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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Bildverarbeitungseinrichtung zur
Kontrastübergangserkennung nach dem Oberbegriff des Anspruches
1.
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Stand der Technik
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In
der
DE 10 2005
005 348 A1 wird eine Bildverarbeitungseinrichtung in einem
Kraftfahrzeug beschrieben, über die die Position des Fahrzeugs
in der Fahrspur zu bestimmen ist, wobei im Falle des Verlassens
der Sollspur ein Warnsignal abgegeben wird. Die Bildverarbeitungseinrichtung
umfasst eine Videokamera, die ein analoges Videosignal von der Fahrspur
erzeugt, welches in einer Auswerteeinheit ausgewertet wird. Die
Auswerteeinheit umfasst ein Filter mit einem Differenzierer sowie
eine Schwellwertschaltung, wobei das Videosignal zur Kontrastübergangserkennung
im Differenzierer einer Differenziation unterzogen wird und das
in dieser Weise erzeugte Signal in der Schwellwertschaltung mit
einem Referenzwert verglichen wird. Überschreitet das differenzierte
Signal den zugeordneten Referenzwert, so wird ein Kontrastübergang
erkannt, der auf das Überschreiten einer seitlichen Fahrspurmarkierung
hinweist, woraufhin das Warnsignal erzeugt wird.
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Der
Einsatz der Videokamera stellt einen erheblichen Kostenaufwand dar,
wodurch die Verwendungsmöglichkeiten entsprechend eingeschränkt sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfach zu realisierenden
Mitteln eine kostengünstige Bildverarbeitungseinrichtung
anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben
zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Die
erfindungsgemäße Bildverarbeitungseinrichtung
wird zur Kontrastübergangserkennung eingesetzt, wobei ein
bevorzugtes Einsatzfeld Werkzeugmaschinen sind, insbesondere handgeführte Werkzeugmaschinen
wie z. B. handgeführte Stichsägen. Mithilfe der
Bildverarbeitungseinrichtung kann eine Sollspur bzw. Solllinie erkannt
werden, der die Maschine, in der die Bildverarbeitungseinrichtung eingebaut
ist, nachfolgen soll. Die Sollspur kann im Falle des Einsatzes in
einer Werkzeugmaschine eine Soll- bzw. Anrisslinie auf dem zu bearbeitenden Werkstück
sein, entlang der die Bearbeitung mit dem Werkzeug der Werkzeugmaschine
erfolgen soll. Die bevorzugte Anwendung erfolgt demnach in handgeführten
Werkzeugmaschinen, wobei grundsätzlich auch semistationäre
oder stationäre Werkzeugmaschinen in Betracht kommen.
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Weitere
Anwendungsfelder sind der Einsatz in Fahrzeugen, insbesondere zur
Sollspurdetektierung, indem Fahrbahnmarkierungen mithilfe der Bildverarbeitungseinrichtung
erkannt werden. Darüber hinaus ist auch ein Einsatz in
Haushaltsgeräten denkbar, die mit einem Werkzeug zur Bearbeitung
eines Gegenstandes ausgestattet sind, beispielsweise elektrische
Küchenmaschinen, wobei die Bildverarbeitungseinrichtung
z. B. den Kontrast zwischen einer Schnittlinie und den angrenzenden
Bereichen erfasst und im Falle eines Abweichens von der Solllinie ein
Warnsignal erzeugt wird, das zur Anzeige gebracht werden kann und
im Übrigen auch zum Abschalten des Gerätes herangezogen
werden kann.
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Die
Bildverarbeitungseinrichtung zur Kontrastübergangserkennung
umfasst eine optische Sensoreinheit, die als digitale Bilderfassungseinheit ausgeführt
ist und ein zeilen- und spaltenförmiges Digitalbild in
Form von digitalen Sensorsignalen erzeugt, welche einer nachgeschalteten
Auswerteeinheit zuzuführen sind. In der Auswerteeinheit
werden die Sensorsignale analysiert, wobei insbesondere Signaländerungen
ermittelt werden, da diese einen Kontrastübergang im aufgenommenen
Bild kennzeichnen, welcher zur Erkennung der Sollspur bzw. des Verlassens
der Sollspur dient. Als digitale Bilderfassungseinheit kommt insbesondere
eine Digitalkamera in Betracht, die auf Grund des eingeschränkten Einsatzfeldes
und der Aufgabe, lediglich Kontraste übermitteln zu müssen,
verhältnismäßig einfach ausgeführt
sein kann. Beispielsweise kann eine relativ geringe Auflösung
mit reduzierter Pixelanzahl ausreichen.
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Auf
Grund der geringen Qualitätsanforderungen können
auch anderweitige digitale Bilderfassungseinheiten eingesetzt werden,
beispielsweise optische Sensoren wie z. B. Maussensoren oder dergleichen.
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Die
der digitalen Bilderfassungseinheit nachgeschaltete Auswerteeinheit
kann entweder zur Verarbeitung analoger Eingangssignale oder digitaler Eingangssignale
ausgestattet sein, wobei grundsätzlich eine alternative
und auch eine kumulative Ausführung sowohl von analoger
als auch von digitaler Signalverarbeitung in Betracht kommt.
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Im
Falle einer analogen Signalverarbeitung umfasst die Auswerteeinheit
einen Digital-Analog-Wandler, dem die digitalen Sensorsignale der
Bilderfassungseinheit als Eingangsgrößen zuführbar sind
und der die digitalen Signale in analoge Signale umwandelt. Diese
können anschließend in der an sich bekannten Weise
in der Auswerteeinheit analysiert und ausgewertet werden, beispielsweise
in einem der Auswerteeinheit zugeordneten und dem Digital-Analog-Wandler
nachgeschalteten Differenzierer, in welchem eine Differenziation
der Signale durchgeführt wird. Über die Differenziation
der Signale wird eine Verstärkung der Helligkeitsübergänge
erreicht, die einen Kontrastübergang kennzeichnen. In einem
ebenfalls der Auswerteeinheit zugeordneten Komparator kann anschließend
ein Vergleich des im Differenzierers ermittelten Signals mit einer
Referenzgröße durchgeführt werden, wobei
ein Kontrastübergang erkannt wird, falls der Helligkeitsunterschied
im Signal einen Referenzwert überschreitet. Durch Änderung
dieses Referenzwertes kann die Empfindlichkeit der Auswertung eingestellt
werden.
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Im
Falle der digitalen Auswertung kann auf den Digital-Analog-Wandler
verzichtet werden, da die Sensorsignale am Ausgang der optischen
Bilderfassungseinheit bereits in digitaler Form vorliegen. Die Analyse
und Auswertung in der Auswerteeinheit erfolgt in diesem Fall beispielsweise über
ein Logik-Gatter, z. B. ein Und-Glied, bei dem verschiedene digitale
Signale, welche aus der Bilderfassungseinheit stammen, in logischer
Weise verknüpft werden, wobei für das Vorliegen
eines Kontrastüberganges das Ergebnis der logischen Verknüpfung
einem bestimmten Wert entsprechen bzw. innerhalb eines definierten
Normbereiches liegen muss. Grundsätzlich ist aber alternativ
zu dem Logik-Gatter auch die Verarbeitung der digitalen Signale
in einem Mikrokontroller möglich, der beispielsweise mit
einer Interrupt-on-change-Funktion ausgestattet ist. Schließlich kann
auch über ein so genanntes Kantenfilter, welches Bestandteil
der Auswerteeinheit sein kann, die Auswertung der digital empfangenen
Signale durchgeführt werden. In jedem Fall kann über
die Auswertung in der Auswerteeinheit festgestellt werden, ob innerhalb
des betrachteten Bildausschnittes ein eine Sollspur kennzeichnender
Kontrastübergang stattfindet. Bei der digitalen Auswertung
kann die Empfindlichkeit auch dadurch eingestellt werden, dass niederwertige
Bits maskiert werden, was beispielsweise durch eine entsprechende
Konfiguration im Tristate-Register bereits auf der Hardwareseite
durchgeführt werden kann, so dass kein zusätzlicher
Rechenaufwand erforderlich ist.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und
den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung einer als handgeführten Stichsäge
ausgeführten Werkzeugmaschine, die mit einer Bildverarbeitungseinrichtungseinrichtung
zur Erkennung einer Solllinie ausgestattet ist, der das Werkzeug
der Stichsäge folgen soll,
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2 in
schematischer Darstellung ein Ausschnitt aus einer Fahrbahn mit
unterschiedlich starken Kontrasten und zugeordneten Signalen der
Bildverarbeitungseinrichtung,
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3 die
Auswertung der in einer Digitalkamera erzeugten Sensorsignale über
eine analoge Auswerteeinheit,
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4 die
Auswertung der digitalen Sensorsignale in einer digitalen Auswerteeinheit.
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Bei
der in 1 dargestellten Werkzeugmaschine 1 handelt
es sich um eine handgeführte Stichsäge 2,
die in einem Gehäuse 3 einen elektrischen Antriebsmotor
zur Antriebsbewegung des als Sägeblatt 8 ausgeführten
Arbeitswerkzeuges 7 aufweist, wobei das Sägeblatt 8 eine
Hubbewegung gemäß Pfeil 16 ausführt.
Das Sägeblatt 8 ist durch eine Fußplatte 4 geführt,
die mit dem Gehäuse 3 verbunden ist und bei der
Bearbeitung auf einem zu bearbeitenden Werkstück 5 aufgesetzt
ist. Das Werkstück 5 ist mit einer Markierung 9 versehen,
die eine Anriss- bzw. Solllinie darstellt, entlang der die Bearbeitung über die
Stichsäge 2 erfolgen soll. Zur Halterung der Stichsäge 2 ist
am Gehäuse 3 ein Griffbügel 10 vorgesehen,
das Ein- und Ausschalten erfolgt über einen Schalter 11.
Das Sägeblatt 8 ist in einer Werkzeugaufnahme 12 gehalten.
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In
einem vorderen Bereich des Gehäuses 3 ist eine
Digitalkamera 18 angeordnet, über die der Arbeitsbereich
erfasst werden kann, der unmittelbar vor dem Sägeblatt 8 liegt.
Die Vorschub- bzw. Arbeitsrichtung ist mit Pfeil 6 gekennzeichnet,
dementsprechend liegt der von der Digitalkamera 18 erfasste
Bereich in Pfeilrichtung 6 gesehen vor dem Sägeblatt 8.
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Die
Stichsäge 2 ist als teilautomatisiertes Werkzeug
ausgeführt und weist zusätzlich zum elektrischen
Antriebsmotor, welcher für die Hubbewegung des Sägeblattes 8 verantwortlich
ist, weitere Stellglieder 13 und 14 zur Verstellung
des Sägeblattes auf, so dass das Sägeblatt im
Rahmen der Verstellmöglichkeiten selbsttätig der
Solllinie 9 auf dem Werkstück 5 folgen
kann. Ein erstes Stellglied 13 befindet sich im oberen
Teil des Gehäuses 3 oberhalb der Werkzeugaufnahme 12 und
ermöglicht ein Verdrehen bzw. Verschwenken des Sägeblattes 8 um
die Sägeblattlängsachse gemäß Pfeil 15.
Das zweite Stellglied 14 befindet sich im unteren Bereich
der Stichsäge 2 und ermöglicht eine translatorische und/oder
rotatorische Bewegung des Sägeblattes 8 quer zur
Vorschubrichtung 6, wodurch eine Pendelbewegung des Sägeblattes
eingestellt werden kann.
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Sämtliche
Stellglieder in der Stichsäge 2, also der elektrische
Antriebsmotor und die beiden Stellglieder 13 und 14,
werden über Stellsignale einer Regel- bzw. Steuereinheit 17 eingestellt,
die als Eingang die Signale der Digitalkamera 18 empfängt
und aus den empfangenen Signalen Stellsignale zur Beaufschlagung
des Antriebsmotors bzw. der Stellglieder erzeugt. Über
die eine Sensoreinrichtung darstellende Digitalkamera 18,
die Regel- bzw. Steuereinheit 17 sowie die als Aktoren
fungierenden Stellglieder 13 und 14 sowie der
Antriebsmotor wird ein geschlossener Regelkreis erreicht.
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Im
Betrieb der Stichsäge wird über die Digitalkamera 18 die
Solllinie 9 detektiert, die auf die Oberseite des Werkstückes 5 aufgezeichnet
ist. Die Digitalkamera 18 bildet gemeinsam mit der Regel- und
Steuereinheit 17 die Bildverarbeitungseinrichtung zur Kontrastübergangserkennung
zwischen der Solllinie 9 und den angrenzenden Bereichen
des Werkstückes 5.
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Anstelle
einer Digitalkamera können auch sonstige optische Bilderfassungseinheiten
eingesetzt werden, die digital ausgeführt sind und entsprechende
digitale Signale liefern. Ein derartiger, zusätzlicher Digitalsensor
ist beispielhaft mit Bezugszeichen 19 eingetragen.
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In 2 ist
ein Ausschnitt aus dem Arbeitsbereich der Stichsäge unmittelbar
vor dem Sägeblatt dargestellt. Der Arbeitsbereich befindet
sich auf der Oberseite des zu bearbeitenden Werkstückes 5,
wobei die Markierung, welche die Solllinie für das Werkzeug
darstellt, mit dem Bezugszeichen 9 gekennzeichnet ist.
Die Solllinie 9 weist gegenüber den unmittelbar
umgebenden Bereichen des Werkstückes 5 einen starken
Kontrast auf.
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Zusätzlich
ist auf der Oberseite des Werkstückes 5 parallel
zur Solllinie 9 ein Streifen 30 vorhanden, der
einen geringeren Kontrast bezogen auf die umgebenden Bereiche der
Oberseite des Werkstückes 5 aufweist als die Solllinie 9.
Der Streifen 30 stellt beispielsweise eine Störung
in der Oberfläche des Werkstückes dar, es kann
sich aber auch um einen Schattenwurf oder dergleichen handeln. Anhand der
unterschiedlichen Kontraste von Solllinie 9 und Streifen 30 soll
nachfolgend die Funktionsweise beschrieben werden.
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Der
Arbeitsbereich wird von der digitalen Bilderfassungseinheit aufgenommen,
die diverse Signale liefert, welche in einer Auswerteeinheit analysiert
und ausgewertet werden. Wie mit Y0 (LSB) bis Y7 (MSB) für
die Bitwertigkeit innerhalb einer Zeile einerseits sowie den Ziffern
1 bis 95 für verschiedene Spalten andererseits gekennzeichnet,
liefert die digitale Bilderfassungseinheit ein digitales, zeilen-
und spaltenförmiges Raster, wobei jeder Rasterplatz mit dem
Wert „0” bzw. dem Wert „1” besetzt
ist. „1” steht hierbei für einen erkannten
Kontrast, bei „0” konnte kein Kontrast detektiert
werden. Der Solllinie 9 ist auf Grund des verhältnismäßig
starken Kontrastes über die gesamte Breite in allen Y-Werten
der Wert „1” zugeordnet. Dem Streifen 30 ist
dagegen nur in den Y-Werten Y0, Y1 und Y2 der Wert „1” zugeordnet, den übrigen
Y-Werten Y3 bis Y7 nehmen dagegen den Wert „0” ein.
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In 3 ist
der aus 2 ermittelte Datensatz abgebildet,
der einer analog arbeitenden Auswerteeinheit 31 zugeführt
ist. Die Auswerteeinheit 31 ist insbesondere Bestandteil
der Regel- bzw. Steuereinheit 17 (1).
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Die
Auswerteeinheit 31 gemäß 3 umfasst
einen Prozessor oder ein Latch 32, einen Digital-Analog-Wandler 33 sowie
einen Differenzierer 34. Die der Auswerteeinheit 31 zugeführten
Digitaldaten werden im Digital-Analog-Wandler 33 in analoge
Signale umgewandelt, die anschließend im nachgeschalteten
Differenzierer 34 einer Differenziation unterzogen werden.
Bei der Differenziation werden Unterschiede bei einer Änderung
des Signalverlaufes verstärkt, wohingegen gleichbleibende
Signale bei der Differenziation keine Ausgangswerte liefern. Dadurch
erhält man den mit „Status” gekennzeichneten Signalverlauf,
der jeweils im Übergang zwischen dem Streifen 30 bzw.
der Solllinie 9 und den direkt benachbarten Bereichen der
Werkstückoberseite einen Ausschlag aufweist. Da der Kontrast
des Streifens 30 geringer ist als der Kontrast der Solllinie 9, sind
auch entsprechend die dem Streifen 30 zugeordneten Ausschläge
geringer als die der Solllinie 9 zugeordneten Ausschläge. Über
einen Komparator, dem die Signale aus dem Differenzierer 34 zuzuführen
sind und der ebenfalls Teil der Auswerteeinheit ist, können
die Signale bewertet werden, indem festgestellt wird, ob der Ausschlag
groß genug ist, dass ein Kontrast erkannt wird, der der
Solllinie zugeordnet wird. Ist dagegen das Signal geringer, so ist
auch entsprechend der Kontrast geringer und es kann entsprechend
festgestellt werden, dass dieser Kontrast nicht zur Solllinie gehört.
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In 4 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Auswerteeinheit 31 dargestellt,
die jedoch im Unterschied zu 3 nicht
auf analoger Basis, sondern auf digitaler Basis arbeitet. Die Auswerteeinheit 31 umfasst
alternativ entweder ein Logik-Gatter 35 oder einen Mikrokontroller 36.
Das Logik-Gatter ist beispielhaft als Und-Glied ausgeführt,
das nur zu einem Ergebnis „1” führt,
wenn sämtliche Y-Werte den Wert „1” einnehmen.
Da dies bezogen auf den Streifen 30 nicht der Fall ist,
liefert das Logik-Gatter 35 für den Streifen 30 den
Ergebniswert „0”, wohingegen für die
Solllinie 9 der Ergebniswert „1” geliefert
wird, da sämtliche Y-Werte der Solllinie auch den Wert „1” einnehmen.
Auf diese Weise kann differenziert werden zwischen einem ausreichenden
Kontrast bezüglich der Solllinie 9 und einem nicht
ausreichenden Kontrast bezüglich des Streifens 30.
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In
der Ausführung als Mikrokontroller 36 werden die
Signale auf numerischem Wege verarbeitet. Hierbei können
Referenzwerte vorgegeben werden, wobei über die Höhe
der Referenzwerte die Empfindlichkeit einzustellen ist.
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Als
weitere Möglichkeit kommt eine Ausführung der
digitalen Auswerteeinheit 31 mit einem Kantenfilter in
Betracht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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