DE3878297T2

DE3878297T2 -

Info

Publication number: DE3878297T2
Application number: DE88200772T
Authority: DE
Inventors: John Stuart Henry Balgownie New South Wales 2519 Lake; Bruce Robert Jamberoo New South Wales 2533 Morrison
Original assignee: John Lysaght Australia Pty Ltd
Current assignee: John Lysaght Australia Pty Ltd
Priority date: 1987-04-22
Filing date: 1988-04-21
Publication date: 1993-08-12
Anticipated expiration: 2008-04-22
Also published as: US5033096A; JPS63298101A; AU597485B2; CA1320548C; EP0289084B2; ATE85702T1; DE3878297D1; EP0289084A3; ES2037198T3; KR880012982A; BR8801911A; EP0289084A2; KR960010674B1; EP0289084B1; AU1512888A; NZ224323A; JPH0799322B2

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft das Bestimmen der Lage eines geradlinigen Merkmals eines Gegenstandes, ohne einen körperlichen Kontakt mit dem Gegenstand herzustellen. Insbesondere betrifft die Erfindung derartige Bestimmungen durch elektro-optische Mittel, die die Lage einer abrupten Änderung in der Helligkeit eines Sichtfeldes bestimmen, das mit dem Merkmal des Gegenstandes zusammenfällt. Das Merkmal kann beispielsweise eine gerade Kante des Gegenstandes sein, die gegen einen kontrastierenden oder unterschiedlich beleuchteten Hintergrund erscheint, oder es kann eine gerade Verbindungslinie zwischen unterschiedlich geneigten oder kontrastierend behandelten oder gefärbten Zonen der Oberfläche des Gegenstandes sein.
Die Bestimmung kann durchgeführt werden, um die Lage des Gegenstandes mit Bezug auf seine Umgebung festzustellen und eventuell zu kontrollieren. Beispielsweise kann der Lauf einer Kante eines Bands, Blattes, einer Bahn, Stange oder eines anderen Gegenstandes, der längs einer kontinuierlichen Fertigungs- oder Behandlungsstraße läuft, oder eines Riemens oder anderen Förderers für einen derartigen Gegenstand durch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung überwacht werden, um den Prozeß zu steuern.
Alternativ dazu können die Positionen zweier oder mehrerer voneinander beabstandeter Merkmale bestimmt werden, um den Abstand zwischen ihnen und damit eine Dimension des Gegenstandes, auf den sie sich beziehen, bestimmen zu können. Beispielsweise können die Kanten von rechtwinkligen Markierungen auf einem Spannungsprüfstück beobachtet und die Abstände zwischen ihnen in Intervallen bestimmt werden, während die Prüfung fortschreitet, um die Materialeigenschaften des Werkstücks bestimmen zu können.
Die Erfindung wird angewendet in der Stahlherstellungsindustrie zur Kantenverfolgung und/oder Messung der Breite von Stahlbändern während der Produktionsvorgänge, wie beispielsweise Walzen. In ähnlicher Weise kann sie angewendet werden in der Papierherstellungsindustrie zur Steuerung von Druck- oder anderen Operationen beim Bewegen von Bahnen oder dergleichen. Die Erfindung hat auch Anwendung auf das Beschneiden von Bändern zur Reduzierung der Bandbreite auf einen genau bekannten Sollwert. Bei diesen Anwendungen ist es notwendig, daß die Lage einer oder beider Kanten eines bewegten Bandes für eine Breitenmessung und/oder für Führungszwecke genau positioniert wird. Die Erfindung ist auch gut geeignet für die berührungslose Dehnungsmessung von Stahl oder anderen Prüfwerkstücken.

Beschreibung des Standes der Technik

Bestimmungen der in Frage kommenden Art sind durchgeführt worden unter Verwendung einer oder mehrerer Videokameras zur Beobachtung des Gegenstandes oder der Gegenstände, gekoppelt mit Verarbeitungsvorrichtungen zum Extrahieren der erforderlichen Information aus dem Videobild oder den Bildsignalen.
Das britische Patent 1,271,990 offenbart einen frühen Vorschlag, bei dem eine Dimension mehr oder weniger direkt aus dem von einer (wahrscheinlich) Vidikonkamera erzeugten Bild abgelesen wird. Dieser frühe Vorschlag läßt die Erzeugung von Ergebnissen mit einer annehmbaren Genauigkeit für die meisten praktischen Zwecke nicht zu.
EP 29,748 und 94,522 und US-Patent 4,499,383 offenbaren kompliziertere Anordnungen unter Verwendung zumindest einer stabileren und zwangsläufig genaueren ladungsgekoppelten Vorrichtung (CCD).
Die zuletzt genannten bekannten Vorschläge verwenden Signale von einer Linienabtastung über den Gegenstand, um eine lineare Anordnung von Werten zu erzeugen, aus denen in diesen Fällen die Positionen der Kanten des Gegenstandes abgeleitet werden.
Da die einzelnen Werte der linearen Anordnung von der Strahlung von gleich beabstandeten Punkten auf der Abtastlinie abgeleitet werden, können sie als Kurve der Strahlungsintensität über dem Abstand aufgetragen werden, d. h. als ein Strahlungsprofil längs der Abtastlinie. Es ist zweckdienlich zur Vereinfachung der Beschreibung der Erfindung und für deren leichteres Verständnis, manchmal eine derartige lineare Anordnung von Werten als eine derartige Kurve oder ein Profil zu behandeln und, wo zweckmäßig, wird nachstehend so darauf Bezug genommen.
Derartige bekannte Techniken erzeugen Informationen über einen einzigen Querschnitt des Gegenstandes und können zu mißverständlichen Ergebnissen führen, wenn der besondere Querschnitt nicht typisch ist, beispielsweise, wenn die Abtastlinie mit einem geringen Kantenfehler oder einer festgestellten Änderung in Strahlungsemissions- oder -reflexionseigenschaften zusammenfällt, die die von der CCD empfangene Eingangsstrahlung und somit die von ihr erzeugten Ausgangssignale beeinträchtigt. Ferner werden die einzelnen Werte der linearen Anordnung (Form des Strahlungsprofils), die von einer Zeilenabtastung abgeleitet werden, beeinträchtigt durch Zufallsfehler in den Signalen von den einzelnen auf Strahlung ansprechenden Elementen der CCD infolge beispielsweise elektrischem Hintergrundrauschen oder Quantenfehlern. Derartige Fehler können sich leicht auf 4 bis 5 Einheiten in Signalen der Größenördnung von 0 bis 256 Einheiten belaufen und können die Endergebnisse ernsthaft verschlechtern.
Ein anderer Nachteil der bekannten Vorschläge ist ihre Abhängigkeit vom Bestimmen des Punktes maximaler Steigung des Strahlungsprofils, um die Lage der abrupten Änderung in der Helligkeit des Sichtfeldes und damit die Lage des entsprechenden Merkmals des Gegenstandes festzustellen. Dies ist nicht nur wegen der damit verbundenen komplexen und damit langsamen Datenverarbeitung ungenügend, sondern in der Praxis auch deshalb, weil sich die maximale Steigung oft ohne merkbare Änderung über eine erhebliche Profillänge erstreckt, was eine präzise Punktbestimmung unmöglich macht. Die EP 29,748 schlägt vor, diese Schwierigkeit dadurch zu überwinden, daß Punkte mit vorbestimmter geringerer Steigung auf jeder Seite des Punktes maximaler Steigung festgestellt werden und daß interpoliert wird, um den nominalen Punkt maximaler Steigung zu finden, aber dies kompliziert und verlangsamt somit die Datenverarbeitung noch mehr, was abträglich ist, wenn aufeinanderfolgende Messungen rasch erforderlich sind für die wirksame kontinuierliche Überwachung, beispielsweise eines sich bewegenden Bandes oder einer sich bewegenden Bahn.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung unter Verwendung einer Kamera mit einem auf Strahlung ansprechenden Sensor von der Art anzugeben, die eine rechtwinklige Festkörperanordnung von strahlungsempfindlichen Elementen aufweist, die in Zeilen und Spalten (nachstehend allgemein als "Reihen" bezeichnet) angeordnet sind und in der Anzahl und Anordnung den Pixeln eines Videobildes entsprechen zum Bestimmen der Lage eines geradlinigen Merkmals eines Gegenstandes, das eine abrupte Änderung in der Helligkeit des Kamerasichtfeldes bewirkt oder darstellt, wodurch die Nachteile des zuvor diskutierten Standes der Technik überwunden oder zumindest verringert werden.
Die Erfindung löst diese Aufgabe vorwiegend durch Schaffen eines Verfahrens, bei dem das Strahlungsprofil, das zur Bestimmung der Lage dient, nicht von Signalen von einer Reihe von Elementen abgeleitet wird, die senkrecht zu dem Merkmal angeordnet ist wie beim Stand der Technik, sondern von den Summen, die sich durch Summieren der Signale von den Elementen jeder einer Vielzahl von zum Merkmal parallelen Elementereihen ergibt. Somit sind die Werte der linearen Anordnung, die das Strahlungsprofil definieren, individuell repräsentativ für eine erhebliche Länge des Merkmals des beobachteten Gegenstandes.
Aus anderer Sicht gesehen kann man sagen, daß die Erfindung unterschiedliche Daten erfaßt und sie verarbeitet, um die Wirkung zu erhalten, die als Breitbandabtastung bezeichnet werden kann, aus der sich erhebliche Vorteile ergeben, während der bekannte Stand der Technik Daten verwendet, die von einer Linienabtastung abgeleitet wurden.
Da die Störfehler in den Signalen von jedem Element der CCD echt zufällig sind, hebt der Summiervorgang diese größtenteils auf, und da jeder Summierwert von einzelnen Signalen abgeleitet wird, die vielen Punkten längs einer Länge des Merkmals entsprechen, haben festgestellte Anormalitäten keine wesentliche Auswirkung auf den Wert.
Bevorzugte Ausführungs formen der Erfindung bringen auch ein einfaches, aber wirksames Verfahren zur Verarbeitung der Summenwerte, um ein abgeleitetes Strahlungsprofil zu definieren und den dem Merkmal des Gegenstandes entsprechenden Punkt festzustellen.
Gemäß einem Gesichtspunkt umfaßt die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der Lage eines geradlinigen Merkmals eines Gegenstandes, das mit einer abrupten Änderung der Intensität einer vom Gegenstand ausgesandten oder reflektierten Strahlung zusammenfällt, unter Verwendung eines auf Strahlung ansprechenden Sensors von der Art, die eine Vielzahl gleichförmig voneinander beabstandeter einzelner Elemente aufweist, die in Reihen in einer rechtwinkligen Anordnung angeordnet sind und jeweils ein Signal erzeugen, das die Strahlungsmenge angibt, die von einem Teil des Sensorsichtfeldes empfangen wurde, entsprechend der Elementposition in der Anordnung, das gekennzeichnet ist durch die Schritte Positionieren des Sensors, um zu gewährleisten, daß sein Sichtfeld eine erhebliche Länge des Merkmals umfaßt, Ausrichten des Sensors derart, daß die Koordinatenachsen der Anordnung entsprechend im wesentlichen parallel oder rechtwinklig zu dem Merkmal sind, Summieren der Signale, die durch eine Vielzahl der Elemente jeder Vielzahl von Reihen erzeugt wurden, die sich in Richtung der parallelen Achse erstrecken, um Summenwerte abzuleiten, Zuordnen der Summenwerte zu Positionen in einer linearen Anordnung entsprechend den Positionen, an denen die entsprechenden Reihen, von denen der Summenwert abgeleitet wurde, die senkrechte Achse schneiden, um ein abgeleitetes Strahlungsprofil wie von einer Breitbandabtastung über das Merkmal zu definieren, und Berechnen der Position des Merkmals in Bezug auf die senkrechte Achse zu der linearen Anordnung.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt umfaßt die Erfindung ein Gerät zur Durchführung des Verfahrens von der Art, die einen auf Strahlung ansprechenden Sensor umfaßt, der eine Vielzahl gleichförmig voneinander beabstandeter einzelner Elemente aufweist, die in Reihen in einer rechtwinkligen Anordnung angeordnet sind und jeweils ein Signal erzeugen, das die Strahlungsmenge angibt, die von einem Teil des Sensorsichtfeldes empfangen wurde, entsprechend der Elementposition in der Anordnung, das gekennzeichnet ist durch Sensorhaltevorrichtungen, die den Sensor derart positionieren, daß eine erhebliche Länge des Merkmals sich in dem Sichtfeld befindet, und die den Sensor derart ausrichten, daß die Koordinatenachsen der Anordnung entsprechend im wesentlichen parallel oder senkrecht zu dem Merkmal sind, eine Bildrahmenerfassungsvorrichtung zum Digitalisieren der erzeugten Signale und zum Erfassen von Bildrahmen derselben und Datenverarbeitungsvorrichtungen zur Verarbeitung der erfaßten und digitalisierten Signale; wobei die Datenverarbeitungsvorrichtungen die Signale summieren, die von einer Vielzahl der Elemente jeder Vielzahl von Reihen abgeleitet wurden, die sich in Richtung der parallelen Achse erstrecken, die Summenwerte Positionen in einer linearen Anordnung zuordnen entsprechend den Positionen, an denen die entsprechenden Reihen, von denen jeder Summenwert abgeleitet wurde, die senkrechte Achse schneiden, um ein abgeleitetes Strahlungsprofil wie von einer Breitbandabtastung über das Merkmal zu definieren, und Berechnen der Position des Merkmals mit Bezug auf die senkrechte Achse von der linearen Anordnung.
Es ist ersichtlich, daß in der vorangegangenen Beschreibung der Erfindung das Endergebnis eine Anzeige der Lage des Merkmals mit Bezug auf eine Koordinatenachse der Sensorelementanordnung ist. Dies entspricht natürlich der Lage des Merkmals, wie es in einem normalen Videobild gesehen würde. Dies rührt daher, daß das Gerät abgeleitete Informationen oder Videobilder behandelt und die Lage eines Punktes eines Videobildes bezüglich des Bildes als ganzes nur direkt anzeigen kann. Wird eine absolute Bestimmung der Lage oder Dimension eines Gegenstands gefordert, dann ist es erforderlich, das Gerät zu eichen durch Bestimmen der angezeigten Positionen der Merkmale eines Prüfgegenstandes mit bekannter Lage und Dimensionen und nachfolgendem Vergleichen der entsprechenden Anzeigen.
Vorzugsweise ist der auf Strahlung ansprechende Sensor tatsächlich eine hochauflösende Videokamera des CCD-Typs. Derartige Festkörperkameras haben verschiedene Vorteile gegenüber üblichen Kameras, die auf Videoröhren basieren. Beispielsweise ist das Ausgangssignal von den einzelnen Elementen direkt proportional zum erfaßten Licht, das Bild wird nicht in die Elemente eingebrannt, und die Positionen der Elemente in der Anordnung sind sehr genau durch den Herstellungsprozeß definiert.
Die einzelnen erfaßten Signale entsprechend jedes Bildrahmens von Videosignalen werden durch die Bildrahmenerfassungsvorrichtung vorzugsweise digitalisiert und in den Speicher eines Rechners übertragen und gespeichert. Diesen Rechner steuernde Softwareroutinen können dann dazu verwendet werden, die Summierungen zu bewirken und die erforderliche Lage des Merkmals festzustellen.
Die Lage des Merkmals wird vorzugsweise dadurch bestimmt, daß zuerst ein näherungsweiser Merkmalslagenalgorithmus verwendet wird und dann eine geradlinige Interpolation zwischen zwei Summenwertpunkten auf dem abgeleiteten Strahlungsprofil einer gleichen Anzahl von Punkten von und auf entgegegesetzten Seiten des Punktes verwendet wird, der dem Mittelwert zweier voneinander entfernter Summenwerte entspricht, die entsprechend ein helles und ein dunkles Plateau auf entgegengesetzten Seiten des Merkmals darstellen.
Vorzugsweise wird die Interpolation durchgeführt zwischen zwei Summenwertpunkten auf entgegengesetzten Seiten und am nähesten zu dem Mittelwertpunkt. Es ist jedoch erkenntlich, daß jede geeignete Interpolationstechnik anwendbar ist. Insbesondere kann es von Vorteil sein, eine Kurve von "bester Passung" für die Summenwerte abzuleiten und diese Kurve anstelle der tatsächlichen aufgetragenen Werte als das abgeleitete Strahlungsprofil zu verwenden.
Zwei Ausführungsformen der Erfindung werden beispielhaft hiernach unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Schemabild, das eine vereinfachte Version des Gerätes zum Feststellen der Lagen der Kanten eines sich bewegenden Bandes zeigt.
Fig.2 ist ein Schemabild, das eine vereinfachte Version eines Gerätes zum Feststellen von Dimensionsänderungen in einem Dehnungsprüfwerkstück während der Prüfung zeigt.
Fig. 3 ist eine Vorderansicht eines Metallblechprüfwerkstücks mit Farbmarkierungen, die aufgebracht sind, um geradlinige Merkmale darauf zu definieren.
Fig. 4 ist eine Darstellung eines Sichtfeldes einer CCD- Kamera sowie des Prüflings der Fig. 3 und zweier abgeleiteter Strahlungsprofile in verhältnismäßig kleinem Maßstab.
Fig. 5 ist eine Kurve in verhältnismäßig großem Maßstab eines abgeleiteten Strahlungsprofils, das sich auf eine Kante eines Merkmals bezieht, anwendbar auf irgendein Merkmal der beiden Ausführungsbeispiele.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird die Erfindung beschrieben unter Anwendung auf ein Bandbreitenmessungs- und Kantenverfolgungssystem für ein Stahlband, das kontinuierlich in einem Walzwerk erzeugt wird.
Das Bandbreitenmessungs- und Kantenverfolgungssystem umfaßt eine Festkörpervideokamera- und Linsenkombination 6, die geeignet bezüglich des Bandes 7 angeordnet und über eine Videoverbindung 8 mit einer Bildrahmenerfassungsvorrichtung 9 verbunden ist, die einen Digitalisierer und einen Bildrahmenspeicher umfaßt. Die Bildrahmenerfassungsvorrichtung 9 ist schnittstellenmäßig mit einem geeigneten Rechner 10 verbunden, der mit einem Terminal oder Monitor 11 in Verbindung steht. Die Element- und Aufbaukriterien des Systems werden nachstehend unter den entsprechenden Überschriften näher erläutert.

1. Kamera

Die bevorzugte Festkörperanordnung-Kamera umfaßt eine zweidimensionale rechtwinklige Anordnung von einzelnen auf Strahlung ansprechenden Elementen, von denen jedes ein Spannungssignal proportional zur einfallenden Lichtstärke abgibt. Die Abtastelemente haben eine gut definierte Empfangsfläche, und es gibt gut definierte tote Streifen oder Spuren, die sie trennen. Die Elementeanordnung ist auf einem monolithischen Substrat gebildet unter Verwendung fotolithografischer Verfahren und bildet ein extrem regelmäßiges und hochstabiles System.
Eine geeignete Kamera ist irgendeine im Handel erhältliche Festkörperanordnung-Kamera mit hoher Lichtempfindlichkeit, hoher Auflösung und vorzugsweise eine mit einer Garantie, daß keine toten Pixel vorhanden sind.

2. Linse

Idealerweise ist die Linse von hoher Qualität, um eine Verzerrung zu minimieren und hat eine lange Brennweite.
Fehler werden bewirkt durch Zylinderverzerrung, eine Bewegung der Bandpassierlinie, Schwenken des Bandes zu einer Kante hin und Abweichung der Kamera-Achse von der Senkrechten zum Band. Alle diese Fehler werden minimiert bei einer Linse mit großer Brennweite. Bei einem Band mit 1 m Breite wird die Zylinderverzerrung unbedeutend, wenn die Kamera mehr als etwa 20 m vom Band weg ist. Dies setzt voraus, daß die Brennweite der Linse 200 mm sein sollte, damit ein Sichtfeld gegeben ist, das im wesentlichen durch das Band eingenommen wird, das aber auch die Bandkanten erheblich überlappt. Linsen mit kürzerer Brennweite können toleriert werden; sie erlauben, daß das System wesentlich näher als 20 m zum Band ist, eine Korrektur der Zylinderverzerrung muß jedoch berechnet werden und die Auswirkungen einer Passierlinienbewegung gewinnt an Bedeutung.

3. Kamera-Ausrichtung bezüglich des Bandes

CCD-Anordnung-Kameras besitzen eine elektronische Hardware, die das von den einzelnen Elementen in der Sensoranordnung gehaltene Bild in einen Strom von Video-Informationen umwandeln. Normalerweise und mit Vorzug folgt dieser Videostrom den in den Fernsehnormen, wie RS-170 (Nordamerika) und CCIR (Australien, Japan und Teile Europeas) niedergelegten Regeln. Die Rate jedoch, mit der die Video-Information erzeugt wird, hängt zu einem geringen Grade von der Temperatur des Kontrolltakts ab (in der Praxis von der Umgebungstemperatur, die die Kamera umgibt). In einer Umgebung etwa eines Stahlwerks, das nicht klimatisiert ist, können Änderungen in der Temperatur eine geringe Änderung in der Rate der Informationserzeugung bewirken und damit eine sichtbare Änderung der Größe eines Objekts in dem Sichtfeld. Der Videostrom sendet Information von der zweidimensionalen orthogonalen Anordnung von Zeilen und Spalten, jeweils eine Zeile zu einem Zeitpunkt. Am Ende jeder Zeile ist ein Synchronisationsimpuls, der als Endzeichen für die alte Zeile und als Beginn für die neue Zeile wirkt. Somit wird der einem einzigen Vollbild entsprechende ganze Informationsrahmen nicht in einem einzigen Block ausgesandt, sondern als eine Serie von verketteten Zeilen. Somit treten Meßfehler aufgrund von Variationen in der Taktgeschwindigkeit nur in Dimensionen auf, die längs einer Zeile liegen und nicht in Dimensionen, die quer zu einer Zeile (d. h. längs einer Spalte) liegen. Hieraus folgt, daß es die Abtast-(Zeilen-)richtung der Kamera ist, die bevorzugt parallel zur Bandkante ausgerichtet ist.

4. Beleuchtung

CCD-Kameras sind lichtempfindlicher als auf Röhren basierende Kameras, und in den meisten Fällen erlauben die Umgebungslichtbedingungen an der Meßstation die Sammlung annehmbarer Bilder. Es kann jedoch spezielle Umstände geben, wo entweder eine zusätzliche Beleuchtung erforderlich ist oder wo einige besondere Vorkehrungen zu treffen sind. Wenn beispielsweise die Änderung in der Umgebungsbeleuchtung zwischen Tageszeit und Nachtzeit sehr groß ist, dann ist entweder eine zusätzliche Beleuchtung erforderlich, oder es ist eine Linse erforderlich, die eine elektronische Apertursteuerung besitzt. Ein anderer Sonderfall ist der, wo ein Teil des Bandes stark beleuchtet sein kann, während andere Teile im Schatten sind. Eine starke lokale Beleuchtung über die gesamte Bandbreite, möglicherweise zusammen mit Schirmen gegen die ungleichmäßige Beleuchtungsguelle sind erforderlich, um den korrekten Betrieb der Vorrichtung zu gewährleisten.
Ist das Band heißer als 500ºC, dann kann die Wärmestrahlung von der Bandoberfläche die Notwendigkeit für irgendeine externe Beleuchtung erübrigen. Es kann erforderlich sein, die Kamera mit einem Infrarotfilter zu versehen, um ein übermäßiges Verschwimmen des Bandbildes zu vermeiden.

5. Bildbelichtung

Videokameras, ob basierend auf Röhren oder Festkörperanordnungen, unterliegen dem Phänomen, das "Flattern" genannt wird. Das Symptom dieses Phänomens ist, daß bei Vergrößern der Bildhelligkeit die auftretende Größe heller Objekte in dem Sichtfeld erhöht wird. Qualitative Tests mit der NEC TI-22C CCD-Anordnung-Kamera haben gezeigt, daß bei niedrigen Belichtungswerten das Flattern unwichtig ist. Ist somit die Helligkeit des Bandbildes variabel, dann ist es ratsam zu gewährleisten, daß das Bild eine niedrige Belichtung besitzt. Wenn beispielsweise das System digitalisierte Bilder bis zu 256 Graupegel erzeugt, dann kann es notwendig sein zu gewährleisten, daß das hellste Objekt in dem Sichtfeld einen Graupegel von beispielsweise 50 oder weniger hat.

6. Bildverarbeitungssystem

Im Prinzip kann jede einer großen Anzahl von im Handel erhältlichen Bildverarbeitungsvorrichtungen dazu verwendet werden, die von der Kamera erzeugte Information zu sammeln, zu speichern und zu analysieren. Die wesentlichen Erfordernisse sind die Fähigkeit, die Video-Information genügend rasch zu sammeln, damit die räumliche Auflösung der Kamera nicht beeinträchtigt wird und die Information in einem großen Bereich von Zahlen zu digitalisieren, die die Helligkeit oder den Graupegel darstellen. Der bei dem bevorzugten System verwendete Digitalisierer wird von Datacube hergestellt und ist als "Digimax" bekannt. Dieser Digitalisierer arbeitet bei 10 MHz und erzeugt Daten mit 256 Graupegeln. Dies bedeutet, daß die Signale von den einzelnen Elementen in 256 Pegeln digitalisiert werden, von denen jeder einen Grauwert darstellt. Digimax akzeptiert entweder RS-170- oder CCIR-Signale. Systeme, die bei Frequenzen unterhalb etwa 7 MHz arbeiten, sind nicht in der Lage, RS-170- oder CCIR-Signale zu akzeptieren. Einige bekannte Systeme erzeugen Daten mit weniger als 256 Graupegeln. Derartige Systeme können im Gerät der Erfindung verwendet werden, aber sie ergeben keine Messungen, die so genau sind wie diejenigen, die durch den Datacube- Digitalisierer oder andere vergleichbare Digitalisierer geboten werden.
Die Informationen von dem Digitalisierer werden in einem zugeordneten Speicherbereich von dem Speicher gespeichert, der Bildrahmenspeicher genannt wird. Es ist häufig der Fall, daß der Digitalisierer und der Bildrahmenspeicher durch einen internen oder zugeordneten Bus (Hochgeschwindigkeitskommunikationsverbindung) verbunden sind, der getrennt von dem Hauptrechnerbus ist. In diesem Falle ist der Bildrahmenspeicher bekannt als ein Dualanschluß-RAM (Speicher mit wahlfreiem Zugriff). Dualanschlußbildrahmenspeicher bieten eine höhere Gesamtsystemgeschwindigkeit und sind in denjenigen Fällen vorzuziehen, wo die Frequenz der Breiten- und Kantenpositionsbestimmung des Bandes rasch sein muß.
Der Rechner 10, der auf die Information in dem Bildrahmenspeicher zugreift, kann irgendein geeigneter Allzweckrechner sein, aber im Interesse der Geschwindigkeit und der einfachen Anwendung sollte der Rechner eine hohe Taktgeschwindigkeit, einen leistungskräftigen Befehlssatz und einen linearen Adressenraum besitzen, der groß genug ist, um einen direkten Zugriff auf den gesamten Bildrahmenspeicher (typischerweise 256 kBytes) zusammen mit dem Hauptsystemspeicher zu ermöglichen. Rechner, die auf sogenannten 8-Bit-Prozessoren basieren, sind somit nicht geeignet. Das bevorzugte System verwendet einen Motorola- Einkartenrechner basierend auf einer MC68000-Zentralverarbeitungseinheit, die in der Lage ist, bis zu 16 MBytes zu adressieren. Für einen guten Fachmann wäre es natürlich nicht schwierig, einen Spezialzweckrechner zu entwerfen und zu bauen, der für die Aufgabe der Breitenmessung und Kantenverfolgung optimiert ist.

7. Videoverbindung

Speziell konstruierte bekannte Koaxialkabel können Video-Informationen über sehr lange Entfernungen (vielleicht 100 m) übertragen. Eine Leistung in dieser Größenordnung ist des öfteren in Fabrikinstallationen erforderlich, insbesondere dann, wenn die Kamera an der Dachstruktur des Gebäudes angebracht ist.

8. Anzeige

Die Anzeigeeinheit 11 kann ein Terminal sein, das sowohl einen Schirm zur Anzeige von Information als auch ein Tastenfeld zum Aussenden von Information besitzt und mit dem Rechner 10 über eine serielle Verbindung (RS-232, RS-422 oder Stromschleife) kommuniziert. Alternativ dazu kann die Anzeigeeinheit ein Monitor sein, der mit den Bildverarbeitungselementen (statt mit dem Allzweckrechner) über eine zweite Videoverbindung gekoppelt ist.

9. Arbeitsweise

Erfindungsgemäß wird ein Bild des Bandes auf der Sensoranordnung erzeugt, von der Kamera als Videosignal ausgesandt und dann in ein Digitalsignal umgewandelt, das in dem Rechner gespeichert wird. Gewöhnlich haben das Band und der Hintergrund einen ausreichenden Kontrast, um entsprechende helle und dunkle Signale zu erzeugen, aber wenn das nicht so ist, kann ein dunkler Hintergrund an der Kameraposition angebracht werden oder die Beleuchtung des Bandes wird so eingestellt, daß der erforderliche Kontrast erzeugt wird. Jedes gespeicherte Signal entspricht einem der einzelnen Elemente in der Sensoranordnung. Die folgenden Vorgänge werden dann durch Softwareroutinen durchgeführt.
Zuerst werden die Daten in eine geeignet dimensionierte Anordnung im Rechnerspeicher übertragen, deren Reihen (Zeilen und Spalten) denjenigen der Sensorelemente und des von der Kamera erfaßten Ursprungsbildes entsprechen. Jedes Element in der Anordnung ist eine ganze Zahl zwischen 0 und 255 und entspricht der Lichtmenge, die von dem entsprechenden Sensorelement erfaßt wird. Das Summieren aller horizontalen Zeilen (Signale, die abgeleitet werden von den Reihen von Sensorelementen parallel zur Achse der Sensoranordnung, die parallel zu den Bandkanten verläuft) erzeugt eine lineare Anordnung von Summenwerten, in denen die Werte Positionen zugeordnet sind, die den Positionen längs der senkrechten Achse der CCD-Anordnung von Sensorelementen der Zeilen von Elementen entsprechen, von denen diese Werte abgeleitet wurden. Somit können die Positionen der Summenwerte in der linearen Anordnung direkt in Bezug gesetzt werden zu Positionen auf der senkrechten Achse der Sensorelementanordnung. Somit definiert die lineare Anordnung ein abgeleitetes "Breitbandabtastungs"- Strahlungsprofil.
Ein angenäherter Positionsalgorithmus erkennt die Kanten des Bandes des Strahlungsprofils, das in verhältnismäßig kleinem Maßstab abgeleitet wurde und gibt die Kantenpositionen an einen genauen Positionsalgorithmus weiter. Weitere Grauwertsummen werden wiederum berechnet, diesmal aus Signalen, die in Bezug gesetzt werden können zu beschränkten Bereichen, die eng die beiden Kanten des Bandes 7 bedecken, um weitere lineare Anordnungen von Summierwerten zu erzeugen, die Strahlungsprofile definieren, die in großem Maßstab abgeleitet wurden und relevant für die entsprechenden Kanten des Bandes 7 sind. Ein derartiges Großmaßstabsprofil ist in Fig. 5 veranschaulicht. Die geradlinige Interpolation zwischen den zwei aufgetragenen Punkten C und D auf jeder Seite des Mittelwertes (hälftig zwischen den Werten A und B des dunklen bzw. hellen Plateaus) gibt die genaue Position der Kante mit Bezug auf die senkrechte Achse der Kamera- Anordnung an. Aus den Kantenpositionen kann die Bandbreite mit Fehlern berechnet werden, die viel geringer sind als der Abstand zwischen den ursprünglichen Pixeln. Die tatsächliche Position der Bandkante bezüglich eines Bezugspunkts kann ebenfalls berechnet werden.
Der Schritt der Erzeugung einer eindimensionalen Summenwertanordnung oder eines abgeleiteten Strahlungsprofils durch Summieren beinhaltet eine enorme Verdichtung der Videodaten (von etwa 256.000 Datenpunkten auf nur 512 Datenpunkte). Diese Verdichtung ist sehr zeitaufwendig und würde eine Sekunde dauern, wenn eine optimierte Assemblerroutine bei dem bevorzugten Bildverarbeitungssystem eingesetzt wird. Sind Breitenmessungs- und Kantenverfolgungsdaten öfter erforderlich, dann können die Daten von einem vorhergehenden Satz von Messungen verwendet werden, um die angenäherte Lage der Kanten für den nächsten Satz von Messungen vorherzusagen. Somit braucht nur ein geringer Bruchteil der anfänglichen 256.000 Datenpunkte berücksichtigt werden, wodurch die Notwendigkeit entfällt, die Werte eines anfänglichen Strahlungsprofils mit kleinem Maßstab zu bestimmen.
Es ist sogar möglich, die Anzahl von verarbeiteten Signalen auf diejenigen von nur vier Reihen von Sensorelementen für jede Kante zu reduzieren. Nämlich (gemäß Fig. 5), eine einzige Reihe, die Strahlung weit entfernt von dem Kantenbereich empfängt, um einen dunklen Bezugswert A zu erzeugen; eine komplementäre Reihe, um einen hellen Bezugswert B zu erzeugen; und zwei Reihen zum Erzeugen von Signalen zum Summieren zu Werten C und D auf jeder Seite des durchschnittlichen Intensitätspegels, um das lokale Strahlungsprofil an der Kante selbst zu erzeugen.
Ob die Gesamtzahl von summierten Signalen auf diejenige von etwa 8 Reihen oder auf irgendeine Zahl von Reihen zwischen 8 und 512 reduziert wird, das Ergebnis ist die Reduzierung der Anzahl von Summiervorgängen, die durchzuführen sind und damit eine Reduzierung der für die Summierung erforderlichen Zeit. Somit kann die für die Kanten- und Breitenberechnungen erforderliche Zeit auf viel weniger als eine Sekunde reduziert werden. Werden jedoch CCIR- oder RS-170-Videoformate verwendet, dann ist eine minimale Zeit von 20 ms (CCIR) oder 16,7 ms (RS-170) (was die Halbbilderneuerungsperiode ist) erforderlich, um einen neuen Satz von Videodaten zu erhalten.

10. Eichung

Die Eichung des Gerätes kann erreicht werden mit Hilfe eines speziellen Prüflings, der in der Ebene der Bandpassierlinie gehalten wird. Eine mögliche Ausführungsform für den Prüfling ist ein Blatt, das mit abwechselnden hellen und dunklen Bändern versehen ist. Im Einsatz werden die Bänder annähernd parallel zur Bandwalzrichtung liegen. Bevorzugt sollten die Bänder dieselbe Breite besitzen, oder alle Lichtbänder sollten eine Breite und alle dunklen Bänder eine andere Breite haben. Die Mittenpositionen der dunklen Bänder können unter Verwendung der Erfindung gemessen werden durch Mittelwertbildung der zwei dunklen Bandkantenpositionen. Messungen dieser Art sind immun gegen Flattern. Die festgestellten Abstände zwischen den Mitten der dunklen Bänder können verwendet werden zur Erzeugung von Eichungskonstanten über das Sichtfeld der Kamera, und können damit verwendet werden für eine absolute Eichung des Instruments und für eine Korrektur der Zylinderverzerrung und anderer Verzerrungen, wie sie durch die Linse erzeugt werden.

11. Anwendungen

Eine Anwendung eines Breitenmessungs- und Kantenverfolgungssystems gemäß der Erfindung ist in einer kontinuierlichen Fertigungsstraße, wo die Kanten des Bandes beschnitten werden, um die gesamte Bandbreite auf einen genau bekannten Sollwert zu reduzieren. Wenn die Kanten des Bandes verfolgt werden können und wenn die Straße eine annehmbare Steuerung der Bandverfolgung besitzt, dann erlaubt die Erfindung, daß die gewünschte Breite durch Beschneiden nur einer Kante erzeugt wird.
Bei einem Vorgang, bei dem eine oder beide Kanten eines Bandes beschnitten werden, kann das Sichtfeld das Band vor dem Beschneiden, den Abfall und das Band nach dem Beschneiden umfassen. Eine geeignete Software kann es ermöglichen, daß die Bandbreite und die Kanten von der gleichen Kamera, Bildrahmenerfassungsvorrichtung und dem gleichen Datenprozessor gleichzeitig gemessen werden, sowohl vor als auch nach dem Beschneiden. Eine derartige Modifikation ermöglicht eine positivere Steuerung des gesamten Vorgangs.
Bei einer anderen Anwendung können die Breiten der einzelnen, durch eine Streifenschneidvorrichtung erzeugten Streifen gemessen werden.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung auf eine berührungslose Dehnungsmessung, d. h. die Bestimmung der Änderungen in Länge und Breite eines Prüflings während der Prüfung, wird nun bezüglich der Prüfung eines Stahlblechprüflings unter Bezugnahme auf die Fig. 2, 3, 4 und 5 beschrieben.
In diesem Falle zeigt das erfindungsgemäße Gerät nicht nur die Dimensionen des Prüflings an, sondern überträgt auch diese Information auf einen zweiten Rechner, der den Betrieb der Prüfmaschine selbst steuert.
Das Gerät gemäß Fig. 2 umfaßt eine Dehnungsprüfmaschine 12 mit einem starren Rahmen 13, der eine ortsfeste Klammer 14 abstützt, die ein Ende eines Prüflings 15 ergreift und eine abwärts bewegbare Klammer 16, die das entgegengesetzte Ende des Prüflings ergreift. Im Einsatz bewegt sich die Klammer 16, um den Prüfling 15 zu strecken und schließlich zu zerreißen. Die Maschine 12 ist im wesentlichen von üblicher Bauart und erfordert hier keine weitere Beschreibung. Erfindungsgemäß ist jedoch eine CCD-Kamera 17 vorzugsweise innerhalb eines Schutzgehäuses an dem Rahmen 13 in einer Position angebracht, wo sie auf den Prüfling 15 fokussiert werden kann. Auch ist ein kontrastierender Schirm 18 hinter dem Prüfling angebracht, um die Definition der aufrechten Kanten des Prüflings für die Kamera zu verbessern und einen konstanten gleichförmigen Hintergrund für den Prüfling zu bilden.
Die Prüfmaschine 12 belastet den Prüfling 15 mit einer konstanten Rate, während die Belastung aufgezeichnet wird, und das erfindungsgemäße Gerät bestimmt die Dimensionen des Meßbereichs des Prüflings. Jeder Test benötigt normalerweise etwa drei Minuten, und im Idealfall werden die Belastung und die Dimensionen für jede Bildrahmenperiode (40 ms, CCIR) aufgezeichnet. Das übliche Verfahren zum Messen von Meß- oder Eichdimensionen (mittlere Meßlänge und -breite gemäß Fig. 3) umfaßt das Anbringen von kontaktierenden Längen- und Breitendehnungsmessern am Prüfling. Unglücklicherweise erfordert das zulässige Anbringen von Berührungsdehnungsmessern einen geschickten Bediener, so daß in der Praxis die meisten Prüfungen ohne die Verwendung von Dehnungsmessern durchgeführt werden. Die Bewegung der bewegbaren Klammer der Prüfmaschine ist natürlich bekannt, und diese Bewegung, in Verbindung mit einem Modell, wie sich ein typischer Prüfling deformiert, kann dazu verwendet werden, eine brauchbar genaue Schätzung der tatsächlichen Meßlänge zu erstellen.
Solche Routineprüfungen geben jedoch keine Information über die Änderung in der Meßbreite. Ein wichtiger Parameter von Stahl, nämlich das plastische Beanspruchungsverhältnis bzw. der r-Wert kann nur dann bestimmt werden, wenn sowohl die Meßlänge als auch die Meßbreite gemessen werden. Die Erfindung ermöglicht es, daß diese Meßwerte sehr einfach erhalten werden. Weiterhin benötigt das erfindungsgemäße Verfahren keine hohe Geschicklichkeit des Bedieners, und es ist somit geeignet für Routineprüfungen.
Es gibt drei Aspekte oder Bereiche, die bei einer Zugbeanspruchungskurve von Interesse sind: die Streck- oder Prüfspannung, der Bereich gleichmäßiger Beanspruchung und die Gesamtdehnung beim Bruch. Die Messung der Prüfspannung hängt davon ab, ob die Datenpunkte rasch genug gesammelt werden können, um die Steigung des elastischen Bereichs der Kurve zu erstellen. Bei einer üblichen Beanspruchungsrate von z. B. etwa 3,0 x 10&supmin;³ s&supmin;¹ sollten Längenmessungen zumindest alle 60 ms mit einer Reproduzierbarkeit von 0,01 % gesammelt werden. In dem gleichförmigen Dehnungsbereich sind sowohl die Länge als auch die Breite des zentralen Meßbereichs alle 1,0 s oder dergleichen erforderlich, um den r-Wert zu bestimmen. Das Brechen des Prüflings tritt gewöhnlich durch Einschnürung auf, und der eingeschnürte Bereich muß in der Meßlänge liegen, die zur Bestimmung der Gesamtverlängerung verwendet wird. Da die Einschnürung sehr nahe an den Schultern des Prüflings (Fig. 3) liegen kann, sind zwei zusätzliche Meßlängen erforderlich, um diese Bereiche abzudecken. Die Gesamtverlängerung wird berechnet aus derjenigen Meßlänge, die sich beim Bruch am meisten ausgedehnt hat.
So ist das Gerät vorzugsweise in der Lage, die drei Meßlängen und die zentrale Meßbreite alle 40 ms mit einer Genauigkeit von 0,01 % zu messen. Obgleich dieses Erfordernis strenger ist als die Minimalanforderung für jeden der interessierenden Bereiche, hat dies den Vorteil, daß nur ein Algorithmus erforderlich ist, um es zu erfüllen und daß Modifikationen an üblichen automatisierten Dehnungsprüfprogrammen minimal sind.
Die CCD-Kamera 17 kann die gleiche sein wie bei dem ersten beschriebenen Ausführungsbeispiel, mit Ausnahme einer geeigneten Wahl einer Linse, die zu dem Abstand zwischen der Kamera und dem Prüfling paßt.
Videodaten von der Kamera 17 werden zu einem Bildprozessor 19 übertragen, der eine Bildrahmenerfassungsvorrichtung und einen Datenprozessor wie bei dem zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel umfaßt, einschließlich eines Echtzeit- Bilddigitalisierers, der vier 256 kByte Bildrahmenspeicher aufweist und Signale mit 256 Graupegeln erzeugt. Die Verarbeitung kann durchgeführt werden durch zwei Einzelkartenrechner mit 8 MHz-68000 CPUs. Zwei Rechner sind erforderlich, die sich die Berechnungen teilen, um die Beendigung innerhalb z. B. 20 ms zu ermöglichen und die Kommunikation mit einem automatisierten Spannungsprüfrechner 20 durchzuführen.
Der Rechner 20 empfängt die bestimmten Längenmeßwerte von dem Bildprozessor 19 und steuert Hilfsgeräte, die diese ausdruckt oder aufträgt, wie es erforderlich ist.
Er wandelt auch die digitalen Werte zurück in analoge Signale für die Übertragung zur Hardware für die Funktionssteuerung der Prüfmaschine 12.
Die Geometrie des Prüflings (Fig. 3) ist sehr einfach, wobei die Prüflingskanten nahezu ausgerichtet sind mit den Koordinaten der Sensoranordnung, d. h. mit den Pixelachsen. Der Prüfling wird mit genau beabstandeten, quer verlaufenden Farb- oder anderen Linien 21 versehen, deren Zentren der Meßlänge entsprechen und deren Kanten die Quer- "Merkmale" definieren, deren Position bestimmt wird. Die Position jeder Kante jeder Linie 21 wird bestimmt, und die Zwischenposition in der Mitte zwischen ihnen wird dann als Endresultat berechnet. Dieses Verfahren erhöht die statistische Genauigkeit der Bestimmung. Der Prüfling kann entweder hell (mit einem dunklen Hintergrund und dunklen Linien) oder dunkel (mit einem hellen Hintergrund und hellen Linien) sein.
Eine Einleitungsprozedur gewährleistet, daß der Hintergrund gleichförmig ist, daß das Bild weder unterbelichtet noch überbelichtet ist, daß ein ausreichender Kontrast zwischen dem Prüfling und dem Hintergrund vorhanden ist, daß der Prüfling korrekt positioniert ist und daß der Linienabstand und die Breite des Prüflings korrekt sind. Diese exakt definierten Anfangsbedingungen ermöglichen einfache und rasche Längen- und Breitenmessungsalgorithmen.
Werden die Grauwerte der Signale von den Sensorelementen in jeder Zeile der CCD-Anordnung summiert und die Summenwerte als die Elemente einer eindimensionalen Anordnung (ein Wert für jede Zeile, wie beim ersten Ausführungsbeispiel und durch das Kleinmaßstabstrahlungsprofil in Fig. 4 rechts angegeben) gespeichert, dann geht trotz der enormen Verdichtung der Daten keine Information über die vertikale Position der Farbmarkierungen verloren. Eine gleiche Aussage gilt für die Summierung der Spalten.
Ein vergrößertes Strahlungsprofil über einem Merkmalbereich (d. h. einer Kante des Prüflings oder einer Kante einer der Markierungen darauf), aufgetragen von der linearen Anordnung der Summen der Grauwerte der entsprechenden Reihen von CCD- Elementen, ist im wesentlichen das gleiche wie das in Fig. 5 in Bezug auf das erste beschriebene Ausführungsbeispiel, und die Position des Merkmals kann in der gleichen Weise wie zuvor bestimmt werden. Tatsächlich ist die einfache Zwei-Punkt- Interpolation besonders geeignet für die berührungslose Dehnungsmessung. Eine Fehlausrichtung zwischen den CCD- Anordnung-Koordinatenachsen und den Merkmalen des Prüflings resultiert in einem Verschwimmen der Anzeigen der Kanten in den Summieranordnungen. Vorausgesetzt, daß die Fehlausrichtung ein Verschmieren nur einiger weniger Pixel erzeugt, ergibt sich kein Verlust an Meßgenauigkeit, sondern der zentrale Abschnitt des Strahlungsprofils wird am besten mittels einer Geraden angepaßt. Da dieser Abschnitt einen gleichförmigen Gradienten besitzt, würde ein Kantenfeststellalgorithmus, der nach einem Punkt eines maximalen Gradienten sucht, für eine Kantenmessung nicht so genau sein.
Wenn man bewirkt, wie zuvor erwähnt, daß das System die Ergebnisse des letzten Satzes von Merkmalsmessungen erinnert, und annimmt, daß die Merkmale sich zwischen Messungen nicht weit bewegen, so erlaubt dies eine noch weitere Verdichtung der Daten. Fig. 4 zeigt durch punktierte Linien schmale Bereiche um die Merkmalskanten, für die die positionen periodisch zu bestimmen sind. In einer genormten Prüfsituation können die anfänglichen Summiervorgänge einfach beschränkt werden auf Signale aus diesen schmalen Bereichen und Ignorieren der Tatsache, daß der Rest alle brauchbare Information enthält, während der überwiegende Großteil der Videodaten fallengelassen wird.
Wie bei dem zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine noch weitere Verdichtung möglich, da die einzigen Grauwertsummierungspunkte, die tatsächlich erforderlich sind, ein heller Bezugswert, ein dunkler Bezugswert und die zwei Punkte des Strahlungsprofils unmittelbar zu beiden Seiten des Mittelwertes sind.
Wie zuvor erwähnt, sind die Reihen von Sensorelementen in der Festkörperanordnung einer CCD-Vorrichtung durch tote Bänder getrennt, d. h. daß die Bänder nicht strahlungsempfindlich sind. Wie bisher beschrieben, läßt die Erfindung die Möglichkeit zu, daß das Bild des Merkmals direkt auf und längs eines toten Bandes fällt. Sollte dies geschehen, dann sind die Reihen von Elementen, die unmittelbar benachbart zu dem toten Band liegen, unbestimmt in der Hinsicht, daß keines durch Änderungen in der Position des Bildes beeinflußt wird, vorausgesetzt, daß es als ganzes innerhalb des toten Bandes bleibt. Dies reduziert die Genauigkeit einer endgültigen Bestimmung, obgleich bei vielen Anwendungen nicht auf einen untragbaren Wert. In einigen Fällen jedoch, wo höchste Genauigkeit erforderlich ist, kann das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt modifiziert oder verfeinert werden.
Der auf Strahlung ansprechende Sensor kann derart defokussiert werden, daß das auf die Festkörperanordnung von Elementen fallende Bild über etwa einen Elementenabstand verschwommen gemacht wird.
Alternativ dazu oder genauso kann die Ausrichtung der Anordnung absichtlich derart eingestellt werden, daß ihre Koordinatenachsen im wesentlichen, jedoch nicht genau, parallel oder senkrecht sind, z. B. zu dem Merkmal des Gegenstandes, wobei typischerweise das Bild des Merkmals über vier bis zehn, vorzugsweise z. B. fünf oder sechs Reihen von Sensorelementen mit der Länge von z. B. 200 Elementen schräg verlaufen kann und das Merkmal kann so behandelt werden, als wäre es in Segmente aufgebrochen. Dies wird erreicht durch Behandeln der zum Merkmal im wesentlichen parallelen Reihen von Sensorelementen als entsprechend aufgebrochen und Erzeugen von Summenwerten bezüglich jedes Segments. Eine Positionsanzeige, d. h. ein Positionswert auf der senkrechten Achse wird dann für jedes Segment des Merkmals mittels des bereits beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten, und ein arithmetischer Mittelwert dieser Segmentpositionswerte wird als die Position des Merkmals selbst angenommen.
Beim Bestimmen jeder Segmentposition wird eine Interpolation (oder Extrapolation) mit Bezug auf einen Mittelwert durchgeführt, der gleich dem Mittelwert des hellen und dunklen Plateauwertes ist, multipliziert mit der Anzahl von Sensorelementen in dem Segment und dividiert durch die Gesamtzahl von Elementen in jeder Reihe, und der Mittelwert der Segmentpositionen wird als ein gewichteter Mittelwert berechnet, mit einem größeren Gewicht auf längeren Segmenten, wenn die Segmentlängen nicht alle gleich sind.
Wenn beispielsweise in einer bestimmten CCD-Vorrichtung jede Reihe 105 Sensorelemente umfaßt, können die Segmentsummen berechnet werden für neun Segmente mit einer jeweiligen Länge von zehn Elementen und ein zehntes Segment, das fünfzehn Elemente lang ist. Segmentpositionswerte (P&sub1;, P&sub2;... P&sub1;&sub0;) für entsprechende Paare von Zehn-Element-Segmenten würden bestimmt mit Bezug auf einen Mittelwert von 10/105 des Gesamtwertes und eine Position für das zehnte Segmentelement mit Bezug auf einen Mittelwert von 15/105 des Gesamtwerts. Die Position der Merkmalskante auf der senkrechten Achse wird dann berechnet als (10P&sub1; + 10P&sub2; + ... + 15P&sub1;&sub0;)/105.

Claims

1. Ein Verfahren zum Bestimmen der Lage eines geradlinigen Merkmals eines Gegenstandes, das mit einer abrupten Änderung der Intensität einer vom Gegenstand ausgesandten oder reflektierten Strahlung zusammenfällt, unter Verwendung eines auf Strahlung ansprechenden Sensors von der Art, die eine Vielzahl gleichförmig voneinander beabstandeter einzelner Elemente aufweist, die in Reihen in einer rechtwinkligen Anordnung angeordnet sind, und jeweils ein Signal erzeugen, das die Strahlungsmenge angibt, die von einem Teil des Sensorsichtfeldes empfangen wurde, entsprechend der Elementposition in der Anordnung, gekennzeichnet durch die Schritte Positionieren des Sensors, um zu gewährleisten, daß sein Sichtfeld eine erhebliche Länge des Merkmals umfaßt, Ausrichten des Sensors derart, daß die Koordinatenachsen der Anordnung entsprechend im wesentlichen parallel oder rechtwinklig zu dem Merkmal sind, Summieren der Signale, die durch eine Vielzahl der Elemente jeder Vielzahl von Reihen erzeugt wurden, die sich in Richtung der parallelen Achse erstrecken, um Summenwerte abzuleiten, Zuordnen der Summenwerte zu Positionen in einer linearen Anordnung entsprechend den Positionen, an denen die entsprechenden Reihen, von denen der Summenwert abgeleitet wurde, die senkrechte Achse schneiden, um ein abgeleitetes Strahlungsprofil wie von einer Breitbandabtastung über das Merkmal zu definieren, und Berechnen der Position des Merkmals in Bezug auf die senkrechte Achse zu der linearen Anordnung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß eine angenäherte Anzeige der Position des Merkmals zuerst von einer linearen Anordnung erhalten wird, abgeleitet von einer erheblichen Anzahl von Reihen, und danach die erforderliche Anzeige von einer linearen Anordnung erhalten wird, abgeleitet von einer geringeren Anzahl von Reihen, die Strahlung von der angenäherten Position des Merkmals empfangen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die erforderliche Anzeige abgeleitet wird mit Teilreihenabstandsgenauigkeit unter Bestimmen des Mittelwertes zweier Summenwerte, die jeweils ein hoher und ein niedriger Wert sind, die von Reihen abgeleitet wurden, die Strahlung von einem hellen und einem dunklen Plateau an entgegengesetzten Seiten des Merkmals empfangen, und danach Bestimmen der Position des Gleichheitspunktes auf dem abgeleiteten Strahlungsprofil mit einem Wert gleich dem Mittelwert.

4. Verfahren nach Anspruch 3, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichheitspunkt auf dem abgeleiteten Strahlungsprofil bestimmt wird durch die geradlinige Interpolation des Mittelwertes zwischen den zwei Summenwerten in der linearen Anordnung, die dem Mittelwert am nächsten sind und auf der jeweils entgegengesetzten Seite desselben liegen.

5. Verfahren nach Anspruch 3, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichheitspunkt auf dem abgeleiteten Strahlungsprofil bestimmt wird durch Schneiden des Mittelwertpegels mit der Linie mit bester Anpassung bezüglich einer Vielzahl unmittelbar benachbarter Summenwerte größer als der Mittelwert und einer Vielzahl unmittelbar benachbarter Summenwerte geringer als der Mittelwert.

6. Verfahren nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch den Schritt Kalibrieren der linearen Anordnung unter Aufzeichnen der Positionsanzeige der Merkmale eines Testgegenstandes von bekannter Position und Dimensionen.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner gekennzeichnet durch den Schritt Speichern der Information bezüglich der Position des Merkmals in einem Speicher.

8. Verfahren nach Anspruch 7, ferner gekennzeichnet durch die Schritte Aufrufen der gespeicherten Information aus dem Speicher und Beschränken der Verarbeitung auf Signale von Sensorelementen, die Strahlung von oder nahe der zuvor angezeigten Position des Merkmals empfangen.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, daß das Merkmal eine Kante eines länglichen Gegenstandes ist, der längs einer Verarbeitungsstraße bewegt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, ferner gekennzeichnet durch den Schritt Kontrollieren des Betriebs der Verarbeitungsstraße unter Ansprechen auf Änderungen in der angezeigten Position der Kante.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die entsprechenden Positionen von zwei oder mehreren parallelen oder zueinander senkrechten Merkmalen des Gegenstandes gleichzeitig bestimmt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Gegenstand ein Spannungsprüfmuster ist und die entsprechenden Merkmale Kanten oder Markierungen sind, die eine Meßlänge desselben definieren.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand genügend heiß ist, um Strahlung abzugeben und der Sensor auf diese Strahlung anspricht.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner gekennzeichnet durch den Schritt Beleuchten des Gegenstandes gegen einen kontrastierenden Hintergrund.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner gekennzeichnet durch den Schritt Vorbehandeln des Gegenstandes, damit dieser kontrastierende Strahlungsreflexionseigenschaften auf entgegengesetzten Seiten des Merkmals aufweist.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichet, daß eine Vielzahl von Positionswerten auf der senkrechten Achse bestimmt wird, von denen jeder einem Segment des Merkmals entspricht, und die Position des Merkmals bestimmt wird als der längengewichtete Durchschnitt der Segmentpositionswerte.

17. Verfahren nach Anspruch 16, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Anordnung derart gelegt werden, daß sie nicht genau parallel zu dem Merkmal sind.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Bild des Merkmals schräg über vier bis zehn Reihen der im wesentlichen parallelen Elementereihen verläuft.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor auf den Gegenstand nicht scharf fokussiert ist.

20. Verfahren nach Anspruch 19, ferner dadurch gekennzeichnet, daß das Bild des Merkmals über im wesentlichen einen Elementenabstand unscharf ist.

21. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 von der Art, die einen auf Strahlung ansprechenden Sensor (6) (17) umfaßt, der eine Vielzahl gleichförmig voneinander beabstandeter einzelner Elemente aufweist, die in Reihen in einer rechtwinkligen Anordnung angeordnet sind und jeweils ein Signal erzeugen, das die Strahlungsmenge angibt, die von einem Teil des Sensorsichtfeldes empfangen wurde, entsprechend der Elementposition in der Anordnung, gekennzeichnet durch Sensorhaltevorrichtungen, die den Sensor derart positionieren, daß eine erhebliche Länge des Merkmals sich in dem Sichtfeld befindet, und die den Sensor derart ausrichten, daß die Koordinatenachsen der Anordnung entsprechend im wesentlichen parallel oder senkrecht zu dem Merkmal sind, eine Bildrahmenerfassungsvorrichtung (9) (19) zum Digitalisieren der erzeugten Signale und zum Erfassen von Bildrahmen derselben und Datenverarbeitungsvorrichtungen (10) (20) zur Verarbeitung der erfaßten und digitalisierten Signale; wobei die Datenverarbeitungsvorrichtungen die Signale summieren, die von einer Vielzahl der Elemente jeder Vielzahl von Reihen abgeleitet wurden, die sich in Richtung der parallelen Achse erstrecken, die Summenwerte Positionen in einer linearen Anordnung zuordnen entsprechend den Positionen, an denen die entsprechenden Reihen, von denen jeder Summenwert abgeleitet wurde, die senkrechte Achse schneiden, um ein abgeleitetes Strahlungsprofil wie von einer Breitbandabtastung über das Merkmal zu definieren, und Berechnen der Position des Merkmals mit Bezug auf die senkrechte Achse von der linearen Anordnung.