DE29520980U1 - Vorrichtung zum Testen eines lichtempfindlichen Matrix-Sensors, insbesondere einer elektronischen Kamera mit CCD-Matrix-Sensor oder CMOS-Matrix-Sensor - Google Patents

Description

Die Neuerung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Testen eines lichtempfindlichen Matrix-Sensors, insbesondere einer elektronischen Kamera mit CCD-Matrix-Sensor oder CMOS-Matrix-Sensor gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruches 1.

In der Sicherheitstechnik verwendete Schutzeinrichtungen sind überwiegend Lichtgitter, die mit einem aktiven Lichtsender und einem zugeordneten passiven Lichtempfänger arbeiten. Durch den Lichtweg eines oder mehrerer Lichtstrahlen kann so ein Schutzfeld aufgebaut werden, wobei der Lichtsensor eine Unterbrechung des Lichtstrahles erkennt und Schutzmaßnahmen, wie z.B. das Abschalten einer Maschine, auslöst. Da sich Lichtstrahlen nur geradlinig ausbreiten, können die Grenzen des Schutzfeldes auch immer nur geradlinig

sein, so daß ein rings um eine Maschine aufgebautes Schutzfeld im Regelfall ein Rechteck oder Polygonzug ist. Für jede Linie dieses Schutzfeldes braucht man entweder ein eigenes Sender-/Empfänger-Paar oder zumindest Umlenkspiegel, die dem Lichtstrahl eine neue gewünschte Richtung geben. Ein weiteres Problem der bekannten Lichtgitter liegt darin, daß Personen und jegliche Gegenstände bei Betreten oder Verlassen des Schutzfeldes eine Strahlunterbrechung bewirken. In vielen Fällen ist es aber wünschenswert, ein selektives Schutzfeld zu haben, das bestimmte Gegenstände, wie z.B. Werkstücke, Roboter oder Flurförderfahrzeuge, ohne Auslösung von Sicherheitsmaßnahmen in das Schutzfeld gelangen läßt, dagegen nicht Personen.

In einem Aufsatz von W. Grigulewitsch, "Moderne Sensorik in der Sicherheitstechnik", Sonderdruck aus "Die BG", Heft 3/94, Erich Schmidt Verlag, Bielefeld, S. 1-6, werden sicherheitstechnische Systeme auf der Basis von Infrarot, Laserlicht und Ultraschall untersucht, insbesondere im Hinblick darauf, inwieweit diese Sensoren zwischen Personen und Gegenständen eine Unterscheidung vornehmen können.

Bei dem Infrarot-Sensor wird zur Überprüfung der Sensorfunktion unter anderem vorgeschlagen, das thermische Hintergrundrauschen des Sensors zu überwachen und einen zyklischen Test mit einem Wärmeimpuls dadurch durchzuführen, daß ein vor dem Sichtfenster des Infrarot-Sensors montierter Widerstand kurzzeitig aufgeheizt wird, dadurch einen Wärmeimpuls definierter Größe erzeugt und das so erzeugte Signal mittels Komparatorschwellen auf Amplitude und Polarität bewertet wird.

Andererseits wird in diesem Aufsatz eingeräumt, daß thermische Störquellen die Detektionssicherheit beeinträchtigen, so daß zusätzliche Maßnahmen vorgeschlagen werden, mögliche Störungen zu beseitigen.

Beim Objektschutz, wie z.B. von Gebäuden, Grundstücken

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etc., werden auch schon seit langem elektronische Kameras eingesetzt, die häufig einen lichtempfindlichen Sensor in Form einer CCD-Matrix haben. Die Überwachung erfolgt aber mittels eines Monitors, der von einer Person beobachtet werden muß.

In einem Aufsatz von H.G. Graf u.a. "Elektronisch sehen", DEZ Elektronik 3/1995, S. 52-57 wurde ein lichtempfindlicher Sensor auf Basis eines "CMOS-Matrix-Sensors" mit hoher Helligkeitsdynamik vorgeschlagen, der für Überwachungsaufgaben besonders geeignet ist.

Generell ist es wünschenswert, Fernsehkameras bei Schutzeinrichtungen einzusetzen, da sie im Gegensatz zu Lichtgittern einige Vorteile besitzen:

Die Fernsehkamera kann oberhalb eines Schutzfeldes angebracht werden und beansprucht dadurch weniger Raum;
die Schutzfeldgrenzen können frei programmiert werden, so daß sich beliebige komplexe Schutzfeldkonfigurationen erzeugen lassen;

ohne zusätzlichen Geräteaufwand können um eine Maschine herum oder allgemeiner um ein Objekt herum verschiedene Schutzfeldzonen definiert werden, wie z.B. eine Warnzone und eine oder mehrere Schutzzonen, bei deren Betreten unterschiedliche Maßnahmen ausgelöst werden;
schließlich ist es mit Fernsehkameras möglich, Personen und Objekte zu unterscheiden und auch Objekte untereinander zu unterscheiden und so beim Erkennen bestimmter Objekte, wie z.B. bestimmter Werkstücke etc. unterschiedliche Maßnahmen auszulösen. Beispielsweise kann damit ein Werkstück ohne Auslösung einer sicherheitsrelevanten Funktion zu einer Maschine durchgelassen werden, während die Maschine gestoppt wird, wenn eine Person das rings um die Maschine definierte Schutzfeld betritt.

Ein grundlegendes Problem beim Einsatz von Fernsehkameras bei Schutzeinrichtungen liegt jedoch darin, die Funktionsfähigkeit bzw. Verfügbarkeit der Kamera zu überprüfen.

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So kann beispielsweise durch unzureichende Beleuchtung des von der Kamera überwachten Schutzfeldes der Kontrast von zu erkennenden Personen oder Objekten gegenüber der Umgebung so gering sein, daß die Person oder Objekte nicht mehr identifizierbar sind. Gleiches kann auch durch Verschmutzung des Sichtfensters oder der Linse der Kamera trotz ausreichender Beleuchtung auftreten. Auch können Einzelteile der Kamera ausgefallen sein, wie z.B. einige Pixel der CCD-Sensor-Matrix, ohne daß dieser Fehler erkannt wird, was dann zumindest zu einer Herabsetzung der Sicherheitsfunktion führt, das gerade im Bereich der Sicherheitstechnik auf keinen Fall hinnehmbar ist.

Aufgabe der Neuerung ist es, die Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß ein zuverlässiger Eigentest des Matrix-Sensors durchführbar ist. Diese Aufgabe wird durch die im Schutzanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Neuerung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das Grundprinzip der Neuerung liegt demnach darin, im Erfassungsbereich des Matrix-Sensors ein vordefiniertes, mehrdimensionales Muster anzuordnen und die beim Abtasten dieses Musters von dem Matrix-Sensor erzeugten Signalen mit gespeicherten Signalen zu vergleichen und in Abhängigkeit von diesem Vergleich ein Signal zu erzeugen, das die Verfügbarkeit des Matrix-Sensors anzeigt.

Die Vergleichssignale sind dabei ein Abbild des vordefinierten mehrdimensionalen Musters, so daß man bei Übereinstimmung des vom Matrix-Sensor erfaßten Musters und des gespeicherten Vergleichsmusters davon ausgehen kann, daß der Sensor einwandfrei arbeitet und daß auch die Beleuchtung des von dem Matrix-Sensor überwachten Bereiches ausreichend ist, da andernfalls das in den Erfassungsbereich eingebrachte, vordefinierte mehrdimensionale Muster nicht mehr erkannt würde. Dieses Muster

kann beliebig komplex aufgebaut sein, so daß der gesamte Erfassungsbereich des Matrix-Sensors überprüft werden kann. Auch kann dieses Muster zeitlich verändert werden, so daß es aus beliebig vielen zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelmustern zusammengesetzt ist.

Dieser Test wird bevorzugt zyklisch durchgeführt. Bei einer weiter unten beschriebenen Variante der Neuerung kann dieser Test aber auch kontinuierlich durchgeführt werden. Die Neuerung sieht mehrere Varianten für die Erzeugung des vordefinierten, mehrdimensionalen Musters, das im folgenden als Testmuster bezeichnet wird, vor. Bei einer ersten Variante wird das Testmuster durch eine im Strahlengang vor dem Matrix-Sensor angeordnete Flüssigkristallanzeige (sog. LCD; Liquid Crystal Display) erzeugt. Solche LCD's sind ihrerseits in Form einer Matrix aufgebaut und können durch Anlegen elektrischer Spannungen ihre Lichtdurchlässigkeit ändern, womit beliebige Testmuster erzeugt werden können. Diese Testmuster werden dem vom Matrix-Sensor erfaßten Bild überlagert und auf dem Matrix-Sensor abgebildet, wo sie sich primär als Helligkeitsunterschiede darstellen. Dieses Testmuster wird dann vom Sensor erfaßt, in elektrische Signale umgewandelt und in einer dem Matrix-Sensor nachgeschalteten Auswerteeinheit mit gespeicherten Signalen eines Musters, das im folgenden Referenzmuster genannt wird, verglichen. Bei Übereinstimmung zwischen Testmuster und Referenzmuster ist der Sensor betriebsbereit und voll verfügbar.

Der Grad der Übereinstimmung zwischen Test- und Referenzmuster kann je nach Sicherheitsanforderungen oder Umgebungsbedingungen verändert werden. Beispielsweise kann eine einwandfreie Sensorfunktion schon dann signalisiert werden, wenn der Grad der Übereinstimmung bei 95° oder größer liegt.

Diese Variante hat den Vorteil, daß die Beleuchtung des überwachten Bereiches mit in den Test einbezogen wird, da der Matrix-Sensor das Testmuster nur dann erkennen kann,

wenn die Helligkeitsdifferenzen zwischen den von der Flüssigkristallanzeige abgedunkelten und den nicht abgedunkelten Bereichen noch im Auflösungsbereich des Sensors liegt. Ist dies der Fall, so kann man davon ausgehen, daß auch zu erfassende Objekte, die naturgemäß gegenüber der Umgebung einen Helligkeitsunterschied, Farbunterschied oder Grauwertunterschied haben müssen, erfaßt werden. Diese Variante zum Überprüfen des Sensors kann naturgemäß nur zyklisch durchgeführt werden..

Bei einer zweiten Variante der Neuerung wird ein vordefiniertes Testmuster im vom Sensor überwachten Bereich angeordnet und verbleibt dort ständig. Beispielsweise werden ein oder mehrere Streifen mit unterschiedlichen Grauwerten an den Grenzen des Schutzfeldes angebracht. Der Sensor vergleicht das erfaßte Bild dieser Streifen mit einem entsprechenden gespeicherten Referenzmuster. Solange diese Grauwertunterschiede noch erkannt werden, kann man davon ausgehen, daß die Beleuchtung des überwachten Bereiches ausreichend ist und daß der Sensor zumindest im Bereich der Pixel dieses Testmusters einwandfrei arbeitet. Diese Variante der Neuerung kann kontinuierlich arbeiten, in dem Sinne, daß der Vergleich zwischen Test- und Referenzmuster ständig durchgeführt wird oder auch intermittierend dergestalt, daß zwar das Testmuster ständig erfaßt, der Vergleich mit dem Referenzmuster aber nur in vorgegebenen Zyklen durchgeführt wird.

Bei einer dritten Variante der Neuerung wird das Testmuster dadurch erzeugt, daß von einer Lichtquelle ein Muster in den überwachten Bereich projiziert wird, beispielsweise durch einen Diaprojektor, wobei dieses Muster auch im unsichtbaren Wellenlängenbereich des Lichtes, beispielsweise im Infrarotbereich liegen kann, sodaß das Testmuster für den Menschen unsichtbar ist.

Im folgenden wird die Neuerung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher

erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Neuerung mit an den Grenzen des Erfassungsbereichs des Sensors ständig angeordnetem Testmuster;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Neuerung, bei dem das Testmuster durch eine im Strahlengang des Matrix-Sensors angeordnete Flüssigkristallanzeige erzeugt wird;

Fig. 3 ein Blockschaltbild des Sensors, der Flüssigkristallanzeige und einer Auswerteeinrichtung; und

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Neuerung, bei dem ein Testmuster von einer Lichtquelle in den Erfassungsbereich des Matrix-Sensors projiziert wird.

In Fig. 1 ist um ein zu überwachendes Objekt 1, das beispielsweise eine Werkzeugmaschine sein kann, ein erstes Schutzfeld 2 und ein dieses umgebende zweite Schutzfeld 3 definiert, das beispielsweise als Warnzone fungieren kann. An einer Decke 4 oberhalb des Objektes 1 und der Schutzfeider 2 und 3 ist eine Kamera 5 befestigt, die einen Matrix-Sensor enthält. Weiter ist neben der Kamera 5 an der Decke 4 eine Beleuchtung 6 angebracht, deren Lichtstrahlen 7 auf das Objekt. 1 und die Schutzfeider 2 und 3 gerichtet sind.

Um das äußere Schutzfeld 3 herum ist ein Muster angebracht, das hier aus zwei jeweils parallel zueinander verlaufenden Streifen 8 und 9 gebildet ist, die unterschiedliche Helligkeitswerte bzw. Grautöne in Beziehung zueinander und/oder in Beziehung zu der Umgebung haben.

Die Kamera 5 ist so ausgerichtet, daß sie das Objekt 1, die Schutzfelder 2 und 3 und die Streifen 8 und 9 erfaßt, die von der Lampe 6 beleuchtet sind. Da die Streifen 8 und 9 fest angebracht sind, beispielsweise auf dem Boden

aufgeklebt sind und bekannte Helligkeitswerte, Grautöne und/oder Farben haben, bilden sie ein vordefiniertes zweidimensionales Muster, das im Erfassungsbereich der Kamera und deren Matrix-Sensors liegt.

Wie genauer im Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert wird, wird dieses durch die Streifen 8 und 9 ggf. in Zusammenwirken mit deren Umgebung gebildete Testmuster mit einem Referenzmuster verglichen.

Weiter ist in Fig. 1 im Schutzfeld 3 ein Prüfkörper 10 angeordnet, dessen Helligkeit, Farbe und räumliche Konfiguration ebenfalls bekannt sind. Dieser Prüfkörper dient zur Kalibrierung der Kamera und kann auch Teil des Testmusters sein.

Fig. 2 zeigt ein anderes Ausfülirungsbeispiel der Neuerung. Die Kamera 5 hat ein Gehäuse 11, dessen Lichteintrittsöffnung durch eine Flüssigkristallanzeige (sog. LCD) 12 verschlossen ist. Außenlicht, das durch gestrichelte Linien angedeutet ist, durchdringt diese Flüssigkristallanzeige und gelangt über eine erste Sammellinse 13, eine Lochblende 14 und eine zweite Sammellinse 15 zu dem Matrix-Sensor 16 der Kamera. Die Flüssigkristallanzeige 12 kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung vordefinierte Bereiche abdunkeln, die damit in Zusammenwirken mit nicht abgedunkelten Bereichen das zweidimensionale Testmuster bilden. Für den Fall, daß der zu überwachende Bereich schwarz oder dunkelgrau ist und das LCD-Testmuster trotz an sich ausreichender Beleuchtung keinen ausreichenden Kontrast zu dem dunklen bzw. grauen Hintergrund bilden würde, kann das LCD-Display während der Testphase von außen fremdbeleuchtet werden, beispielsweise durch Infrarot-LED's, die außerhalb der Kamera 5 angeordnet sind und durch eine Steuerung aktiviert werden.

In Fig. 3 ist wiederum die Kamera 5 und die Flüssigkristallanzeige 12, die als Sichtfenster der Kamera dient,

dargestellt. Der Matrix-Sensor 16 der Kamera überträgt Signale, die dem erfaßten Bild entsprechen, an eine Bildvorverarbeitungs- und Bildaufnahmesteuerung 17, was durch die Leitung 18 angedeutet ist. Die Bildaufnahmesteuerung erfolgt über die Leitung 19. Die Bildvorverarbeitung erfolgt über einen Abtastprozessor bekannter Bauart, der einen Videoausgang 17' zu einem nicht dargestellten Monitor, einen digitalen Bildsignalausgang 22 zu zwei Prozessoren 20 und 25 und einen Steuereingang 21, der an den ersten Prozessor 20 angeschlossen ist, aufweist. Das digitalisierte Bildsignal vom Ausgang 22 wird beiden Prozessoren 20 und 2 5 zugeführt, die jeweils unabhängig voneinander, damit also zweikanalig, den Vergleich durchführen. Der zweite Prozessor 25 steuert über eine Leitung 28 und einen Verstärker 29 das LCD 12 an und erzeugt auf diesem ein definiertes Referenzmuster, das in einer Speicherbaugruppe 25' des Prozessors oder einem externen Speicher 25" abgespeichert ist und beiden Prozessoren 20 und 25 zugeführt wird. Gegebenenfalls kann dieses Referenzmuster auch in einem weiteren Speicher 20', der dem ersten Prozessor 20 zugeordnet ist, abgespeichert sein, so daß beide Prozessoren 2 0 und 25 unabhängig voneinander dasselbe Referenzmuster erhalten. Beide Prozessoren 20 und 25 vergleichen dann die am Ausgang 2 2 anstehende Bildinformation des LCD 12 mit dem gespeicherten Muster.

Sobald ein Prozessor zu einem negativen Verglichsergebnis kommt, nehmen die Sicherheitsausgänge 23 bzw. 30 beider Prozessoren einen Verriegelungszustand (Maschine STOP) ein, unabhängig davon, ob sich eine Person im überwachten Bereich befindet oder nicht. Beide Prozessoren 2 0 und 25 stehen über Leitungen 26 und 27 miteinander in Verbindung und tauschen auch unmittelbar ihre Vergleichsergebnisse miteinander aus.

Der Prozessor 20 hat noch einen weiteren Steuereingang 24, über den eine Programmierung der Schutzfeldgrenzen, bestimmter Muster, die das Schutzfeld ohne Auslösen eines Alarms betreten dürfen etc., programmiert werden können.

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Da die Auswertung auch während des normalen Betriebes vorzugsweise zweikanalig, d.h. über die beiden unabhängigen Prozessoren 20 und 25 erfolgt, können diese Programmiersigna-Ie auf der Leitung 24 auch über die Leitung 26 dem zweiten Prozessor 25 zugeführt werden.

Fig. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich von dem der Fig. 1 im wesentlichen dadurch unterscheidet, daß das zweidimensionale Muster durch einen Projektor 32 erzeugt wird, der ebenfalls an der Decke 4 neben der Kamera 5 angebracht ist. Dieser Projektor 32 projiziert ein Testmuster 33 auf das zu überwachende Objekt 1 und einen dieses umgebenden Bereich. Dieses Testmuster ist hier als "Schachbrettmuster" dargestellt, kann aber jegliche beliebige Konfiguration haben. Während der Projektion dieses Testmusters ist die Beleuchtung 6 vorzugsweise abgeschaltet. Natürlich ist es auch möglich, die Beleuchtung 6 und die Projektionseinrichtung 32 in eine Einheit zu integrieren und das Testmuster dadurch zu erzeugen, daß ein im Strahlengang des Beleuchtungslichtes angeordnetes LCD durch Anlegen elektrischer Spannungen ein vordefiniertes zweidimensionales Muster erzeugt. Die Auswertung, d.h. der Vergleich zwischen Test- und Referenzmuster, erfolgt in analoger Weise wie genauer im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben.

Claims (4)

Schutzansprüche

1. Vorrichtung zum Testen eines lichtempfindlichen Matrix-Sensors, insbesondere einer elektronischen Kamera mit CCD-Matrix-Sensor oder CMOS-Matrix-Sensor mit einer Auswerteeinheit, der Ausgangssignale des Matrix-Sensors zuführbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein vordefiniertes mehrdimensionales Muster (12; 8, 9; 33) im Erfassungsbereich des Matrix-Sensors vorhanden ist und daß eine Vergleichseinrichtung (20, 25) vorgesehen ist, die die von dem Matrix-Sensor (16) erzeugten Signale mit in einer Speichereinheit (20'; 25'; 25") gespeicherten Signalen vergleicht und in Abhängigkeit von diesem Vergleich ein Signal erzeugt, das einen gestörten oder störungsfreien Betrieb des Sensors anzeigt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang vor dem Matrix-Sensor (16) ein steuerbarer Mustergenerator (12) angeordnet ist, der in Abhängigkeit von Steuersignalen ein aus unterschiedlichen Grautönen, unterschiedlichen Helligkeitswerten und/oder unterschiedlichen Farben bestehendes Muster erzeugt, welches das vordefinierte mehrdimensionale Testmuster bildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Projektor (32) vorgesehen ist, der ein vordefiniertes Muster mit unterschiedlichen Grautönen, unterschiedlicher Helligkeit und/oder unterschiedlichen Farben auf im Erfassungsbereich des Matrix-Sensors (16) liegende Gegenstände projiziert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vordefinierte mehrdimensionale Muster durch einen oder mehrere Streifen (8, 9) gebildet ist, der

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bzw. die gegenüber der Umgebung oder gegeneinander unterschiedliche Grautöne, unterschiedliche Helligkeit und/oder unterschiedliche Farben hat bzw. haben und im Erfassungsbereich des Matrix-Sensors (16) angeordnet sind.

Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (2) unabhängig voneinander arbeitende Auswerteeinheiten (20, 25) aufweist, denen jeweils das Ausgangssignal des Matrix-Sensors (16) und dem Referenzmuster entsprechende Signale aus einem oder zwei unabhängigen Speichern (25" oder 20', 25') zuführbar sind und daß beide Auswerteeinheiten (20, 25) ihre Auswerteergebnisse untereinander austauschen und nur dann ein einen störungsfreien Betrieb anzeigendes Signal erzeugen, wenn die Vergleichsergebnisse beider Auswerteeinheiten (20, 25) gleich sind.