DE2628358A1

DE2628358A1 - Anordnung zum automatischen erkennen eines musters, insbesondere zur lageerkennung eines bildmusters

Info

Publication number: DE2628358A1
Application number: DE19762628358
Authority: DE
Inventors: Paul Dipl Ing Koellensperger; Peter Dipl Ing Rummel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-06-24
Filing date: 1976-06-24
Publication date: 1977-12-29

Description

Anordnung zum automatischen Erkennen eines Musters,
insbesondere zur Lageerkennung eines Bildmusters Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum automatischen Erkennen eines Musters, insbesondere zur Lageerkennung eines Bilamusters durch Vergleich des Istmusters mit einem vorgebs baren Sollmuster.
Derartige Anordnungen zum Vergleich eines Istmusters mit einem vorgebbaren Sollmuster werden insbesondere für die Steuerung von Manipulatoren und Positionierern benötigt.
Hierbei muß aus einer Vielzahl von Mustern unterschiedlicher Form und Größe ein Muster mit einer vorgegebenen Form automatisch aufgefunden und beispielsweise in einer Bearbeitungsmaschine in eine genau vorgegebene Position gebracht werden.
Insbesondere bei miniaturisierten elektronischen Bauteilen wie BED-Chi-s oder Transistoren werden an die Genauigkeit und die Geschwindigkeit des Erkennens äußerst hohe Anforderungen gestellt, die bislang noch nicht befriedigend gelöst werden konnten. Das eindeutige Erkennen eines Musters durch eine einfache Kantenvermessung von Hell/Dunkel-8bergängen ist vielfach nicht möglich. Zu den optischen Problemen, wie Kontrast, Verzeichnung, Unschärfe durch Höhenabweichung und Kippung des Meßobjektes kommt bei den LED-Chips noch eine durch den Fertigungsablauf bedingte Störung des Istmusters hinzu.
So können die zu ermittelnden Kontaktierflächen durch die vorhergegangene Funktionsprüfung optisch erheblich gestört erscheinen. Zusätzliche Reflexionen, die z.B. durch Staub, Leitkleber oder Schleifspuren nervorgerufen werden, bringen eine weitere Erschwerung der Mustererkennung mit sich.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum automatischen Erkennen eines Musters zu schaffen, welche hinsichtlich der Genauigkeit und der Geschwindigkeit des Erkennens auch den für die Kontaktierung von LED-Chips gestellten Anforderungen genügt.
Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art gelöst durch einen Istmuster-Detektor zur Ausgabe einer elektrischen Signalfolge, deren taktweise aufeinanderfolgenden elektrischen Signale Rasterpunkten eines Istmuster-Rasters zugeordnet sind, einen an den Ausgang des Istmusters-Detektors angeschlossenen Istwert-Vergleichsspeicher zum taktweisen Durchschieben der elektrischen Signalfolge, einen Sollwert-Vergleichsspeicher zur Speicherung von vorgebbaren Sollmusterwerten, dessen Speicherplätze entsprechenden Speicherplätzen des Istwert-Vergleichsspeichers zugeordnet sind, eine zwischen Istwert-Vergleichsspeicher und Sollwert-Vergleichsspeicher geschaltete Istmuster/Sollmuster-Vergleichsanordnung mit mindestens einem Ausgang für übereinstimmende Musterwerte und durch ein Summierwerk, das an den Ausgang der Istmuster/Sollmuster-Vergleichsanordnung angeschlossen ist.
Neben dem automatischen Erkennen von Bildmustern für die Positionierung, Klassifizierung, Qualitätskontrolle und dgl. kann die erfindungsgemäße Anordnung auch für das automatische Erkennen anderer Muster, wie z.B. akustischer Muster, eingesetzt werden. Durch die räumliche Verschiebung der vom Istmuster-Detektor ausgegebenen elektrischen Signalfolge um jeweils einen Rasterpunkt wird die Übereinstimmung der einzelnen Signale mit den entsprechenden Signalen des gespeicherten Sollmusters im Echtzeit-Betrieb festgestellt, indem man nach jedem Verschiebeimpuls die Summe aller übereinstimmenden Musterwerte bildet.
Dieser Vorgang wird bis zum letzten Rasterpunkt des Rasterfeldes wiederholt, so daß die bei einem der Verschiebeimpulse auftretende maximale Anzahl an übereinstimmenden Musterwerter ein Maß für den Grad der Ähnlichkeit zwischen Istmuster und Sollmuster ergibt.
Bei einem Vergleich eines Istmusters f2 (x, g) an der Stelle x2, y2 mit einem vorgegebenen Sollmuster f¢ (x, y) an der Stelle x1, y1 kann die genannte Art der Verarbeitung der elektrischen Signale mathematisch aus einer von der Verschiebung #, # des Istmusters abhängigen Funktion Y ~\ ) dF abgeleitet werden, wobei ! = x2 - x1 und X = y2 - y1 ist.
Diese Funktion bildet ein Minimum, wenn die darin enthaltenen Kreuzkorrelati onsfunktion ein Maximum bildet. Die Größe des absoluten Minimums der Funktion V (t ,) <) gibt ein Maß für die Ähnlichkeit zwischen dem Sollmuster £1(x,y) und dem Istmuster f2(x,y), während die Lage f , V des Minimums die Verschiebung zwischen f1(x,y) und f2(x,y) angibt.
Das geschilderte Korrelationsprinzip ermöglicht eine sehr hohe Genauigkeit bei dem Erkennen von Mustern. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich durch die Echtzeitverarbeitung der elektrischen Signale und die damit verbundene äußerst geringe Verarbeitungszeit.
Vorzugsweise sind zusätzlich ein Speicher zur Speicherung der bisher größten im Summierwerk ermittelten Summe übereinstimmender Musterwerte und eine an das Summierwerk und den Speicher angeschlossene Naximumabfrage zum Vergleich der bei aufeinanderfolgenden Verschiebe impulsen des Istwert-Vergleichsspeichers ermittelten Summen übereinstimmender Musterwerte vorgesehen.
Hierdurch kann zwischen jedem Verschiebeimpuls die Summe der übereinstimmenden Mustc--rwerte mit der gespeicherten Summe verglichen und das absolute Maximum der Übereinstimmung der Rasterpunkte des Istmusters mit dem Sollinuster aufgefunden werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist das Summierwerk mit einem Schwellwertschalter zum Vergleich der ermittelten Summe übereinstimmender Musterwerte mit einem vorgebbaren Ähnliehkeits-Schwellwert verbunden. Der vorgebbare Ähnlichkeits-Schwellwert definiert eine hinreichende Ähnlichkeit zwischen Istmuster und Sollmuster und ermöglicht somit ein hohes Maß an Flexibilität bei den verschiedenen Anwendungsfällen der Mustererkennung.
Der Istwert-Vergleichsspeicher und der Sollwert-Vergleichsspeicher können parallel auslesbar sein, wobei ihre einander zugeordneten Ausgänge durch Vergleichslogiken miteinander verbunden sind. Nach jedem Verschiebeimpuls für das Durchschieben der elektrischen Signalfolge kann bei dieser parallelen Vergleichsanordnung der Grad der Übereinstimmung der zu vergleichenden Muste;nverte gleichzeitig, d.h. äußerst rasch erfaßt werden.
Der Istwert-Vergleichsspeicher und der Sollwert-Vergleichsspeicher können auch seriell auslesbar sein, wobei ihre Ausgänge durch eine Vergleichslogik miteinander verbunden sind.
Nach jedem Verschiebe impuls für das Durchschieben der elektrischen Signalfolge kreisen die zu vergleichenden Signale in dem Schieberegister und dem Sollwert-Vergleichsspeicher jeweils einmal mit hoher Frequenz. Zur aufeinanderfolgenden Ermittlung des Grades der Übereinstimmung der zu vergleichenden Musterwerte wird dann nur eine Vergleichslogik benötigt.
Der Istwert-Vergleichsspeicher, die Istmuster/Sollmuster-Vergleichsanordnung und der Sollwert-Vergleichsspeicher können auch zu in Reihe geschalteten, seriellen Vergleichseinheiten zusammengefaßt sein, wobei die Ausgänge der Zwischenzähler parallel an ein Summierwerk geführt sind. Diese seriellparallele Mischform kann mit geringerem Aufwand als die rein parallele Vergleichsanordnung realisiert werden und führt zu kürzeren Verarbeitungszeiten als bei der rein seriellen Vergleichsanordnung.
Vorzugsweise ist der Istwert-Vergleichsspeicher ein Schieberegister. Derartige Standard-Logikbausteine sind für das Durchschieben der elektrischen Signalfolge besonders geeignet.
Das Summierwerk kann aus mehreren nach Art einer Kaskadenschaltung angeordneten Addierern bestehen. Bei derartigen Anordnungen sind die Additionszeiten äußerst kurz.
Die gemäß der Erfindung gebildete Anordnung soll insbesondere zum Erkennen eines Bildmusters geeignet sein. Bei einer derartigen Anwendung ist der Istmuster-Detektor vorzugsweise ein nach Zeilenraster abtastender Bildwandler. Ist zusätzlich ein vom Bildpunkttakt des Bildwandlers gesteuerter Bildpunktzähler vorgesehen, so kann vom Stand dieses Bildpunktzählers zum Zeitpunkt, an dem das absolute Ähnlichkeitsmaximum auftritt, die räumliche Verschiebung zwischen dem Istmuster und dem Sollmuster abgeleitet werden. Die so ermittelten Koordinaten können dann für die Positionierung des Werkstückes oder eines Werkzeuges herangezogen werden.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt Figur 1 den prinzipiellen Aufbau einer Anordnung zum Erkennen beliebiger Muster in vereinfachter Darstellung, Figur 2 die Darstellung einer Istmuster/Sollmuster-Vergleichsanordnung für binäre Muster, Figur 3 die Auswertung der von einem Bildwandler gelieferten Signalfolge nach dem beschriebenen Korrelationsprinzip in schematischer Darstellung, Figur 4 das Funktionsprinzip zur Auffindung des Korrelationsmaximums am Beispiel eines speziellen Bildmusters, Figur 5 das Blockschaltbild einer Anordnung zur automatiscllen Lageerkennung eines Werkstückes, Figur 6 das Schaltbild einer ersten Ausführungsform des Korrelators der Figur 5, Figur 7 ein Ausführungsbeispiel für das Summierwerk der Figur 6, Figur 8 das Schaltbild einer zweiten Ausführungsform des Korrelators der Figur 5 und Figur 9 das Schaltbild einer dritten Ausführungsform des Korrelators der Figur 5.
Figur 1 zeigt einen Istmuster-Detektor 1 welcher ein beliebiges Istmuster abtastet und die erfaßten Rasterpunkte eines Istmuster-Rasters in eine elektrische Signalfolge 2 umsetzt.
Diese elektrische Signalfolge 2 wird einem als Istwert-Vergleichsspeicher dienenden Schieberegister 3 zugeleitet und in einem durch die Abtastfrequenz des Istmuster-Detektors 1 vorgegebenem Verschiebetakt durchgeschoben. Das mit dem Istmuster zu vergleichende Sollmuster ist in einem Sollwert-Vergleichsspeicher 4 programmiert. Zum Vergleich zwischen Istmuster und Sollmuster ist jeder Datenausgang 5 des Schieberegisters 3 einem entsprechenden Datenausgang 6 des Sollwert-Vergleichsspeichers 4 zugeordnet. Die Bit-Muoter des Schieberegisters 3 und des Sollwert-Vergleichsspeiohers 4 werden mit jedem Verschiebeimpuls so gegeneinander verschoben, daß nach jedem Verschiebe impuls alle einander zugeordneten Speicherstelleninhalte in einer Istmuster/Sollmuster-Vergleichsanordnung 7 erfaßt und die jeweilige Summe der einzelnen Vergleichsergebnisse in einem daran angeschlossenen Summierwerk 8 ermittelt werden kann. Die größte im Summierwerk 8 ermittelte Summe innerhalb eines vollständigen Durchlaufs sämtlicher Rasterpunkte des Istmuster-Rasters stellt die beste Übereinstimmung zwischen Istmuster und Sollmuster dar. Ein Ausfahrungsbeispiel der Istmusger/Sollmuster-Vergleichsanordnung 7 für binäre Muster ist in Figur 2 vereinfacht dargestellt. Die einander zugeordneten Datenausgänge 5 und 6 sind an die Eingänge eines Vergleichs-Gatters 9 geführt, dessen Ausgang 0 die Ubereinstimmung angibt oder nicht angibt. Bei dem dargestellten Exklusiv-NOR-Gatter mit den Eingängen A und B und dem Ausgang X ergibt sich folgende Wahrheitstabelle:

A B

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 1

Die Übereinstimmung einander zugeordneter Speicherstelleninhalte kann jedoch auch durch andere Verknüpfungsglieder bewertet werden. So wird bei UND-Gattern die Summe übereinstimmender Musterwerte einer Wertigkeit, beispielsweise beleuchteter Bildpunkte, als Korrelationsmaximum ermittelt. Andererseits kann auch bei Exklusiv-OD»lv-Gattern oder NAND-Gattern das Minimum nicht übereinstimmender Musterwerte ausgewertet werden.
Für mehrwertige Soll- und Istmuster können verschiedenartige Vergleichsfunktionen in einem adressierbaren Festwertspeicher progranmiert werden, wobei die Datenausgänge 5 und 6 an die Adreßleitungen des Festwertspeichers geführt sind und aus den an den Datenausgängen anstehenden Informationen die Adresse für das im Festwertspeicher programmierte Vergleichs- ergebnis gebildet wird. Vorzugsweise kann die Funktion x = (A - B)2 in den Festwertspeicher programmiert werden, wobei A = a1 . 2 + a1 . 21 + + am . 2m B = b . 20 + b1 . 21 + + bn . 2 ai = (o,l) und b; = (o,1) ist.
Figur 3 zeigt die Auswertung der von einem Bildwandler gelieferten binären Signalfolge nach dem Korrelationsprinzip in schematischer Darstellung. Das Istmuster wird durch einen Bildwandler mit 6 x 6 Bildpunkten erfaßt. In dem dargestellten Zeilenraster mit den Bildpunkten BpO bis Sp35 stellen die beleuchteten in der Zeichnung schwarz ausgefüllt dargestellten Bildpunkte das aufzufindende Muster dar. Der Koordinatenursprung ist in den Bildpunkt BpO gelegt. Die von dem Bildwandler gelieferte elektrische Signalfolge, welche durch die vertikal angeordnete Folge der Bildpunkte BpO bis 3p35 figürlich dargestellt ist, wird einem Istwert-Vergleichsspeicher 11 zugeführt und um jeweils einen Verschiebetakt weitergeschoben. Als Istwert-Vergleichsspeicher 11 ist beispielsweise ein Schieberegister geeignet. Das Sollmuster, mit welchem das Istmuster zu vergleichen ist, umfaßt einen durch die strichpunktierte Linie 12 begrenzten Programmierbereich mit insgesamt neun Speicherstellen SsO bis Ss8. Diese Speicherstellen entsprechen dem Sollwert-Vergleichsspeicher 13, wobei die entsprechenden Speicherplätze durch die vertikal angeordnete Reihe der Speicherstellen SsO bis Ss8 dargestellt sind. Jeder Speicherstelle des Sollwert-Vergleichsspeichers 13 ist eine entsprechende Speicherstelle des Istwert-Vergleichsspeichers 11 zugeordnet, wie es durch die Pfeile 14 und 15 angedeutet ist. Übereinstimmende Speicherstellen werden nach jedem Verschiebeimpuls durch eine Istmuster/Sollmuster-Vergleichsanordnung 16 erfaßt und ihre jeweilige Summe durch einen daran angeschlossenen Zähler 17 ermittelt. Ist der Zählerstand des Zählers 17 größer als der Zählerstand eines vorausgegangenen Schiebetaktes, so wird er in einen Speicher 18 übernommen. Hierzu wird nach jedem Schiebetakt der Zählerstand des Zählers 17 mit dem im Speicher 18 gespeicherten Zählerstand durch eine Maximumabfrage 19 verglichen. Die auf diese Weise nach einem vollständigen Bilddurchlauf gefundene größte Summe übereinstimmender Speicherstelleninhalte, wird durch einen mit der Maximumabfrage 19 verbundenen Schwellwertschalter 20 daraufhin überprüft, ob sie einen vorgegebenen Ähnlichkeits-Schwellwert erreicht oder überschreitet. Ist dies der Fall, so erfolgt über die Maximumabfrage 19 die Freigabe eines Koordinaten-Speichers 21, welcher die Koordinaten-Zustellgrößen 22 zum richtigen Positionieren des Objekts oder eines Werkzeuges ausgibt. Die Ermittlung der Koordinaten erfolgt durch einen Bildpunktzähler 23, welcher die Anzahl der bis zum Auftreten des absoluten Eorrelationsmaximums, die durch den Istwert-Vergleichsspeicher 11 geschobenen Signale bzw. die Bildpunkte erfaßt und der Rasterteilung entsprechend in x, y- Koordinaten aufteilt. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Fall wird das absolute Korrelationsmaximum zu z 229 = 9 ermittelt, d.h. nach 29 Verschiebetakten VT stimmen 9 einander zugeordnete Speicherstellen des Istwert-Vergleichsspeichers 11 und des Sollwert-Vergleichsspeichers 13 überein. Nach 29 Verschiebetakten werden bei dem 6 x 6 Zeilenraster des Bildwandlers die Koordinaten zu x = 5R und y = 4R ermittelt, wobei R das Rastermaß des Zeilenrasters ist.
In Figur 4 ist ein vorgegebenes Sollmuster durch die strichpunktierte Linie 25 und ein Progranunierbereich, welcher in ein Rasterfeld mit 5 Zeilen und 6 Spalten aufgeteSt'ist, durch die strichpunktierte Linie 26 dargestellt. Das durch einen Bildwandler erfaßte Istmuster ist durch schraffierte Flächen dargestellt, wobei das Istmuster 27 an der Stelle des Eorre- lationsmaximums und das Istmuster 28 in einer zum Korrelationsmaximum um einen Rasterpunkt verschobenen Lage eingezeichnet ist. Das Istmuster 29 stellt eine vom Bildwandler erfaßte Steurung dar, welche in Teilbereichen mit dem Sollmuster 25 übereinstimmt. Die über die aneinandergereihten Zeilen des Rasterfeldes aufgetragenen digitalen Signalfolgen sind jeweils mit f1 für das Sollmuster 25, mit f2 (27) für das Istmuster 27, mit f2 (28) für das Istmuster 28 und mit f2 (29) für das gestörte Istmuster 29 bezeichnet. Ein Vergleich des Verlaufs dieser digitalen Signalfolgen ergibt, daß die Summe der übereinstimmenden Bildpunkte beim Istmuster 27 ELÜ = 30, beim Istmuster 28 zÜ = 20 und bei dem gestörten Istmuster 29 E 8 = 27 beträgt. Mit der Summe der übereinstimmenden Bildpunkte E2 = 30 wurde also ein eindeutiges Korrelationsmaximum aufgefunden. Trotz der Störung bei f2 (29) liegt das Korrelationsmaximum E 0 = 27 an der gleichen Stelle wie bei f2 (27).
Figur 5 zeigt das Blockschaltbild einer Anordnung zur automatischen Lageerkennung eines Werkstückes. Die Erfassung des Werkstückes erfolgt über eine Dioden-Matrixkamera 30 mit 50 x 50 Bildpunkten. Das von der Dioden-Matrtxkamera 30 ausgegebene Videosignal 31 wird in einem Analog-Digital-Wandler 32 in eine digitale Signalfolge 33 umgewandelt, welche an den Eingang eines 50 x 18 Bit umfassenden Schieberegisters 34, welches als Istwert-Vergleichsspeicher dient, geführt ist.
Das Durchschieben der digitalen Signalfolge 33 durch das Schieberegister 34 erfolgt mit der von der Dioden-Matrixkamera 30 vorgegebenen Bildpunktfrequenz 1 von 100 kHz. Von dem Schieberegister 34 besitzen 18 x 18 Speicherstellen einen durch den Pfeil 35 angedeuteten Datenausgang. Das aufzufindende Muster ist als Sollmuster in einem Sollwert-Vergleichsspeicher 36 programmiert, bei welchem ebenfalls 18 x 18 Speicherstellen einen durch den Pfeil 37 angedeuteten Datenausgang besitzen.
Hierbei ist jeweils ein Datenausgang des Schieberegisters 34 einem Datenausgang des Sollwert-Vergleichsspeichers 36 zuge- ordnet. Die Bit-Muster des Schieberegisters 34 und des Sollwert-Vergleichs speichers 36 we-rden durch den Bildpunkttakt T1 so gegeneinander verschoben, daß nach jedem Verschiebeimpuls T1 alle einander zugeordneten und übereinstimmenden Speicherstelleninhalte in einer Istmuster/Sollmuster-Vergleichsanordnung 38 ermittelt und beispielsweise mit einer Frequenz von 20 14Hz auf ein Summierwerk 79 gegeben werden. Das Schieberegister 34, der Sollwert-Vergleichsspeicher 36, die Istmuster/ Sollmuster-Vergleichsanordnung 38 und das Summierwerk 39 bilden einen Korrelator 100, wobei der großte Zählerstand des Sumruierwerkes 39 das absolute Korrelationsmaximum darstellt. Zur Ermittlung des Korrelationsmaximums dient eine Maximumaberage 40 und ein 8 Bit-Speicher 41. Der nach einem Bildpunkttakt ermittelte Zählerstand des Summierwerkes 39 wird mit dem im Speicher 41 gespeicherten größten Zählerstand vorangegangener Bildpunkttakte durch die Maximumabfrage verglichen, wie es durch die Pfeile 42 und 43 dargestellt ist. Ist der neu ermittelte Zählerstand des Summierwerkes 39 größer als der im Speicher 41 gespeicherte Zählerstand, so erfolgt über die Freigabe 44 die Übertragung 45 des neuen Zählerstandes auf den Speicher 41. Auf diese Weise gibt der Speicher 41 nach jedem vollständigen Bilddurchlauf die größte Zahl der übereinstimmenden Speicherstelleninhalte an. Ein Schwellwertschalter 46 prüft das absolute Maximum der Übereinstimmungen und setzt durch einen Ahnlichkeits-Schwellwert die minimal geforderte Ähnlichkeit zwischen Istmuster und Sollmuster fest. Wird diese minimale Ähnlichkeit erreicht, so erfolgt die Freigabe 47 einer Koordinaten-Ausgabe 48. Zur Ermittlung der Koordinaten wird in einem vom Bildpunkttakt T1 angesteuerten Bildpunktzähler 49 die Anzahl der mit 50 Bildpunkten voll durchgelaufenen Bildzeilen und die Anzahl der Bildpunkte der jeweils noch nicht voll durchgelaufenen Bildzeile ermittelt, bis zu dem Zeitpunkt, an dem das Korrelationsmaximum erreicht wird. Die Anzahl der Bildzeilen und Bildpunkte ergibt die laufenden Bildpunktkoordinaten, welche in der Koordinaten-Ausgabe 48 abgespeichert werden, sofern ein Korrelationsmaximum und der vorgegebene Ahnlichkeits-Schwellwert erreicht sind. Mit jedem neuen Maximalwert werden die in der Koordinatenausgabe 48 gespeicherten Koordinaten durch die dem neuen Maximum zugeordneten Bildpunktkoordinaten überschrieben, so daß nach einem vollständigen Bilddurchlauf die dem absoluten Maximum zugeordneten Koordinaten gespeichert sind. Die an der als 14 Bit-Speicher ausgeführten Koordinaten-Ausgabe 48 anliegenden Koordinatengrößen 50 sind digitale Koordinaten-Zustellgrößen zum Positionieren des Werkstückes in Bezug auf ein Werkzeug oder zum Positionieren eines Werkzeuges in Bezug auf das Werkstück dienen. Die Steuerung der automatischen Lage erkennung des Werkstückes erfolgt durch eine Ablaufsteuerung 51, wobei der Start durch den Pfeil 52 angedeutet ist. An die Ablaufsteuerung 51 sind der Bildpunkttakt T1 und der Bildtakt 23 der Dioden-Matrixkamera 30 geführt, während sie ihrerseits zur Steuerung des Schieberegisters 34 und des Bildpunktzählers 49 den Takt 1 freigibt.
Figur 6 zeigt das Schaltbild einer ersten Ausführungsform des Korrelators 100 der Figur 5. Der darestellte Korrelator umfaßt ein seriell ein- und parallel auslesbares Schubregister 340, einen Sollwert-Vergleichsspeicher 360, eine Istmuster/Sollmuster-Vergleichsanordnung 380 und ein Sumnierwerk 390. Der Vergleich der Speicherstelleninhalte des Schieberegisters 340 mit den Speicherstelleninhalten des Sollwert-Vergleichsspeichers 360 erfolgt rein parallel. Hierzu wird die vom Analog/Digital-Wandler 32 der Figur 5 ausgegebene digitale Signalfolge 33 mit dem Bildpunkttakt T1 durch das n Stufen umfassende Schieberegister 340 geschoben. Die n parallelen Ausgänge des Schieberegisters 340 sind an jeweils einen Eingang eines Exklusiv-NOR-Gatters der aus n Exklusiv-NOR-Gattern bestehenden Istmuster/Sollnuster-Vergleichsanordnung 380 geführt, wobei die Zuordnung durch die Buchstaben a, b, c, d, y und z angegeben ist. Die anderen Eingänge der Exklusiv-NOR-Gatter sind mit jeweils einem Dastenausgang des ebenfalls n Stufen umfassenden Sollwert-Vergleichsspeichers 360 verbunden. Während der Sollwert-Vergleichsspeicher 360 in der Zeichnung als Schalterfeld dargestellt ist, können auch beliebige andere Speicherarten, insbesondere Festwertspeicher Verwendung finden. Die Ausgänge der Exklusiv-NOR-Gatter sind an das Summierwerk 390 gefuhrt, an dessen Ausgang nach jedem Verschiebeimpuls T1 die Summe der übereinstimmenden Speicherstelleninhalte als Binärzahl angegeben wird.
In Figur 7 ist ein Ausführungsbeispiel für das Summierwerk 390 der Figur 6 dargestellt, wobei die Istmuster/Sollmuster-Vergleichsanordnung 380 der Figur 6 zur besseren Übersicht teilweise mit abgebildet ist. Das dargestellte Summierwerk ist für einen Korrelator mit n = 15 Stufen ausgelegt und besteht aus vier 1-Bit-Addierern 60, zwei 2-Bit-Addierern 61 und einem 3-Bit-Addierer 62, welche nach Art einer Kaskadenschaltung angeordnet sind. Zur Vereinfachung der zeichnerischen Darstellung sind lediglich zwei der insgesamt vier 1-Bit-Addierer 60 abgebildet.
Figur 8 zeigt das Schaltbild einer zweiten Ausführungsform des Korrelators 100 der Figur 5. Der dargestellte Korrelator umfaßt ein seriell ein- und auslesbares Schieberegister 341, einen Sollwert-Vergleichsspeicher 361, eine Istmuster/Sollmuster-Vergleichsanordnung 381 und ein Summierwerk 391. Der Vergleich der Speicherstelleninhalte des Schieberegisters 341 mit den Speicherstelleninhalten des Sollwert-Vergleichsspeichers 361 erfolgt rein seriell. Hierzu wird die vom Analog/Digital-Wandler 32 der Figur 5 ausgegebene digitale Signalfolge 33 an den Eingang 63 des Schieberegisters 341 geführt und mit dem an der Schiebeimpulsleitung 64 anliegenden Bildpunkttakt 1 durchgeschoben. Der Eingang 63 und der Ausgang 65 des Schieberegisters 341 sind miteinander verknüpft, so daß die jeweils gespeicherten Informationen nach jedem Verschiebeimpuls T1 einmal kreisen können, wie es durch den Pfeil 66 angedeutet ist. Für dieses Kreisen der Informationen ist eine zweite Schiebeimpulsleitung 67 vorgesehen, welche durch einen Takt T2 angesteuert ist. In gleicher Weise ist bei dem als seriall ein- und auslesbares Schieberegister ausgebildeten Sollwert-Vergleichsspeicher 36t der Ausgang 69 mit dem Eingang 68 verknüpft, über den beispielsweise aus einem programmierbaren Festwertspeicher 70 ein abgespeicherter Sollwert eingegeben werden kann. Damit das Kreisen der Informationen in den Schieberegistern 341 und 361 synchron mit dem Takt T2 erfolgen kann, sind ihre Schiebeimpulsleitungen 67 bw. 72 zusammengeschlossen.
Der Istmuster/Sollmuster-Vergleich erfolgt durch ein Exklusiv-NOR-Gatter, welches die Istmuster/Sollmuster-Vergleichsanordnung bildet und mit seinen Eingängen an die Ausgänge 65 bzw. 69 der Schieberegister 341 bzw. 361 angeschlossen ist. Sind beim Kreisen der Informationen die jeweils in den letzten Stufen der Schieberegister 341 und 361 vorhandenen Speicherstelleninhalte gleich, so öffnet sich das Exklusiv-NOR-Gatter und gibt ein entsprechendes Signal an das Summierwerk 391. Bei einem einmaligen Kreisen der Informationen zeigt das Summierwerk 391 somit nach jedem Verschiebeimpuls T1 die Summe der übereinstimmenden Speicherstelleninhalte an. Für einen raschen Vergleich sollte die Frequenz des Taktes T1 möglichst hoch sein. Bei n-stufigen Schieberegistern 341 bzw. 361 gilt die Forderung 22 > 21 . n.
Figur 9 zeigt das Schaltbild einer dritten Ausführungsform des Korrelators 100 der Figur 5. Der dargestellte Korrelator ist für einen den 50 x 50 Bildpunkten der Dioden-I4atrixkamera 30 der Figur 5 entsprechenden Fangbereich ausgelegt, wobei der Programmierbereich 16 x 18 Bildpunkte, d.h. 18 Zeilen mit jeweils 16 Bildpunkten umfaßt. Der Programmierbereich ist in drei Gruppen unterteilt, wobei der Gruppe 1 die Zeilen 1 bis 6, der Gruppe 2 die Zeilen 7 bis 12 und der Gruppe 3 die Zeilen 13 bis 18 zugeordnet sind. Die vom Analog/Digital-Wandler 32 der Figur 5 ausgegebene digitale Signalfolge 33 wird mit dem Bildpunkttakt 1 durch ein Schieberegister geschoben, welches aus achtzehn seriell ein- und auslesbaren 16 Bit Istliext-Schieberegistern 75 und achtzehn seriell ein-und auslesbaren 34 Bit Istwert-Schieberegistern 76 zusammen- gesetzt ist. Die 16 Bit Istwert-Schieberegister 75 und die 34 Bit Istwert-Schieberegister 76 sind in alternierender Folge in Reihe geschaltet, wobei jedes der 16 Bit Istwert-Schieberegister 75 einer 16 Bildpunkte umfassenden Zeile des Programmierbereiches und jedes der 34 Bit Istwert-Schieberegister 76 den übrigen 34 in einer Zeile der Dioden-Matrixkamera liegenden Bildpunkten zugeordnet ist. Die 34 Bit Istwert-Schieberegister 75 erfassen also nicht den Programmierbereich und sind daher als Leer-Register ohne Anschlüsse für einen Vergleich ausgebildet. Der Sollwert-verga iclisspeicher besteht aus insgesamt achtzehn seriell ein- und auslesbaren 16 Bit Sollwert-Schieberegistern 77, von welchen jeweils sechs hintereinander in Reihe geschaltet einer der Gruppen 1 bis 3 des Programmierbereiches zugeordnet sind. Dementsprechend erfolgt das Einlesen der Informationen über einen programmierbaren Festwertspeicher 78, welcher einen Ausgang 79 für die Gruppe 1, einen Ausgang 80 für die Gruppe 2 und einen Ausgang 81 für die Gruppe 3 besitzt. Einander zugeordnete 16 Bit Istwert-Schieberegister 75 und 16 Bit Sollwert-Schieberegister 77 bilden jeweils zusammen mit einem Exklusiv-NOR-Gatter 82 und einem Zähler 83 serielle Vergleichseinheiten 84, welche in gleicher Weise wie die in Figur 8 dargestellte serielle Vergleichseinheit aufgebaut sind. Die Ausgänge 85 der Zähler 83 sind parallel an ein Summierwerk 86 geführt, welches beispielsweise in gleicher Weise wie das in Figur 7 dargestellte Summierwerk aufgebaut sein kann. Der 9 Bit-Ausgang 87 des Summierwerkes 86 gibt nach jedem Bildpunkttakt T1 die Summe sämtlicher übereinstimmender Musterwerte als Binärzahl an. Der Istmuster/ Sollmuster-Vergleich erfolgt also für die einzelnen Zeilen des Programmierbereiches seriell und im übrigen parallel. Diese seriell-parallele Mischform des Vergleichs der Istmusterwerte mit den Sollmusterwerten wird für die in Figur 5 dargestellte Anordnung zur automatischen Lageerennung eines Werkstückes bevorzugt, da sie bei geringem Aufwand eine Sageerkennung in äußerst kurzer Zeit ermöglicht, wobei die Schieberegister 75 durch entsprechend angeordnete und adressierbare Schreib- Lesespeicher, vorzugsweise Halbleiterspeicher, die Schieberegister 76 durch ebensolche oder durch adressierbare Festwertspeicher ersetzt werden können. Ist letzteres der Fall, entfällt der Festwertspeicher 78.
Die im Blockschaltbild der Figur 5 und der zugehörigen Figur 9 dargestellte Anordnung zur automatischen Sageerkennung eines Werkstückes wurde für die Lage erkennung von BED-Chips an Kontaktierautomaten mit sehr gutem Erfolg eingesetzt. Das gesuchte Istaiuster der 400 x 400/um großen LED-Chips ist ihre kreisförmige Kontaktierfläche, welche einen Durchmesser von 100/um besitzt und in Bezug auf ein Bondwerkzeug genau ausgerichtet werden muß. Hierzu wird das über ein Mikroskop vergrößerte Bild des BED-Chips durch die Dioden-Matrixkamera erfaßt. Bei einer Bildpurn1ftfrequenz T1 von 100 3dIz erfolgt ein Bilddurchlauf in 25 ms. Da die Auswerteschaltung auf den Anfang eines Bilddurchlaufes synchronisiert wird, stehen die Koordinaten spätestens nach 50 ms zur Verfügung. Mit Hilfe der ermittelten Koordinaten wird dann entweder der entsprechende LED-Chip oder das Bondwerkzeug in die für die Kontaktierung erforderliche Position gebracht. Die Genauigkeit der Lageerkennung beträgt auch bei gestörten Bildern + 1/2 Rasterpunkte der Dioden-Matrixkamera. Bei einem Bildbereich von 400 x 400/um ergibt das den Wert +/um. Ist die Abweichung zwischen Istmuster und Sollmuster so groß, daß mehrere Maxima der ausgewerteten Korrelationsfunktion dieselbe Amplitude besitzen, werden die Lagekoordinaten des ersten Maximums ausgegeben.
Wird die durch den Ähnlichkeits-Schwellwert vorgegebene minimale Ähnlichkeit nicht erreicht, so wird das Signal "kein Chip" ausgegeben.
10 Patentansprüche 9 Figuren

Claims

Patentansprüche-1., Anordnung zum automatischen Erkennen eines Musters, insbesondere zur Lageerkennung eines Bildmusters durch Vergleich des Istmusters mit einem vorgebbaren Sollmuster g e -k e n n z e i c h n e t durch einen Istmuster-Detektor (1, 30) zur Ausgabe einer elektrischen Signalfolge (2, 31), deren taktweise aufeinanderfolgenden elektrischen Signale Rasterpunkten eines Istmuster-Rasters zugeordnet sind, einen an den Ausgang des Istmuster-Detektors (1, 30) angeschlossenen Istwert-Vergleichsspeicher (3, 34) zum taktweisen T)urchschieben der elektrischen Signale (2, 31), einen Sollwert-Vergleichsspeicher (4, 36) zur Speicherung von vorgebbaren Sollmusterwerten, dessen Speicherplätze entsprechenden Speicherplätzen des Istwert-Vergleichsspeichers (3, 34) zugeordnet sind, eine zwischen Istwert-Vergleichsspeicher (3, 34) und Sollwert-Vergleichsspeicher (4, 36) geschaltete Istmuster/Sollmuster-Vergleichsanordnung (7, 38) mit mindestens einem A.usgang fir übereinstimmende Musterwerte und durch ein Summierwerk (8, 39), das an den Ausgang der Istmuster/Sollmuster-Vergleichsanordnung (7, 38) angeschlossen ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t 2 daß zusätzlich ein Speicher (41) zur Speicherung der bisher größten im Summierwerk (39) ermittelten Summe übereinstimmender Musterwerte und eine an das Summierwerk (39) und den Speicher (41) angeschlossene Maximumabfrage (40) zum Vergleich der bei aufeinanderfolgenden Verschiebeimpülsen des Istwert-Vergleichsspeichers (34) ermittelten Summen übereinstimmende Musterwerte vorgesehen sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n -z e i c h ne t , daß das Summierwerk (39) mit einem Schwellwertschalter (46) zum Vergleich der ermittelten Summen übereinstimmender Musterwerte mit einem vorgebbaren Ahnlichkeits-Schwellwert verbunden ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t ,-daß der Istwert-Vergleichsspeicher (340) und der Sollwert-Vergleichs speicher (360) parallel auslesbar sind und ihre einander zugeordneten Ausgänge durch Vergleichslogiken (380) miteinander verbunden sind.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e -k e n n s e i c h n e t , daß der Istwert-Vergleichsspeicher (341) und der Sollwert-Vergleichsspeicher (361) seriell auslesbar sind und ihre Ausgänge (65, 69) durch eine Verglc:ichslogik (381) miteinander verbunden sind.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Istwert-Vergleichsspeicher (34), die Istmuster/Sollmuster-Vergleichsanordnung (38) und der Sollmuster-Vergleichsspeicher (36) zu in Reihe geschalteten, seriellen Vergleichseinheiten (84) mit Zwischenzählern (83) zusammengefaßt sind und daß die Ausgänge (85) der Zwischenzähler (83) parallel an ein Summierwerk (86) geführt sind.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Istwert-Vergleichs-Speicher (340, 341) ein Schieberegister ist.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Summierwerk (39, 86) aus mehreren nach Art einer Kaskadenschaltung angeordneten Addierern (60, 61, 62) besteht.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Istmuster-Detektor (30) ein nach Zeilenraster abtastender Bildwandler ist.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß zusätzlich ein vom Bildpunkttakt des Bildwandlers (30) gesteuerter Bildpunktzähler (49) vorgesehen ist.