DE102006004060A1

DE102006004060A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Höhe und/oder des Höhenverlaufs eines Objekts

Info

Publication number: DE102006004060A1
Application number: DE200610004060
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. Kunze; Harald Reineke
Original assignee: Basler AG
Current assignee: Basler AG
Priority date: 2006-01-28
Filing date: 2006-01-28
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2026-01-29
Also published as: DE102006004060B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Höhe und/oder des Höhenverlaufs eines Objekts, bei welchem Verfahren das Objekt linienförmig beleuchtet und die auf dem Gegenstand erzeugte Lichtlinie von wenigstens einem flächenförmigen lichtempfindlichen Sensor aufgenommen wird, der in Spalten und Zeilen angeordnete Pixel aufweist, wobei die Belichtung der Zeilen zeitlich nacheinander beginnt und das Objekt relativ zu der Aufnahmeachse des Sensors in einer Transportrichtung bewegt wird und die darauf erzeugten Lichtlinien von dem Sensor aufgenommen werden und der Wert der Höhe des Objekts spaltenweise aus den Belichtungs- und Positionsdaten derjenigen Pixel einer Spalte erfasst wird, auf denen die Lichtlinie abgebildet ist. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass bei einer im Zuge der Bewegung des Objekts relativ zur optischen Aufnahmeachse des Sensors steigenden Höhe des Objekts der Wert der erfassten Höhe durch einen Korrekturwert reduziert wird und umgekehrt, um den Wert der tatsächlichen Höhe zumindest näherungsweise zu ermitteln. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Höhe und/oder des Höhenverlaufs eines Objekts, bei welchem Verfahren das Objekt linienförmig beleuchtet und die auf dem Gegenstand erzeugte Lichtlinie von wenigstens einem flächenförmigen lichtempfindlichen Sensor aufgenommen wird, der in Spalten und Zeilen angeordnete Pixel aufweist, wobei die Belichtung der Zeilen zeitlich nacheinander beginnt und das Objekt relativ zu der Aufnahmeachse des Sensors in einer Transportrichtung bewegt wird und die darauf erzeugten Lichtlinien von dem Sensor aufgenommen werden und der Wert der Höhe des Objekts spaltenweise aus den Belichtungs- und Positionsdaten derjenigen Pixel einer Spalte erfasst wird, auf denen die Lichtlinie abgebildet ist. Auch betrifft die Erfindung eine Vorrichtung insbesondere zum Durchführen des eingangs beschriebenen Verfahrens.

Ein solches Verfahren wird beispielsweise bei der zeilenförmigen Lasertriangulation benutzt. Ein ebener Lichtfächer eines Laserlichts beleuchtet das zu vermessende Objekt. Es ist eine Kamera mit einem flächigen lichtempfindlichen Sensor vorhanden, dessen sich senkrecht zur Sensorfläche erstreckende Aufnahmeachse winklig zu der Ebene des Lichtfächers verläuft. Aufgrund dieser Anordnung von Lichtfächer, Objekt und Kamera entsteht ein Linienverlauf, der auf dem flächigen Sensor abgebildet wird. Die Breite des Objekts verläuft dabei parallel zu den Zeilen des flächigen Sensors, während die Höhe des Linienverlaufs in Spaltenrichtung abgebildet wird. Aus dem abgebildeten Verlauf und der bekannten und definierbaren Geometrie zwischen der Ebene des Lichtfächers und der Aufnahmeachse des Sensors können anschließend die Höhe oder der Höhenverlauf des Objekts berechnet werden.

In der Regel ist der Sensor in einer Kamera eingebaut, die mit entsprechenden optischen Abbildungsoptiken eine scharfe Abbildung der Lichtlinie erlaubt. Die Lichtquelle ist häufig separat angeordnet. Es können aber auch kombinierte Abtastköpfe vorgesehen werden, in denen der Sensor, die Abbildungsoptik und die Lichtquelle integriert sind. Wesentlich ist in jedem Fall, dass die auf dem Objekt erzeugte Lichtlinie auf dem Sensor abgebildet wird.

Häufig wird das Objekt relativ zu der Kamera und des Laserlichts bewegt, um das gesamte Höhenprofil des Objekts zu vermessen. Durch aufeinander folgende Aufnahmen der Kamera können mehrere Höhenverläufe des Objekts erfasst werden. Zusammengesetzt ergeben die einzelnen Höhenverläufe das gesamte Höhenprofil des Objekts. Je mehr Lichtlinien pro Längeneinheit aufgenommen werden, desto genauer wird die Rekonstruktion des Höhenprofils. Demnach kann bei kürzeren Abständen der Aufnahmen und/oder langsamerer Relativbewegung zwischen Kamera und Objekt die Genauigkeit erhöht werden.

Kamera und Sensor können so ausgebildet werden, dass die Pixel aller Zeilen gleichzeitig belichtet werden. Diese Kameras werden auch als Global Shutter Kameras bezeichnet. Hier wird eine Momentaufnahme der Linie auf dem bewegten Objekt auf dem Sensor abgebildet. Die Erfassung des Linienverlaufs und die Ermittlung des Höhenverlaufs auch eines bewegten Objekts bereiten an sich keine weiteren Probleme.

Es sind aber auch Kameras und Sensoren bekannt, die so ausgebildet sind, dass die Belichtung der Zeilen nacheinander zeitversetzt beginnt. Diese Kameras werden als Rolling Shutter Kameras bezeichnet. Bei einem stehenden Objekt kann der Höhenverlauf ohne weitere Probleme ermittelt werden, da der dann stationäre Lichtverlauf in den ihm zugeordneten Zeilen lediglich zeitversetzt abgebildet wird. Bei einem bewegten Objekt ist dies nicht immer der Fall. Es kann vielmehr zu Abweichungen kommen, insbesondere, wenn sich die Höhe des Objekts in Transportrichtung ändert.

Um die durch die Relativbewegung auftretende Abweichung zwischen erfasster Höhe und tatsächlicher Höhe zu beschreiben, wird der Sonderfall betrachtet, bei dem die Linie spaltenweise auf nur einem einzigen Pixel abgebildet wird. Dies ist in der Regel aber nicht der Fall, und der betreffende Linienpunkt muss durch den Helligkeitsverlauf über mehrere Pixel in der betreffenden Spalte ermittelt werden. Dies ist für die folgende Betrachtung zunächst unerheblich.

Beispielsweise bei einem auf einem ebenen Transportband liegenden quaderförmigen Objekt wird durch die eingangs beschriebene optische Anordnung ein stufenförmiger Linienverlauf auf dem Sensor abgebildet. Die unteren häufig waagerechten Linienabschnitte stellen die untere Grenze des Messbereichs, die Bezugsebene oder die Seitenränder des Transportbands dar und werden auf einer unteren Zeile, also einer Zeile mit niedriger Zeilennummer des Sensors abgebildet. Der Linienabschnitt, der auf der Oberfläche des Objekts verläuft, wird auf einer oberen Zeile, also einer Zeile mit höherer Zeilennummer des Sensors abgebildet werden. Diese obere Zeile wird bei einer Rolling Shutter Kamera erst später belichtet.

Steht das Objekt, ist dieser Effekt unerheblich. Bewegt sich das Objekt, bewegt sich auch die Lichtlinie auf dem Objekt, bis zu dem Zeitpunkt, bis diejenige Zeile des Sensors belichtet wird, auf die der betreffende Linienabschnitt abgebildet wird. Letztlich passt der in der höheren Zeile abgebildete Linienabschnitt geometrisch nicht mehr zu dem in derselben Aufnahme abgebildeten Linienabschnitt, der auf einer unteren Zeile abgebildet wird. Vielmehr gehören die betreffenden Linienabschnitte unterschiedlichen Schnitten durch das Objekt an, weil sie zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen werden.

Dies ist bei einem quaderförmigen Objekt oder einem anderen Objekt mit gleich bleibender Höhe in Transportrichtung unerheblich, da sich die Linienhöhe auf dem Objekt nicht ändert. Ändert sich jedoch die Höhe des Objekts aufgrund der Bewegung relativ zur Aufnahme, wird in den oberen Zeilen des Sensors in derselben Aufnahme nicht nur eine Linie auf einem anderen Bereich des Objekts abgebildet, sondern diese Linie liegt auch noch in einer anderen Höhe. Im Einzelnen wird bei einer steigenden Höhe des Objekts im Zuge der Bewegung eine zu große Höhe erfasst und umgekehrt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen die auftretenden Abweichungen des gemessenen Werts der Höhe zu der tatsächlichen Höhe bei der Verwendung einer Rolling Shutter Kamera vermieden oder zumindest reduziert werden.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass bei einer im Zuge der Bewegung des Objekts relativ zur optischen Aufnahmeachse des Sensors steigenden Höhe des Objekts der Wert der erfassten Höhe durch einen Korrekturwert reduziert wird und umgekehrt, um den Wert der tatsächlichen Höhe zumindest näherungsweise zu ermitteln. Die Erfindung nutzt aus, dass der Linienverlauf stets eine Verzerrung derart erhält, dass bei steigender Höhe des Objekts während der Aufnahme eine zu große und bei sinkender Höhe eine zu kleine Höhe des Objekts ermittelt wird. Durch einen Korrekturwert kann dieser Fehler behoben oder zumindest reduziert werden.

Die Höhenwerte zum Erfassen des Höhenprofils in Transportrichtung des Objekts werden durch zeitlich aufeinander folgende Aufnahmen schrittweise erfasst. Es ist daher zweckmäßig, wenn der Korrekturwert durch die Werte wenigstens einer erfassten Höhe einer vorhergehenden und/oder einer nachfolgenden Aufnahme sowie der erfassten Höhe der aktuellen Aufnahme ermittelt wird. Dadurch wird der Korrekturwert in Abhängigkeit von dem Objekt und von seinem Höhenprofil selbst bestimmt. So wird bei größeren Steigungen des Objekts ein größerer Korrekturwert ermittelt und umgekehrt.

In der Regel erfolgt auch die Berechnung der tatsächlichen Höhe schrittweise. Dies bedeutet, dass für die n-te Aufnahme die tatsächliche Höhe für die vorhergehende Aufnahme bereits vorliegt. Der Korrekturwert kann demnach auch durch die Werte wenigstens einer vorhergehend ermittelten tatsächlichen Höhe und der aktuell erfassten Höhe ermittelt werden.

Es kann vorgesehen werden, dass der Korrekturwert und/oder der Wert der tatsächlichen Höhe durch Interpolation ermittelt werden. Dabei kann eine lineare Interpolation ausreichend genau sein.

Grundsätzlich kann der Korrekturwert auch in Abhängigkeit von der Transportgeschwindigkeit, der Belichtungszeit für ein Bild, der Bildfrequenz und oder der Gesamtverzögerungszeit, also der Zeit von dem Beginn der Belichtung der ersten bis zum Beginn der Belichtung der letzten zu belichtenden Bildzeile des Sensors oder in Abhängigkeit von Kombinationen dieser Größen ermittelt werden. Die weiteren Überlegungen zur Ermittlung des Korrekturwerts haben gezeigt, dass der Korrekturwert in Abhängigkeit von den erfassten Höhen nur durch Berücksichtigung von kamerainternen Größen und Parameter mit einer guten Genauigkeit ermittelt werden kann. Es ist daher gemäß der Erfindung vorgesehen, dass der Korrekturwert in Abhängigkeit von der Aufnahmedauer T_fp des Sensors, der Gesamtverzögerungszeit t_r von dem Beginn der Belichtung der ersten bis zum Beginn der Belichtung der letzten zu belichtenden Zeile des Sensors, einem maximalen Höhenwert H des belichteten Sensors, der Zeilenverzögerungszeit t_l von Beginn der Belichtung einer Zeile bis zum Beginn der Belichtung der nächsten Zeile oder der Belichtungszeit oder Kombination dieser Größen ermittelt wird. Aber auch die Abbildungsgeometrie kann bei der Ermittlung des Korrekturwerts berücksichtigt werden.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung genügt der Korrekturwert Δy für die n-te Aufnahme der Beziehung: Δy = yn·tr·(yn – yn-1)/(H·Tfp – tr·(yn – yn-1)), wobei y_n der Wert der in der n-ten Aufnahme erfassten Höhe und y_n-1 der Wert der in der unmittelbar vorhergehenden Aufnahme erfassten Höhe ist. Dies hat den Vorteil, dass die Kamera mit einer derartigen Korrekturwertermittlung ausgestattet sein kann unabhängig von dem zu vermessenden Objekt und der Transportgeschwindigkeit. Das Verfahren arbeitet stets genau.

Wann diese Korrektur durchgeführt wird, ist grundsätzlich beliebig. Die Werte für die Höhen y und für den Korrekturwert Δy können kamerainterne Größen oder Koordinaten oder bereits transformierte Größen oder Koordinaten der Abbildung oder tatsächlich berechnete Größen oder Koordinaten des Objekts, beispielsweise gemessen in Millimetern, sein. Die Kamerakoordinaten, Bildkoordinaten und die Objektkoordinaten oder -größen hängen über eine lineare Beziehung voneinander ab. Der maximale Höhenwert H ist in Objektkoordinaten eine maximale tatsächliche Höhe, beispielsweise in mm.

In kamerainternen Koordinaten kann der maximale Höhenwert H beispielsweise die Anzahl der zur Belichtung vorgesehenen Zeilen des Sensors sein. Diese Anzahl kann kleiner sein als die Anzahl der auf dem Sensor vorhandenen Zeilen. Die Bildkoordinaten können Berechnungsgrößen sein, um sub-pixel-genau die Höhe des Objekts zu bestimmen und beispielsweise bildlich darzustellen.

Für die obige Beziehung ist die Wahl der Koordinaten oder Bezugsgrößen grundsätzlich beliebig. Demnach kann die Korrektur unmittelbar nach der Aufnahme, nach einer ersten Berechnung der erfassten Höhe aus dem Helligkeitsverlauf in Spaltenrichtung, einer ersten Transformation beispielsweise in Bildgrößen oder aber erst nach der Berechnung der tatsächlichen Größen erfolgen. Im letzteren Fall ist dies jedoch nur bei bekannten Abbildungsmaßstäben möglich. Der Vorteil bei der Wahl von kamerainternen Koordinaten oder Größen oder vom Abbildungsmaßstab unabhängigen Koordinaten oder Größen besteht darin, dass der Korrekturwert ohne Anpassung an die Abbildungsmaßstäbe und ohne deren Berücksichtigung ermittelt werden kann.

Die Abhängigkeit des Korrekturwerts vom maximalen Höhenwert H ist daher nicht immer günstig, da dieser häufig auch frei wählbar und, bei der Wahl von tatsächlichen Größen, zudem abhängt vom Abbildungsmaßstab. Auch hängt die Gesamtverzögerungszeit t_r ab vom maximalen Höhenwert H, da dieser letztlich der Anzahl der zu belichtenden Zeilen entspricht.

Für einen Sensor oder für die betreffende Kamera ist jedoch in der Regel stets die Zeilenverzögerungszeit t_l ein konstanter Wert. Die Gesamtverzögerungszeit ist daher die Anzahl der zur Belichtung vorgesehenen Zeilen multipliziert mit der Zeilenverzögerungszeit. Kameraintern sind in der Regel einheitslose Größen verfügbar. Der Wert H entspricht der maximalen Anzahl der zu belichtenden Zeilen, während die erfassten Höhen y einer Zahl von Zeilen, die auch eine rationale Zahl sein kann. Für kamerainterne Größen gilt: H = tr/tl

Dann kann der Korrekturwert nach der Beziehung Δy = yn·tl·(yn – yn-1)/(Tfp – tl·(yn – yn-1)) ermittelt werden, wobei auch hier y_n der Wert der in der n-ten Aufnahme erfassten Höhe und y_n-1 der Wert der in der unmittelbar vorhergehenden Aufnahme erfassten Höhe, jedoch in kamerainternen einheitenlosen Koordinaten oder Größen, ist. Diese Größen oder Werte sind auch als sub-pixel-genaue Werte kameraintern verfügbar und unabhängig vom optischen Aufbau.

Die Vorrichtung zum Messen der Höhe und/oder des Höhenverlaufs eines Objekts, umfasst wenigstens ein Leuchtmittel, das das Objekt linienförmig beleuchtet, wenigstens einen flächenförmigen lichtempfindlichen Sensor, der die auf dem Gegenstand erzeugte Lichtlinie aufnimmt und mit in Spalten und Zeilen angeordneten Pixeln versehen ist und bei dem die Belichtung der Zeilen zeitlich nacheinander beginnt, und eine Transporteinrichtung, die das Objekt relativ zu der Aufnahmeachse des Sensors in einer Transportrichtung bewegt, wobei die auf dem Objekt erzeugten Lichtlinien auf dem Sensor abgebildet werden, sowie eine Erfassungseinheit, die den Wert der Höhe des Objekts spaltenweise aus den Belichtungs- und Positionsdaten derjenigen Pixel einer Spalte erfasst, auf denen die Lichtlinie abgebildet ist. Es ist vorgesehen, dass eine Recheneinheit vorhanden ist, die bei einer im Zuge der Bewegung des Objekts relativ zur optischen Aufnahmeachse des Sensors steigenden Höhe des Objekts den Wert der erfassten Höhe durch einen Korrekturwert reduziert und umgekehrt, und den Wert der tatsächlichen Höhe ermittelt.

Weiterhin kann eine Speichereinheit vorhanden sein, in der der Wert der erfassten Höhe und/oder der tatsächlichen Höhe wenigstens einer vorhergehenden Aufnahme gespeichert ist, und dass die Recheneinheit den Korrekturwert anhand des gespeicherten Werts und des erfassten Werts der aktuellen Aufnahme ermittelt. Damit lässt sich der Korrekturwert für jede Aufnahme in der Recheneinheit neu berechnen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 die optische Anordnung für eine Höhenmessung eines bewegten Objekts,
2 die auf dem flächigen Sensor erzeugte Abbildung einer Lichtlinie bei einer Global Shutter Kamera,
3 den zeitlichen Ablauf der Belichtung und der Aufnahmen einer Global Shutter Kamera,
4 den zeitlichen Ablauf der Belichtung und der Aufnahmen einer Rolling Shutter Kamera,
5 im Vergleich die erzeugten Abbildungen einer Lichtlinie bei einem sich verändernden Höhenprofil eines Objekts auf einem Sensor einer Rolling Shutter Kamera und einer Global Shutter Kamera,
6 den zeitlichen Zusammenhang über zwei Aufnahmen der erfassten Höhe bei einer Rolling Shutter Kamera im Vergleich zu einer Global Shutter Kamera und
7 ein Schaubild zur Ermittlung des Korrekturwerts.
Die in der 1 gezeigte optische Anordnung zum Vermessen eines Objekts 11 weist eine Lichtquelle 12 auf, die das Objekt in einem schrägen Winkel mit einem ebenen Lichtfächer 13 beaufschlagt. Diese Lichtquelle 12 umfasst vorzugsweise einen Laser. Es entsteht auf dem Objekt 11 eine Lichtlinie 14 entsprechend seiner Kontur und Höhe. Es ist eine Kamera 15 vorhanden, die diese Lichtlinie aufnimmt. Im Einzelnen ist die Anordnung so getroffen, dass die optische Aufnahmeachse 16 der Kamera in einem Winkel zum Lichtfächer 13 verläuft. Dadurch kann die Lichtlinie und insbesondere der Linienverlauf, der der Kontur und der Höhe des Objekts entspricht, gut erfasst werden. Die Kamera weist dazu einen flächigen lichtempfindlichen Sensor mit in Spalten und Zeilen angeordneten Pixeln auf.
Zum Vermessen des Objekts 11 wird es auf einem Transportband 17 oder einer ähnlichen Einrichtung in Transportrichtung 18 bewegt. Es werden von der Kamera mehrere Bilder aufgenommen, anhand welcher die Oberfläche des Objekts 19 erfasst und deren Verlauf relativ zu der ebenen Bezugsfläche 20 des Transportbands ermittelt werden kann.
Vorzugsweise verlaufen die Spalten des Sensors parallel zu der Transportrichtung 18 und die Zeilen des Sensors sind parallel zur Ebene des Lichtfächers 13 ausgerichtet. Dann wird das Linienprofil, wie in 2, gezeigt auf dem Sensor 21 abgebildet, wobei in x-Richtung die Breite des Objekts und in y-Richtung die Höhe des Objekts abgebildet wird. Die Spaltenzahl entspricht also einer Breitenposition und die Zeilenzahl einer Höhenposition der Lichtlinie auf dem Objekt.
Lediglich in einem Sonderfall würde die Lichtlinie auf nur einem Pixel je Spalte abgebildet werden. In der Regel wird sich aber, wie in 2 schematisch dargestellt, ein Helligkeitsprofil über mehrere Pixel in Spaltenrichtung y ausbilden. Die Höhe kann dann rechnerisch, beispielsweise durch Schwerpunktbildung ermittelt werden. Insoweit entsprechen die beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren dem an sich bekannten Lasertriangualationsverfahren und bedarf daher an dieser Stelle keiner weiteren Erläuterung.
Es sind Kameras bekannt, bei denen alle Zeilen und Pixel gleichzeitig belichtet werden. Das Belichtungsschema über mehrere Bildeinzüge n – 1, n, n + 1 einer so genannten Global Shutter Kamera zeigt 3. Mit einer derartigen Kamera wird eine Momentaufnahme erzeugt, so dass das auf dem Sensor abgebildete Linienprofil tatsächlich der zu dem betreffenden Zeitpunkt auf dem Objekt erzeugten Lichtlinie entspricht.
Auch sind Kameras bekannt, bei denen die Belichtung der Pixel zeilenweise zeitlich nacheinander erfolgt. Das Belichtungsschema über mehrere Aufnahmen n – 1, n, n + 1 mit einer Aufnahmezeit T_fp zwischen dem Beginn der n-ten und dem Beginn der n + 1-ten Aufnahme einer so genannten Rolling Shutter Kamera ist in 4 gezeigt. In 4 ist auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate die Zahl y der Zeilen gezeigt. Die Belichtung startet mit der ersten zur Belichtung vorgesehenen Zeile, deren Belichtung nach der Belichtungszeit T_exp endet. Die Belichtung der zweiten Zeile startet um die Zeilenverzögerungszeit t_l etwas später, jedoch für die gleiche Belichtungszeit. Die Belichtungszeit ist in der Regel für alle Zeilen konstant. Die Belichtung für die letzte zur Belichtung vorgesehenen Zeile beginnt nach der Gesamtverzögerungszeit t_r. Dies gilt in der Regel gleichermaßen für jede Spalte.
Mit einer solchen Kamera kann bei einem bewegten Objekt keine Momentaufnahme desselben erzeugt werden. Vielmehr ist zu dem Zeitpunkt, zu dem die oberen Zeilen des Sensors belichtet werden, das Objekt weiter transportiert worden, so dass der dann auf den oberen Zeilen abgebildete Lichtlinienabschnitt nicht mehr zu denjenigen Lichtlinienabschnitten passt, die in den unteren Zeilen des Sensors abgebildet sind. Es wird somit bei einem bewegten Objekt mit einer sich ändernden Höhe in Transportrichtung eine von der tatsächlichen Höhe abweichende Höhe erfasst werden. Dabei wird bei einem Objekt, dessen Höhe im Zuge des Transports steigt, eine größere Höhe ermittelt werden und umgekehrt. Dies ist in den 5 bis 7 schematisch für eine Spalte dargestellt.
6 zeigt die aktuell erfasste Höhe y_n der aktuellen n-ten Aufnahme und die erfasste Höhe y_n-1 der vorherigen Aufnahme beim Einsatz einer Rolling Shutter Kamera (Linien RS) im Vergleich zu denjenigen y'_n und y'_n-1 einer Global Shutter Kamera (Linien GS), die eine Momentaufnahme erzeugt, aus der ohne weiteres die richtige Höhe ermittelt werden kann. Wie in diesem Graph besonders deutlich zu sehen ist, werden bei einer steigenden Höhe des Objekts gemäß der Linie 22 jeweils zu hohe y-Werte erfasst.
Die Abweichung Δy zwischen dem aktuell erfassten Wert y_n und der tatsächlichen Höhe y'_n kann rechnerisch durch eine lineare Interpolation berechnet werden. Die Beziehungen ergeben sich aus der 7: Δy = yn – y'n I. Δy = (yn – yn-1)·Δt/ΔT II. Δt = yn·tr/H III. ΔT = Tfp + (yn – yn-1)·tr/H IV. Δy = yn·tr·(yn – yn-1)/(H·Tfp – tr·(yn – yn-1)) V.
Die Abweichung wird als Korrekturwert genommen und hängt nur von den Parametern der Kamera ab, nämlich der Aufnahmezeit T_fp, der so genannten frame period, der Gesamtverzögerungszeit t_r und der maximalen Höhe H des zu belichtenden Sensors, der so genannten Height of Area of Interest. Die Wahl des Bezugskoordinatensystem für die Größen Y und H ist bei der Verwendung dieser Beziehung beliebig. Demnach kann die Berechnung der tatsächlichen Höhe beliebig im Datenfluss zwischen den vom Sensor erfassten Bilddaten und anschließend transformierten oder berechneten Höhen erfolgen.
Bie der Verwendung von kamreainternen Größen hängen der maximale Höhenwert H und die Gesamtverzögerungszeit t_r von der Zeilenverzögerungszeit t_l. Der maximale Höhenwert entspricht letztlich der Anzahl m_max der zu belichtenden Zeilen. Demnach gilt für die Gesamtverzögerungszeit: tr = mmax·tl VI.
Dann gilt für den maximalen Höhenwert: H = mmax = tr/tl VII.
Dies ist in 4 gestrichelt dargestellt. Alternativ kann daher der Korrekturwert ermittelt werden durch: Δy = yn·tl·(yn – yn-1)/(Tfp – tl·(yn – yn-1)) VIII.,wobei hier die Werte y und Δy einheitenlose Größen sind, die kameraintern zur Verfügung stehen.
Es ist bei der Ermittlung des Korrekturwerts demnach lediglich erforderlich, den vorhergehenden erfassten Wert y_n-1 zu speichern und die oben genannten Parameter in Registern abzulegen. Dann kann die Ermittlung des Korrekturwerts in einfacher Weise und schnell durchgeführt werden. Die Korrektur ist unabhängig von äußeren Einflüssen, wie der Transportbewegung oder der Gestalt des Objekts als solchen. Letztere wird durch die zuletzt erfasste Höhe berücksichtigt. Auch die Belichtungszeit hat keinen Einfluss auf die Korrektur, so dass eine Kamera ab Werk mit einer derartigen Korrektur ausgerüstet werden kann. Einstellungen oder Justierungen am Einsatzort sind nicht erforderlich.
Der Korrekturwert Δy wird vom aktuellen erfassten Wert y_n abgezogen. Wie aus der letzten Gleichung ersichtlich ist, bleibt der Korrekturwert bei steigender Höhe stets positiv, da (y_n – y_n-1) und (H·T_fp – t_r·(y_n – y_n-1)) größer Null sind. Bei fallender Höhe ist er stets negativ, da (y_n – y_n-1) stets kleiner Null ist und (H·T_fp – t_r·(y_n – y_n-1)) größer Null ist. Entsprechendes gilt für die Gleichung VIII. Der Betrag des Korrekturwerts wird dabei stets richtig bei steigender Höhe vom erfassten Wert abgezogen und bei sinkender Höhe zu der erfassten Höhe addiert. Bei gleich bleibender Höhe ist keine Korrektur erforderlich, und der Korrekturwert ist wegen y_n = y_n-1 gleich 0.
Die für die Ermittlung des Korrekturwerts heranzuziehenden y-Werte können Pixelwerte oder Subpixelwerte sein. Es kann bereits der aus dem Helligkeitsverlauf der belichteten Pixel einer Spalte berechnete Wert als erfasster Wert für die Höhe herangezogen werden. Insbesondere kann gemäß Gleichung V. die tatsächliche Höhe auch nach der Berechnung der erfassten Höhe in Maßeinheiten erfolgen.
Die oben genannten Gleichungen gelten für den Fall, dass die Bezugsebene des Objekts auf einer oder mehreren unteren Zeilen des Sensors und der Höhenverlauf des Objekts auf einer oder mehreren oberen Zeilen des Sensors abgebildet werden. Die Höhe entspricht der Differenz zwischen dem erfassten Höhenwert der belichteten oberen und der erfassten oder festgelegten Bezugsebene der unteren Sensorzeile(n). Demnach ist der gleiche Effekt auch dann festzustellen, wenn der Sensor umgekehrt belichtet wird, also dass zunächst die auf dem Objekt obere Lichtlinie auf einer oder mehreren unteren Zeilen des Sensors abgebildet wird. Die untere Linie des Objekts wird dabei auf einer oder mehreren oberen Zeilen des Sensors abgebildet.
Vorstehend ist das Verfahren anhand eines angenommenen linearen Verlaufs der Höhe des Objekts dargestellt und der Korrekturwert aufgrund eines solchen Verlaufs ermittelt worden. Selbstverständlich wird das Objekt nicht immer einen linearen Höhenverlauf in seiner Längsrichtung parallel zur Transportrichtung aufweisen. Allerdings ist die Bildaufnahmefrequenz der zur Zeit einsetzbaren Kameras relativ hoch, so dass ein zwischen zwei Messpunkten angenommener linearer Verlauf hinreichend genau ist. Aufwändigere Interpolationen sind zwar grundsätzlich möglich, aber mit erhöhter Rechenleistung und -zeit verbunden.

Claims

Verfahren zum Messen der Höhe und/oder des Höhenverlaufs eines Objekts (11), bei welchem Verfahren das Objekt linienförmig beleuchtet und die auf dem Gegenstand erzeugte Lichtlinie (14) von wenigstens einem flächenförmigen lichtempfindlichen Sensor aufgenommen wird, der in Spalten und Zeilen angeordnete Pixel aufweist, wobei die Belichtung der Zeilen zeitlich nacheinander beginnt und das Objekt relativ zu der Aufnahmeachse (16) des Sensors in einer Transportrichtung (18) bewegt wird und die darauf erzeugten Lichtlinien von dem Sensor aufgenommen werden und der Wert der Höhe des Objekts spaltenweise aus den Belichtungs- und Positionsdaten derjenigen Pixel einer Spalte erfasst wird, auf denen die Lichtlinie abgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer im Zuge der Bewegung des Objekts relativ zur optischen Aufnahmeachse des Sensors steigenden Höhe des Objekts der Wert der erfassten Höhe (y_n) durch einen Korrekturwert (Δy) reduziert wird und umgekehrt, um den Wert der tatsächlichen (y'_n) Höhe zumindest näherungsweise zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert durch die Werte wenigstens einer erfassten Höhe (y_n-1) einer vorhergehenden und/oder einer nachfolgenden Aufnahme sowie der erfassten Höhe (y_n) der aktuellen Aufnahme ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert durch die Werte wenigstens einer vorhergehend ermittelten tatsächlichen Höhe und der aktuell erfassten Höhe ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert (Δy) und/oder der Wert der tatsächlichen Höhe durch Interpolation ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert und/oder der Wert der tatsächlichen Höhe durch lineare Interpolation ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert in Abhängigkeit von der Aufnahmedauer T_fp des Sensors, der Gesamtverzögerungszeit t_r von dem Beginn der Belichtung der ersten bis zum Beginn der Belichtung der letzten zu belichtenden Zeile des Sensors, einem maximalen Höhenwert H des belichteten Sensors, der optischen Geometrie, der Zeilenverzögerungszeit t_l von Beginn der Belichtung einer Zeile bis zum Beginn der Belichtung der nächsten Zeile oder der Belichtungszeit oder Kombination dieser Größen ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert Δy für die n-te Aufnahme der Beziehung Δy = yn·tr·(yn – yn-1)/(H·Tfp – tr·(yn – yn-1))genügt, wobei y_n der Wert der in der n-ten Aufnahme erfassten Höhe und y_n-1 der Wert einer und vorzugsweise der unmittelbar vorhergehenden Aufnahme erfassten Höhe ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert Δy für die n-te Aufnahme der Beziehung Δy = yn·tl·(yn – yn-1)/(Tfp – tl·(yn – yn-1))genügt, wobei y_n der Wert der in der n-ten Aufnahme erfassten Höhe und y_n-1 der Wert einer und vorzugsweise der unmittelbar vorhergehenden Aufnahme erfassten Höhe ist.
Vorrichtung zum Messen der Höhe und/oder des Höhenverlaufs eines Objekts (11), mit wenigstens einem Leuchtmittel (12), das das Objekt linienförmig beleuchtet, mit wenigstens einem flächenförmigen lichtempfindlichen Sensor, der die auf dem Gegenstand erzeugte Lichtlinie (14) aufnimmt und mit in Spalten und Zeilen angeordneten Pixeln versehen ist und bei dem die Belichtung der Zeilen zeitlich nacheinander beginnt, und mit einer Transporteinrichtung (17), die das Objekt relativ zu der Aufnahmeachse des Sensors in einer Transportrichtung (18) bewegt, wobei die auf dem Objekt erzeugten Lichtlinien auf dem Sensor abgebildet werden, sowie mit einer Erfassungseinheit, die den Wert der Höhe des Objekts spaltenweise aus den Belichtungs- und Positionsdaten derjenigen Pixel einer Spalte erfasst, auf denen die Lichtlinie abgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Recheneinheit vorhanden ist, die bei einer im Zuge der Bewegung des Objekts relativ zur optischen Aufnahmeachse des Sensors steigenden Höhe des Objekts den Wert der erfassten Höhe durch einen Korrekturwert reduziert und umgekehrt, und den Wert der tatsächlichen Höhe zumindest näherungsweise ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speichereinheit vorhanden ist, in der der Wert der erfassten Höhe und/oder der tatsächlichen Höhe wenigstens einer vorhergehenden Aufnahme gespeichert ist, und dass die Recheneinheit den Korrekturwert anhand des gespeicherten Werts und des erfassten Werts der aktuellen Aufnahme ermittelt.