基于视觉的入侵检测***的实施例保护的拉伸试验机100的透视图和正视图，该***在机器运转时(诸如在执行材料的其他拉伸测试时)保持操作员不受伤害。图3A和图3B省略了对将在后续附图中披露的照明源的展示。检测区域106的期望形状是围绕机器前方的圆弧形，以在操作员试图触及样品夹持区域(所展示的下部夹持部102)时检测到。如果检测到这样的入侵，则该***关停十字头104和夹持部102的任何移动。
在这种情况下，对比边界图案110可以是圆形、半圆形或椭圆形。如在图4A和图4B中示出的，此图案110被印刷在机器100的底座113处的底垫(橡胶垫)112上，该底垫通常是平面或基本上平面的表面。所示出的圆锥形入侵检测区域106表示从相机116处的点辐射到印刷在底垫112上的椭圆形对比边界图案110的视野或三维入侵检测边界。这是在相机116可以直接看见入侵物体的情况下产生的非增强型保护区域106。应注意，圆锥形入侵检测区域106不能均匀地保护机器100的前方。操作员可能由于在圆锥形入侵检测区域106与机器100的竖直立柱之间存在显著间隙的较高处进入而触及到负荷悬挂区域120(参见图4B)但未被检测到。
阴影检测
图5提供了仅基于阴影检测创建入侵检测区域的示例。此图展示了拉伸试验机100的左框架柱122上的结构，而省略了对后续附图中的右框架柱123上的结构的展示。在左框架柱122上的高处安装有红外(IR)LED(发光二极管)照明源124。如与后续附图一致的，在右框架柱123上展示了类似的红外照明源125。虽然所披露的实施例使用了红外照明源，但是可以设想其他实施例可以使用不同波长的光，包括可见光。照明源124抵靠左框架柱122安装，并且被定向成用于将照明圆锥形126直接向下投射到底垫112上，该底垫包含细的白色椭圆形边界图案128。来自光源124的重要射线是直接截断白色椭圆形边界图案128并照亮该图案的那些射线。这些从光源124投射的射线形成如所示的圆锥形三维入侵检测区域126。截断此射线圆锥形的任何不透明入侵物体(诸如图5中的元件300)都将直接在边界128上投下暗影302。因此，该物体将很容易被观察从椭圆形边界图案128反射或散射的光的头顶相机116检测到。阴影302在椭圆形上的位置是通过将直线从照明源124通过入侵点(在300处)并继续投射到椭圆形边界图案128来限定的。应注意，仅当物体300打断直接从照明源124到达椭圆形边界图案128的射线时才检测到入侵。在垫112(该垫由机器100的底座113支承)上的其他位置上投下的阴影被忽略。
由图5中示出的阴影方法提供的三维入侵检测区域的操作完全独立于相机116对物体300的直接查看。照明源124(以及类似地125)和边界图案128的放置单独限定阴影检测区域。对于相机116而言，全部需要做的只有查看边界128本身。相机116可以通过检测从边界128散射的光或通过接收更类似镜面的边界图案128所产生的直接光反射来检测该边界，该更类似镜面的边界图案被优化成用于将所反射的射线从边界128指引到相机116。无论哪种情况下，由不透明物体的阴影导致的照明射线的截断都将作为另一明亮边界上的暗段而被相机116看见。通常，检测由阴影302所产生的暗段全部需要做的就是对接收或捕获到的图像进行简单的相机处理，该相机处理监测沿着边界128的长度接收到的光强度的曲线图。本领域技术人员在查阅本披露之后将认识到用于此方法或装置的一系列等效图像处理技术。
图5中将LED照明源124放置在左框架柱122上，通过阴影提供了对不能通过图4A和图4B的直接相机查看方法检测到的入侵的检测。这些入侵包括例如靠近柱122、123的入侵、或距离垫112足够高而不能被相机116看见的入侵。这两种方法(即，入侵阴影检测和直接相机查看入侵物体300)一起操作以提供在左框架柱122与右框架柱123之间、高达相机高度的约70％的完全包围的入侵检测区域。
添加阴影检测方法的拉伸试验机示例
针对图3A、图3B、图4A、图4B和图5中示出的示例拉伸试验机，可以通过将LED照明源124、125放置在这两个框架柱122、123中的每一个上来添加两个基于阴影的入侵检测区域。
图6A和图6B示出了相同的单相机检测***的增强型配置。在此，通过以下方式将照明源(其为两个IR LED照明源124、125)定位成远离相机116：一个照明源定位在各个柱122、123中的每个柱上，面向下朝向底垫112，从而产生相应的圆锥形126、127。每个IR LED124、125与相机116之间的更大的水平分隔距离会通过在入侵物体(参见图5，元件300)本身越过新扩大的检测区域时使由该物体生成的阴影投射到椭圆形的检测区域上来增强该阴影。第二柱123被展示为包括操作员面板131，该操作员面板可以包括用于指示所披露的安全***的操作的指示灯。由于所披露的安全***使用了红外LED照明源124、125，因此该***的操作可能本来对于操作员来说是不明显的。
相机116不仅在物体能被看见的情况下通过直接查看该物体，而且还在物体本身不能被相机116看见的情况下通过检测该物体的阴影来检测入侵物体。即，相机116可以检测直接入侵到相机116的视野(即，第三圆锥形106)的至少一部分中的物体的图像，并且同样可以检测由物体300在第一圆锥形126和第二圆锥形127中生成的阴影302。通过检测阴影或通过直接检测入侵物体来进行的入侵检测用于停用材料试验机100的至少一部分功能并且将机器100置于安全模式下(通常至少包括停用夹钳的夹持功能和十字头的移动)，以便增强操作员的安全性。
实施阴影方法提供了在这两个柱122、123之间、入侵高度在从底垫112向上直到恰好在三个圆锥形106、126、127发散并且不再彼此相交之前的高度范围内的连续的半圆形保护屏障。该连续的保护区域的高度为相机/LED的高度的约68％。在此区域中，三维入侵检测区域中不再存在操作员可能在不被检测到的情况下伸手穿过的间隙。另外，三维入侵检测区域的大小被增大了约两倍。
图7A和图7B展示了所产生的组合的三维入侵检测区域的正视图和后视图。这通过将三个圆锥形106、126、127投射到底垫112的椭圆形上来展示——从相机116投射中央区域106，并且从IR LED照明源124、125投射第一侧向区域126和第二侧向区域127。全部这三个圆锥形106、126、127的形状都由印刷在底垫112上以表示入侵边界的同一椭圆形图案128来限定。来自相机116的中央圆锥形106表示仅使用对越过椭圆形边界128的入侵物体的直接查看的三维检测区域。第一侧向圆锥形126和第二侧向圆锥形127示出了由IR LED照明源124、125中的每一个照明源产生的阴影检测提供的附加三维区域。如果任一侧向圆锥形126、127被入侵物体300截断(参见图5)，则其将在椭圆形边界128上投下将被相机116检测到的阴影302。阴影302将以与越过底垫112上的椭圆形边界128的白色线的可见深色物体被检测到的方式相同的方式被检测到。
阴影方法的优点在于，由于这两种方法都监测同一椭圆形边界128，因此加上阴影方法不需要对接收或捕获到的图像进行附加的处理。检测***不需要区分越过了白色边界的是阴影还是直接查看到的物体。无论哪种情况都发生了入侵。
图8示出了图7A和图7B中的这三个检测圆锥形106、126、127的放大的后视图。这展示了圆锥形106、126、127到底垫112上的公共截断弧线、以及在底垫112上的包括入侵检测边界128的高对比度椭圆形线。该视图在拉伸试验机100的立柱122、123之间从底垫112向上延伸到连续(即，无间隙)覆盖范围的最大高度。截断中央圆锥形106的任何入侵物体300(图5)都将由于越过椭圆形边界128而直接被相机116观察到，并且因此将被检测为入侵。截断侧圆锥形或侧向圆锥形126、127之一的任何入侵物体300(图5)都将在椭圆形边界128上投***影302，并且因此将被检测为入侵，这将导致停用材料试验机100的至少一部分功能(诸如但不限于，夹持操作)并进入安全模式。
目标是当入侵物体300(图5)从拉伸试验机100的前方(在图8中是从右侧)进入时能检测到。因此，入侵检测边界的完整三维形状由从前方查看到的组合的一组圆锥形106、126、127的最外侧段表示。例如，在组合的圆锥形106、126、127的顶部截面上示出的轮廓展示了在该高度处屏障的外部形状。
进一步实施例
针对拉伸试验机100示出的阴影方法的配置仅仅是本披露的许多可能实施例之一。其他实施例和变体包括：
A.边界的替代的(多种)形状和(多种)位置。
B.用于阴影检测的照明源124、125的数量和位置。
C.多个独立的检测边界；例如，针对每个照明源存在唯一的边界、或者针对阴影检测存在与直接相机查看不同的边界。
D.可以调整关键部件(照明源124、125、(多个)相机116和边界128)的取向，以产生任意形状和取向的检测屏障。
E.用于相机116直接查看或用于阴影检测的边界图案或形状的类型可以采用多种形式：
1.表面上的高对比度标记——印刷、嵌入的材料或纤维、压纹的形状、反光带。
2.一体的三维成形反射器，例如用于从被照射区域的长段直接将光反射回到相机116，在这种情况下，反射器的形状确定边界线的形状。
3.存储在计算机存储器中的、评估某一表面上的局部强度变化的可编程边界；该表面可以包含某种形式的常规对比度调制，诸如例如网格线，以向相机提供将任意边界实施到接收或捕获到的图像上所需的位置信息。
4.为了有助于对由给定照明器产生的强度效果进行隔离，照明可以被调制成或者具有相对于其他照明源唯一的波长；例如以使得单个相机116能够确定哪个照明源产生了给定阴影效果，或者例如以防止其他照明源124、125消去(wash out)阴影302。
另一变体是使用三维成形反射器在底座113上限定边界128，而不是使用带有图案的二维垫112上来限定该边界。该反射器在z轴(在目标底座113与相机116之间的高度轴线)上将仍然相对较薄，并且将延伸为底座113的x-y平面中的任意弯曲的物体，以遵循边界128的期望形状。该反射器可以例如是从较大的三维椭圆体表面体积切出的窄段，该表面体积包围相机和照明源两者，其方式使得这两者各自成为椭圆体的两个焦点之一。以这种方式，来自选定源的光总是被直接反射回到相机。该三维椭圆体的大小被缩放为使得其外表面与底座113上定位边界128的表面大致重合。于是，成形反射器的形状由椭圆体表面的在基平面附近被切出为边界的期望x-y平面形状的窄段来限定。通常，与三维反射器的x轴和y轴范围相比，其z轴高度最小。沿着反射器的顶(反射)表面的任一点的z轴高度和表面指向向量由对该点进行建模的椭圆体反射器来限定。如果期望的话，可以通过以类似于菲涅耳透镜设计的阶梯形(锯齿形)方式沿着反射器的长度调制高度来进一步降低反射器的曲率高度，以便产生接***坦的反射器物体。
结果是产生非常高效的边界反射器，其中，来自选定源的光总是从沿着边界线的轨迹的任一点直接反射回到相机。此方法的重要优点在于，该方法能有效地拒绝来自其他源的光，诸如：来自非边界区域的镜面反射光或散射光、来自***中的其他源或干扰照明源的光。该拒绝是由于与其他非聚焦照明源相比，对选定源的采集效率较高。
如在稍早的示例中，直接阻挡来自选定照明源124、125的一部分射线到达边界反射器的不透明物体在明亮边界上产生暗影，并且很容易被检测到。这是物体300(图5)本身在相机116的视野外部并且不能被看见的情况。同样，截断从边界反射的明亮射线的不透明物体300(图5)将在相机的视野中产生边界128上的暗段，并且因此将很容易被检测到。这是物体在相机116的视野内部的情况。
本披露的方法和装置的概述
本披露的概念使用受控的阴影生成来增强基于视觉的入侵检测***的性能，其方式本来只能通过向***添加更多的视频相机来实现。
A.增大入侵检测区域的大小/范围，而没有添加更多视频相机116的成本和图像处理负担。
B.使得能够检测到在相机的视野外部、并且因此对相机116不可见的入侵物体300。
C.通过结合本披露的实施例使对用于入侵检测的相机图像处理的影响最小——基本上同一算法用于这两种形式的入侵检测。
D.增强主要利用仅仅对较低成本的无源部件的改变来实现；诸如实施可见边界图案的手段。
E.照明改变可以相当于只改变了(多个)照明源124、125的位置。
F.可以利用适当地放置(多个)照明源124、125和相机116来实现任意形状的检测区域。
G.方法也可以适用于多相机视觉***，以将入侵检测区域的大小/范围增大两倍或更多倍。
因此，最有效地达成了多个前述目的和优点。虽然本文详细地披露并描述了本发明的优选实施例，但是应理解的是，本发明绝不限于这些实施例。

Claims (20)

1.一种用于检测入侵物体的***，该***包括：
摄影或视频设备，该摄影或视频设备从表面的至少一部分接收；
至少一个照明设备，该至少一个照明设备具有指向该表面的照明区域；并且
其中，入侵到该照明区域的至少一部分中的物体导致在该表面上投***影，由此，该阴影是该摄影或视频设备接收到的图像的至少一部分，由此，检测到入侵到该照明区域的至少一部分中的该物体的存在。
2.如权利要求1所述的***，其中，该至少一个照明设备包括限定第一照明区域的第一照明设备和限定第二照明区域的第二照明设备。
3.如权利要求2所述的***，其中，该第一照明区域限定第一圆锥形，该第二照明区域限定第二圆锥形，并且该摄影或视频设备的视野限定第三圆锥形。
4.如权利要求3所述的***，其中，该第一圆锥形、该第二圆锥形和该第三圆锥形在该表面上至少部分地相交，从而限定入侵检测区域。
5.如权利要求4所述的***，进一步包括：在该表面的至少一部分上的对比边界图案，该第一圆锥形、该第二圆锥形和该第三圆锥形在该对比边界图案处相交。
6.如权利要求1所述的***，其中，该摄影或视频设备接收入侵到该摄影或视频设备的视野的至少一部分中的物体的图像，由此，检测到入侵到该视野中的该物体的存在。
7.如权利要求1所述的***，其中，该第一照明源和该第二照明源是红外照明源。
8.一种用于检测入侵物体的方法，该方法包括以下步骤：
提供接收表面的至少一部分的图像的摄影或视频设备；
提供具有指向该表面的照明区域的至少一个照明设备；以及
检测由该摄影或视频设备接收到的、由入侵到照明区域的至少一部分中的物体在该表面上投下的阴影的图像。
9.如权利要求8所述的***，其中，提供该至少一个照明设备的步骤包括提供限定第一照明区域的第一照明设备和限定第二照明区域的第二照明设备的步骤。
10.如权利要求9所述的方法，其中，该第一照明区域限定第一圆锥形，该第二照明区域限定第二圆锥形，并且该摄影或视频设备的视野限定第三圆锥形。
11.如权利要求10所述的方法，进一步包括：通过该第一圆锥形、该第二圆锥形和该第三圆锥形的至少部分的相交来限定入侵检测区域的步骤。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括：在该表面的该第一圆锥形、该第二圆锥形和该第三圆锥形相交的部分上提供对比边界图案的步骤。
13.如权利要求9所述的方法，其中，提供第一照明设备和第二照明设备的步骤包括提供第一红外照明源和第二红外照明源的步骤。
14.如权利要求8所述的方法，进一步包括：检测由该摄影或视频设备接收到的、入侵到该摄影或视频设备的视野的至少一部分中的物体的图像的步骤。
15.一种用于材料测试的***，该***包括：
材料测试设备，该材料测试设备包括对材料进行测试的区域，包括靠近对材料进行测试的区域的表面；
摄影或视频设备，该摄影或视频设备接收该表面的至少一部分的图像；
至少一个照明设备，该至少一个照明设备包括指向该表面的照明区域；并且
其中，入侵到照明区域的至少一部分中的物体导致在该表面上投***影，由此，该阴影是该摄影或视频设备接收到的图像的至少一部分，由此，检测到入侵到该照明区域的至少一部分中的该物体的存在，并且使该材料测试设备进入安全模式。
16.如权利要求15所述的***，其中，该至少一个照明设备包括限定第一照明区域的第一照明设备和限定第二照明区域的第二照明设备。
17.如权利要求16所述的***，其中，该第一照明区域限定第一圆锥形，该第二照明区域限定第二圆锥形，并且该摄影或视频设备的视野限定第三圆锥形。
18.如权利要求17所述的***，其中，该第一圆锥形、该第二圆锥形和该第三圆锥形在该表面上至少部分地相交，从而限定入侵检测区域。
19.如权利要求18所述的***，其中，该表面的该第一圆锥形、该第二圆锥形和该第三圆锥形相交的部分包括对比边界图案。
20.如权利要求15所述的***，其中，该摄影或视频设备检测到入侵到该摄影或视频设备的视野的至少一部分中的物体，并且使该材料测试设备进入安全模式。
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