DE3718620A1 - Verfahren und vorrichtung zur ermittlung des drehwinkels eines objektmusters - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit der ein Objektmuster von einem Bildsensor, beispielsweise einer Fernsehkamera, extrahiert wird und dann einer Bildverarbeitung unterworfen wird, um einen Drehwinkel zu ermitteln, um ein Objektmuster zu prüfen oder zu erkennen.

Ein bekanntes Ermittlungssystem verwendet ein Verfahren, bekannt als Trägheitsmomentenberechnungsverfahren, bei welchem ein optisch ermitteltes Muster binärkodiert wird und eine Hauptachse und ein Schwerpunkt einer äquivalenten Ellipse durch Berechnungen erhalten werden, die Linearmomente, quadratische Momente, geometrische Momente und eine Fläche des binärkodierten Musters verwenden.

Man erhält auf diese Weise einen Drehwinkel R und einen Schwerpunkt P _G (P _GX , P _GY ) aus den folgenden Gleichungen (1) und (2):

tan 2 R = 2 I _xy /(I _y - I _x ) (1)

P _GX = M _x /A, P _GY = M _y /A (2)

wobei die verwendeten Symbole wie folgt definiert sind:

M _x :lineares Moment des Musters in bezug auf die x-Achse;M _y :lineares Moment des Musters in bezug auf die y-Achse;I _x :quadratisches Moment des Musters in bezug auf die x-Achse;I _y :quadratisches Moment des Musters in bezug auf die y-Achse;I _xy :synergistisches Moment des Musters;A:Fläche des Objektmusters; undB:Drehwinkel.

Unter Verwendung dieses Trägheitsmomentenberechnungsverfahrens kann der Drehwinkel R mit relativ hoher Genauigkeit für ein längliches Objektmuster ermittelt werden, nicht jedoch für ein Objektmuster, das mehr quadratisch oder kreisförmig ist. Bei quadratischen oder kreisförmigen Mustern haben die quadratischen Momente I _x und I _y gleiche Werte und werden sehr kleine Quantisierungsfehler des Musters vergrößert, wenn der Nenner auf der rechten Seite der obigen Gleichung (1) gegen Null geht. Wenn man daher die Drehung eines Objektmusters unter Verwendung eines Drehwinkels normiert, den man nach dem beschriebenen Trägheitsmomentenverfahren erhält, dann können große Fehler auftreten, weil Fehler auf der Grundlage von formabhängigen Berechnungen eingehen, die jede weitere Prüfung und Erkennung von Mustern praktisch wertlos machen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung des Drehwinkels eines Objektmusters anzugeben, mit dem bzw. der man eine genaue Mustererkennung ohne formabhängige Fehler erzielen kann.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 1, hinsichtlich der Vorrichtung durch die im Anspruch 2 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

In den begleitenden Zeichnungen, die aufgrund ihres schriftlichen Aussagegehaltes einen Teil dieser Beschreibung bilden, is ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das nachfolgend näher erläutert werden soll. Es zeigen

Fig. 1A bis 4B Objektmusterdiagramme, die das Prinzip der vorliegenden Erfindung zeigen;

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Ermittlung eines Drehwinkels eines Objektmusters nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 ein Flußdiagramm, das die Betriebsweise der Vorrichtung nach Fig. 5 zeigt;

Fig. 7 ein Flußdiagramm, das einen Schaltereinstellbetrieb zeigt, und

Fig. 8 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Betriebsweise der Vorrichtung nach Fig. 5.

Es wird nun im Detail auf die vorliegende bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Bezug genommen, die in den Zeichnungen dargestellt ist.

Zunächst sei auf die Fig. 1A bis 4B eingegangen. Ein Prinzip der vorliegenden Erfindung, das das Inter-Zwei-Schwerpunkte-Verfahren genannt wird, wird nachfolgend beschrieben. Die Fig. 1A, 2A, 3A und 4A zeigen jeweils unterschiedliche Objektmuster. Im einzelnen zeigt Fig. 1A einen Fall, wo schwarze Buchstaben CH auf einem weißen kreisförmigen Muster geschrieben sind. Fig. 2A zeigt einen Fall, wo beispielsweise ein Loch HL in ein weißes kreisförmiges Muster ähnlich dem vorangehenden gebohrt ist. Fig. 3A zeigt einen Fall, bei welchem eine Kerbe BL in einem weißen kreisförmigen Muster ähnlich Fig. 2A vorhanden ist, und Fig. 4A zeigt einen Fall, bei welchem ein Vorsprung PN an einem weißen kreisförmigen Muster ähnlich dem nach Fig. 3A ausgebildet ist. Jede dieser Figuren zeigt ein Beispiel, bei welchem es schwierig ist, einen Drehwinkel mit hoher Genauigkeit zu ermitteln, wenn man das Trägheitsmomentenberechnungsverfahren verwendet.

Zur Bestimmung des Drehwinkels des in Fig. 1A dargestellten Musters wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein kreisförmiger Suchbereich SH₁ gewählt, und ein Bild in diesem Suchbereich, d. h. der Buchstabenbereich CH, wird als ein signifikantes Bild extrahiert. Sodann wird eine Hauptachse C des signifikanten Bildes unter Verwendung des Trägheitsmomentenberechnungsverfahren des Buchstabenbereiches CH erhalten, wie in Fig. 1B gezeigt, und es wird ein Drehwinkel R als der Drehwinkel der Hauptachse bestimmt. Wenn der Suchbereich SH₁ auf logisch "1" gesetzt wird, dann wird der Buchstabenbereich CH auf logisch "0" gesetzt, und es ist deshalb notwendig, den logischen Zustand oder die Polarität umzukehren, wenn der Buchstabenbereich CH extrahiert wird.

Diese Situation gilt auch für die Fälle der Fig. 2A und 2B sowie 3A und 3B. Im Falle der Fig. 2A wird das kreisförmige Loch HL als ein signifikantes Bild extrahiert, ein Schwerpüunkt P _G ₁ des Bildes wird erhalten. Der Drehwinkel R wird als der Winkel zu einer geraden Linie C bestimmt, die durch den Schwerpunkt P _G ₁ des signifikanten Bildes und den Schwerpunkt P _G des gesamten Objektmusters läuft, wie in Fig. 2B gezeigt.

Im Falle der Fig. 3A wird die Verarbeitung in bezug auf die Kerbe BL in der gleichen Weise wie im Falle der Fig. 2A ausgeführt, um einen Drehwinkel R zu erhalten, wie in Fig. 3B gezeigt.

Im Falle der Fig. 4A wird die Verarbeitung in der gleichen Weise wie in den Fällen der Fig. 2A und 2B ausgeführt mit der Ausnahme, daß der Vorsprung PN ohne Ausführung einer Invertierung der Polarität oder einer Invertierung der logischen Zustände extrahiert wird.

Es wird nun die Betriebsweise der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 5 erläutert. Die Vorrichtung hat zwei Betriebsarten, von denen die eine ein Beurteilungsbetrieb ist, der im einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 6 erläutert wird, und die andere Betriebsart ein Einstellbetrieb ist, der im einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 7 erläutert wird. Wie Fig. 5 zeigt, enthält die Vorrichtung nach der Erfindung einen Aufnehmer, beispielsweise eine Fernsehkamera 2 zur Erzeugung einer zweidimensionalen Darstellung eines zu ermittelnden Musters 1, eine Binärkodierungsschaltung 3, eine Raumteilerschaltung 4, einen Bildspeicher 5, einen Umschaltkreis 6, einen Polaritätswählkreis 7, Schalterkreise 8 a bis 8 d, eine Flächenextraktionsschaltung 9, eine Linearmomentextraktionsschaltung 10, eine Quadratmomentextraktionsschaltung 11, eine Extraktionsschaltung 12 für das geometrische Moment, eine zentrale Prozessoreinheit (CPU) 13, einen Speicher 14, einen Adreßgenerator 15, eine Standardsuchbereichsspeicherschaltung 16, eine Verschiebekorrekturschaltung 17, eine Suchbereichsgeneratorschaltung 18 und eine UND-Schaltung 19.

Wie in Fig. 6 mit dem Block 31, beginnt die Ermittlung nach der vorliegenden Erfindung mit der Abtastung des Musters 1 durch die Fernsehkamera 2 und die Umwandlung in eine binäre, d. h. Schwarz/Weiß-Information durch die Binärkodierungsschaltung 3. Dann wird beim Block 32 die Binärinformation räumlich in zwei Dimensionen in Bildelemente unterteilt, beispielsweise in 256 × 256 Bildelemente. Diese Bildelemente werden dann im Bildspeicher 5 gespeichert, der eine ausreichende Kapazität hat, um alle Bildelemente aufzunehmen. Dieser Vorgang wird während der Periode ausgeführt, die Bildaufnahmeperiode heißt, in der eine Szene des Bildes von der Fernsehkamera 2 abgetastet wird. Fig. 9 zeigt ein Beispiel des Verhältnisses zwischen der Abtastperiode und der Bildaufnahmeperiode. Fig. 8(a) zeigt ein Vertikalsynchronsignal und Fig. 8(b) zeigt eine Bildaufnahmeperiode.

Während der Bildaufnahmeperiode, und wie auch durch den Block 32 in Fig. 6 gezeigt, erhält man die Fläche und die Linearmomente. Diese Vorgänge werden unter Steuerung durch die CPU 13 ausgeführt, die den Umschaltkreis 6 veranlaßt, einen Eingang S₁ anstelle eines Eingangs S₂ auszuwählen. Die Polaritätswählschaltung 7 wählt "Vorwärtsdrehung", wodurch die Schalterkreise 8 a und 8 b eingeschaltet und die Schalterkreise 8 c und 8 d ausgeschaltet werden. Die von der Raumteilerschaltung 4 verarbeitete Bildinformation wird daher der Flächenextraktionsschaltung 9 und den Linearmomentextraktionsschaltungen 10 zugeführt, so daß eine Fläche A und Linearmomente M _x und M _y erhalten werden.

Anschließend, beim Block 33, wenn die Bildaufnahme beendet ist, erhält die CPU 13 Koordinaten P _GX und P _GY des Schwerpunktes des zu prüfenden gesamten Musters. Die CPU 13 kann diese Bestimmung auf der Grundlage der Gleichung (2) oder jeder anderen geeigneten Berechnung ausführen. Sodann, wie Block 34 zeigt, vergleicht die CPU 13 die Koordinaten P _GX und P _GY mit Koordinaten P _GXS und P _GYS , die den Schwerpunkt eines Standardmusters darstellen, den man zuvor im Einstellbetrieb erhalten hat. Der Vergleich wird zu dem Zweck ausgeführt, den Verschiebeumfang ( Δ x, Δ y) zwischen den Schwerpunktskoordinaten zu erhalten.

Dann, wie Block 35 in Fig. 6 zeigt, liest die CPU 13 die Bildpolaritätsinformation aus dem Speicher 14 entsprechend der Formcharakteristik des Objektmusters und führt die Information der Polaritätswählschaltung 7 zu. Gleichzeitig liest die CPU 13 verschiedene "EIN"/"AUS"-Schaltereinstellinformationen aus dem Speicher 14 und führt diese Information den Schalterkreisen 8 a bis 8 d zu. Das Verfahren zum anfänglichen Einstellen der Schalter ist in Fig. 7 gezeigt und wird nachfolgend im Detail erläutert. Die Schaltereinstellinformation für die Schalterkreise 8 a bis 8 d hängt von dem Algorithmus ab, der für die Ermittlung des Winkels R verwendet wird, und vom Berechnungsverfahren ab, wie beispielsweise dem Trägheitsmomentenverfahren oder dem Inter-Zwei-Schwerpunkte-Verfahren (Schwerpunktsmittelungsverfahren).

Die Einstellung der Schalter wird demnach in Übereinstimmung mit der Gestaltscharakteristik des Objektmusters ausgeführt. Wenn beispielsweise das Trägheitsmomentenverfahren verwendet wird, dann werden die Schalterkreise 8 a und 8 b ausgeschaltet und die Schalterkreise 8 c und 8 d werden eingeschaltet. Information in bezug auf einen kreisförmigen oder ringförmigen Suchbereich, der abzusuchen ist, die zuvor durch das Standardmuster eingestellt worden sind, sind im Standardbereichsspeicherkreis 16 zusammen mit der Information der Koordinaten P _GXS und P _GYS des Schwerpunktes des Standardmusters eingespeichert worden.

Zu diesem Zeitpunkt führt, wie durch den Block 35 gezeigt, die CPU 13 Triggersignale zu der Adreßgeneratorschaltung 15, um den Bildspeicher 5 und die Suchbereichsgeneratorschaltung 18 abzutasten. Als Folge davon erzeugt die Adreßgeneratorschaltung 15 Adressen X und Y für den Bildspeicher 5, um nacheinander den Bildspeicher 5 für jedes Bildelement in einer Weise ähnlich einem Fernsehbild abzutasten, um nacheinander Bildinformation aus dem Bildspeicher 5 auszulesen. Die Suchbereichsgeneratorschaltung 18 ist dazu eingerichtet, Suchbereichsdaten (Koordinatendaten) aus dem Standardsuchbereich auszulesen, der in der Schaltung 16 gespeichert ist, um zu ermitteln, ob von der Adreßgeneratorschaltung 15 erzeugte Adressen in dem Suchbereich vorhanden sind. Die Suchbereichsgeneratorschaltung 18 18 steuert daher den Durchlaß der aus dem Bildspeicher 5 ausgelesenen Daten durch die UND-Schaltung 19. Daher werden nur die Bilddaten im Suchbereich, die im Bildspeicher 5 gespeichert sind, durch die UND-Schaltung 19 ausgelesen. Sodann wird beim Block 36 der Verschiebungsumfang ( Δ x, Δ y) zwischen den jeweiligen Schwerpunkten des zu ermittelnden Musters und des Standardmusters von der CPU 13 der Verschiebungskorrekturschaltung 17 zugeführt. Der Verschiebungsumfang wird den Daten von der Standardsuchbereichsspeicherschaltung 16 hinzuaddiert, um dadurch die Lage des Standardsuchbereichs um den Verschiebungsumfang zuu verschieben, so daß die Lage des Suchbereiches normiert wird.

Der Umschaltkreis 6 wird dann so gesteuert, daß er einen Eingang S₂ wählt (Block 37), so daß der Ausgang der UND-Schaltung 19 den Extraktionsschaltungen 9 bis 12 über dem Umschaltkreis 6, die Polaritätswählschaltung 7 und die Schalterkreise 8 zugeführt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird, wie Block 37 zeigt, die Polarität der Bildinformation ggf. umgekehrt.

Da in diesem Falle das Trägheitsmomentenverfahren anzuwenden ist, befinden sich nur die Schalterkreise 8 c und 8 d im Einschaltzustand, so daß die quadratischen Momente I _x und I _y und des synergistische Moment I _xy von des Extraktionsschaltungen 11 bzw. 12 extrahiert werden (Block 38). Fig. 8(c) zeigt die Zeitlage des vorangehenden Betriebs. Man erkennt aus Fig. 8(c), daß die Extraktion der Fläche und der Momente in bezug auf die signifikante Bildinformation nach der Bildaufnahmeperiode ausgeführt wird.

Wie der Block 39 von Fig. 6 zeigt, werden die Ausgänge der Extraktionsschaltungen 11 und 12 der CPU 13 zugeführt, so daß die durch die Gleichung (1) ausgedrückte Berechnung in Übereinstimmung mit der Einstellung der Schalter ausgeführt wird, um den Drehwinkel R zu erhalten. Die Zeitlage für diesen Betrieb, der beim Block 39 ausgeführt wird, ist in Fig. 8(d) gezeigt.

Der Drehwinkel wird auf diese Weise unter Verwendung des Trägheitsmomentenverfahrens des vorangehenden Beispiels erhalten. Wie oben erläutert, gibt es einige Formen von Objektmustern, bei denen man den Drehwinkel genauer erhalten kann, wenn man das Inter-Zwei-Schwerpunkte-Verfahren verwendet, sowie einige Fälle, bei denen der Drehwinkel genauer erhalten werden kann, wenn man die Polaritätsumkehr der Bildinformation ausführt.

Der Zustand der Schalter wird daher im voraus eingestellt und im Speicher 14 gespeichert, unter Verwendung eines Standardmusters entsprechend dem Verfahren, das Verwendung finden soll, und je nachdem, ob die Polarität der Bildinformation umgekehrt werden soll. Wie Fig. 7 zeigt, wird beim Block 41 ein Standardbildmuster erhalten und dann binärkodiert, ähnlich dem Verfahren von Block 31 in Fig. 6. Dann, beim Block 42, berechnet die CPU 13 die Fläche und die Linearmomente des binärkodierten Bildes ähnlich dem Verfahren in Block 32 von Fig. 6. Im Block 43 berechnet die CPU 13 den Schwerpunkt ähnlich dem Verfahren von Block 33 in Fig. 6, und beim Block 44 bestimmt die CPU 13 den Suchbereich und speichert im Speicher 14. Die Polarität der Bildinformation wird beim Block 45 bestimmt und im Speicher 14 gespeichert, und anschließend werden im Block 46 die Schalterzustände bestimmt und eingestellt und im Speicher 14 gespeichert.

Wenn das Inter-Zwei-Schwerpunkte-Verfahren und Polaritätsumkehr der Bildinformation verwendet werden sollen, dan führt die CPU 13 einen Befehl, der die Polaritätsumkehr anzeigt, der Polaritätswählschaltung 7 zu, schließt die Schalterkreise 8 a und 8 b ein und schaltet die Schalterkreise 8 c und 8 d aus. Als Folge davon werden eine Fläche A′ und Linearmomente M′ _x und M′ _y aus der Information des signifikantes Bildes im Suchbereich extrahiert, und man erhält den Schwerpunkt auf der Grundlage der obengenannten Gleichung (2).

Man kann daher aus dem so erhaltenen Schwerpunkt des Musters im Suchbereich und dem Schwerpunkt des zu ermittelnden Gesamtmusters einen Drehwinkel R auf der Grundlage der folgenden Gleichung (3) erhalten:

wobei X _Gi und Y _Gi die entsprechenden x- und y-Koordinaten des Schwerpunktes des zu ermittelnden Gesamtmusters sind und X′ _Gi und Y′ _Gi die x- und y-Koordinaten des Schwerpunktes des Musters im Suchbereich darstellen.

Die vorangehende Beschreibung der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung betraf hauptsächlich Objektmuster, die nur eine Art von Gestaltscharakteristik haben. Wenn ein Objektmuster unterschiedliche Gestaltscharakteristika aufweist, dann ist es möglich, die vorliegende Erfindung in bezug auf ein solches Objektmuster anzuwenden, so daß Daten, die sich auf Größen und Lagen von Standardsuchbereichen, Winkelermittlungsverfahren, Bildpolarität usw. beziehen, im voraus eingestellt und gespeichert werden, so daß die Daten von der CPU 13 in geeigneter Weise ausgewählt werden können.

Die folgenden Vorteile ergeben sich aus der Anwendung der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung:

• (1) Da die Winkelermittlung in bezug auf ein Objektmuster durch Extraktion der Daten eines signifikanten Bildes in einem Suchbereich ausgeführt wird, läßt sich ein korrekter Winkel selbst dann ermitteln, wenn ein kreisförmiges Muster zu normieren ist. Dementsprechend kann die Normierung der Verdrehung bei der Musterprüfung oder Mustererkennung genauer ausgeführt werden. Weiterhin, im Falle, in welchem Winkeldaten zu ermitteln sind, die für die Lagesteuerung zu verwenden sind, läßt sich Lageinformation erhalten, durch die es möglich wird, eine hoch genaue Lagesteuerung auszuführen.
• (2) Da die Winkelermittlung unter Verwendung eines von mehreren unterschiedlichen Verfahrens ausgeführt werden kann und die Bildpolarität in geeigneter Weise gewechselt werden kann, ist die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung in weitem Umfang auf die verschiedensten Muster mit den unterschiedlichsten Gestaltscharakteristika anwendbar.
• (3) Weiterhin, da die Größe des Suchbereichs in geeigneter Weise eingestellt werden kann, ist die Vorrichtung nach der Erfindung in der Lage, den unterschiedlichsten Objektmustern Rechnung zu tragen, so daß die Vorrichtung als ein flexibles Herstellungssystem (FMS) arbeiten kann.
• (4) Da die Verschiebung der Lage, in der der Suchbereich erzeugt werden kann, läßt sich nicht nur die Prüfung und Erkennung mit hoher Genauigkeit unabhängig von Lageverschiebungen ausführen, sondern es sind auch die Beschränkungen eines Trägersystems, die durch ein Objektmuster verursacht werden, vermindert, was zu einer Herabsetzung der Kosten des Trägersystems führt.

Claims (4)

1. Verfahren zur Ermittlung des Drehwinkels eines Objektmusters, enthaltend die folgenden Schritte:

• a) optisches Abtasten eines Objektmusters mit einem Bildsensor zur Erzeugung eines Sensorsignals;
• b) Binärkodieren des Sensorsignals in Bildelemente;
• c) Berechnen einer Fläche des Objektmusters und einer Mehrzahl von Linearmomenten des Objektmusters aus den Bildelementen;
• d) Berechnen eines Schwerpunktes des Objektmusters aus der Fläche und den Linearmomenten;
• e) Speichern der Fläche, der Linearmomente, des Schwerpunktes und der binärkodierten Bildelemente in einem Speicher;
• f) Berechnen der Verschiebung des Schwerpunktes entsprechend einer Differenz zwischen einem Schwerpunkt eines vorbestimmten Standardbildmusters und des Schwerpunktes des Objektmusters;
• g) Bestimmen eines geeigneten Suchbereiches unter den binärkodierten Bildelementen und Auslesen von Daten entsprechend diesem Suchbereich;
• h) Normieren einer Lage des genannten Suchbereiches; und
• i) Berechnen des Drehwinkels für das Objektmuster auf der Grundlage vorbestimmter mathematischer Formeln und unter Verwendung der gespeicherten Information.

2. Vorrichtung zur Ermittlung des Drehwinkels eines zweidimensionalen Objektmusters, das in binäre Bildinformation umgewandelt ist, enthaltend:
einen Speicher (5) zur Speicherung der Bildinformation;
eine erste Merkmalsextraktionseinrichtung (9) zur Extraktion einer Fläche und eines Trägheitsmomentes des Objektmusters aus der Bildinformation;
eine Schwerpunkteinrichtung (13) zur Ermittlung des Schwerpunktes des Objektmusters aus der Fläche und dem Trägheitsmoment des Objektmusters;
eine Bereichsbildungseinrichtung (13) zur Bildung eines Suchbereiches einer vorbestimmten Gestalt um den Schwerpunkt des genannten Musters; und
eine zweite Merkmalsextraktionseinrichtung (10, 11, 12) zur Extrahierung eines selektiven Anteils der Bildinformation aus der Speichereinrichtung (5), wodurch der Drehwinkel des Objektmusters auf der Grundlage des extrahierten Bereiches unter Verwendung eines Trägheitsmomentenberechnungsverfahrens oder eines Inter-Zwei-Schwerpunkte-Berechnungsverfahrens ermittelt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vorbestimmte Daten gespeichert sind zur Ermittlung, ob der logische Zustand der Bildinformation zu invertieren ist und welches der Berechnungsverfahren bei der Ermittlung des Drehwinkels des Objektmusters zu verwenden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Suchbereich unter Verwendung eines Normierungsverfahrens gebildet wird.