DE4238193A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Identifizierung von Gegenständen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Identifizierung von GegenständenInfo
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B07—SEPARATING SOLIDS FROM SOLIDS; SORTING
- B07C—POSTAL SORTING; SORTING INDIVIDUAL ARTICLES, OR BULK MATERIAL FIT TO BE SORTED PIECE-MEAL, e.g. BY PICKING
- B07C5/00—Sorting according to a characteristic or feature of the articles or material being sorted, e.g. by control effected by devices which detect or measure such characteristic or feature; Sorting by manually actuated devices, e.g. switches
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Identifizierung von
Gegenständen, wie es im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher
definiert ist. Die Erfindung bezieht sich ferner auf Vorrich
tungen zur Ausführung eines derartigen Verfahrens.
Aus der DE 35200486 C2 ist ein Verfahren zur Sortierung von
Kunststoffhohlkörpern, insbesondere Hausmüll, mit Hilfe eines
Bilderkennungssystems bekannt, bei dem die zu sortierenden
Gegenstände mit einer Kamera aufgenommen, zwischengespeichert
und nach Form und Farbe durch Vergleich mit entsprechenden
gespeicherten Mustern analysiert werden.
Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren ist vor allem, daß
bei einem Vergleich der gespeicherten Muster und der zu iden
tifizierenden Gegenstände letztere häufig fehlerkannt werden,
wenn diese deformiert und/oder stark verschmutzt sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren sowie Vorrichtungen der eingangs erwähnten Art
derart weiterzuentwickeln, daß auch deformierte und ver
schmutzte Gegenstände in kurzer Zeit (wesentlich kürzer als 1
Sekunde) erkannt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des
kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
Die Ansprüche 4 bis 6 offenbaren besonders vorteilhafte
Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
Der Erfindung liegt also im wesentlichen der Gedanke zugrun
de, die aufgenommenen Bilder auf für den jeweiligen Gegen
standstyp charakteristische deformationsinvariante Parameter
durch Geometrie- und Transparenzmessungen zu analysieren und
dann durch Vergleich mit entsprechenden gespeicherten Werten
auf den Gegenstand zu schließen.
Die deformationsinvarianten Parameter werden über einen Eich
prozeß, der für jeden Gegenstandstyp unterschiedlich sein
kann, bestimmt (z. B. kann aus dem näherungsweise ermittelten
Dosenvolumen einer Aluminiumdose und dem Winkel, den der Bo
den relativ zur Längsachse der Dose besitzt, auf den Durch
messer des (runden) Bodens der Dose geschlossen werden, da
sich bei Alu-Dosen die Böden praktisch nicht deformieren).
Der Durchmesser des Dosenbodens und eventuell ergänzender
Informationen (z. B. Farbe und Transparenz) definieren dann
relativ gut den zu sortierenden Gegenstand.
Für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist wesentlich, daß der
zu identifizierende Gegenstand aus zwei (oder mehr), mög
lichst orthogonalen Richtungen bei unterschiedlicher Beleuch
tung erfaßt wird, um Transparenz und die diversen Geometrie
daten, wie Länge, Breite, Winkel zwischen Boden und Seiten
wand, Bodendurchmesser, Knickwinkel oder Volumen zu erhalten.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus den nachfolgend mit Hilfe von Figuren beschriebenen Aus
führungsbeispielen. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfin
dung mit nur einem optischen Sensor; und
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit zwei optischen
Sensoren.
In Fig. 1 ist mit 1 ein bildverarbeitendes System bezeichnet,
mit dem Gegenstände 2, die beispielsweise auf einem Fließband
3 befördert werden, erkannt werden. Nach der Identifizierung
der Gegenstände 2 können diese dann sortiert werden (zur
Durchführung der Sortierung vgl. auch die obengenannte DE
35204866 C2).
Das bildverarbeitende System 1 besteht im wesentlichen aus
einem optischen Sensor 4, z. B. einer Farbbild-Zeilenkamera
mit nachgeschalteter Elektronik 5, einer Lichtquelle 6 und
einem Spiegel 7. Lichtquelle 6 und Spiegel 7 sind derart an
geordnet, daß zwischen ihnen die zu identifizierenden Gegen
stände 2 hindurchbewegt werden.
Die Elektronik 5 enthält beispielsweise einen Verstärker 8,
dem ein Analog-/Digitalwandler 9 und eine Auswertevorrichtung
10 nachgeschaltet ist. Die Auswertevorrichtung 10, die einen
Bildspeicher 11 und einen Prozessor 12 enthält, ist mit einer
Anzeigenvorrichtung 13 verbunden.
Der optische Sensor 4 schaut von oben auf den mit Auflicht
beleuchteten Gegenstand 2 (die entsprechende Lichtquelle
wurde in Fig. 1 aus Gründen einer besseren Übersicht weggelas
sen), so daß die an dem Gegenstand 2 gestreuten und reflek
tierten Lichtstrahlen 14 in den Sensor 4 gelangen. Gleichzei
tig wird der Gegenstand 2 seitlich mit der Lichtquelle 6 an
gestrahlt, so daß die entsprechenden durch den Gegenstand 2
gelangenden Lichtstrahlen 15 über die Spiegel 7 als Licht
strahlen 16 in das Bildfeld des Sensors 4 eingeblendet wer
den.
Im folgenden wird näher auf die Funktionsweise der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung eingegangen:
Der eigentlichen Echtzeiterkennung ist das Eichverfahren vor
geschaltet. Dieses dient der Erfassung der systematischen
Einflüsse des Deformations- und Bruchverhaltens auf die Form,
Farbe und Transparenz eines Gegenstandes 2, wobei eine reprä
sentative Stichprobe von deformierten Gegenständen 2 für die
Eichung vorliegen muß.
Generell besitzen alle zu untersuchenden Gegenstände 2 ein
spezifisches Deformations- und Bruchverhalten. Das heißt, Böden,
Deckel und durch Versteifungsrippen oder Waben gestärkte
Oberflächenteile deformieren sich wenig, wohingegen an Knick
kanten oder schwach gewölbten gleichmäßigen Flächen zuerst
und gehäuft Deformationen auftreten. Ebenso bestimmt die Ela
stizität des Materials den Verformungsverlauf. So entstehen
bei verschiedenen Kunststoffen (z. B. Polypropylen bzw. Poly
ethylen) gerade bzw. kurvige Risse beim Bruch.
Die Gegenstände 2 werden manuell gemäß ihrem Deformationsgrad
und Objekttyp sortiert und dann die auch im Echtzeitbetrieb
ermittelten Größen (vergleiche unten) berechnet. Die Zuord
nung zwischen Deformationsgrad bzw. Objekttyp und den gemes
senen Parametern werden in der Auswertevorrichtung 10 gespei
chert. Die entstehenden Zuordnungstabellen können interpo
liert werden, um zur Speicherersparnis als geschlossene Funk
tion abgelegt zu werden. In der Echtzeitphase werden in die
Umkehrfunktionen die gemessenen Parameterwerte eingesetzt, um
den Deformationsgrad und den Objekttyp zu bestimmen.
Alle Größen der Echtzeitauswertung werden sowohl für die Auf
als auch für die Seitenansicht jeden Gegenstandes 2 berech
net. Beide Ansichten können mit der in Fig. 1 dargestellten
Sensoranordnung gleichzeitig gewonnen werden.
Nach der Bildaufnahme werden im ersten Schritt durch passende
Filterung in der Auswertevorrichtung 10 die Grauwertkanten
bestimmt. Die Außenkontur und innerhalb der Kontur liegende
Kanten werden dann getrennt verkettet. Zur Beschleunigung
dieses Schrittes kann ein festverdrahtetes Rechenwerk der
Auswertevorrichtung 10 verwendet werden.
Mit einem weiteren Rechenwerk der Auswertevorrichtung 10
werden die von der Farbkamera 4 stammenden Signale in eine
HSI Darstellung transformiert und dann die Farbkanten ausge
filtert und verkettet. Damit werden die Videodaten in Echt
zeit auf ihre wesentlichen Anteile (Grauwert- und Farbkanten)
reduziert.
Die einzelnen Kantenlisten werden dann über ein erstes Kommu
nikationsnetzwerk an in der Auswertevorrichtung enthaltene
Mikrorechner verteilt, von denen jeder nur wenige solcher
Listen bearbeitet.
Für jede Kante im Bild werden mindestens die folgenden Größen
berechnet: Farbwert, Sättigung, eingeschlossene Fläche, Mo
mente der eingeschlossenen Fläche, mittlere Krümmung, Länge,
Drehlage, relative Lage zur Außenkontur. Bei offenen Kanten
zügen werden je nach Bedarf nur die kantenbezogenen Größen
berechnet oder sie werden (durch Verbindung von Anfangs- und
Endpunkt) in geschlossene Kantenzüge überführt, um auch die
flächenbezogenen Größen berechnen zu können.
Innerhalb der Außenkontur wird näherungsweise das Volumen
bestimmt durch Multiplikation der Grundflächentiefe mit der
durch die Seitenansicht ermittelten Höhe. Die Transparenz
wird aus dem durchgelassenen Lichtanteil der Seitenbeleuch
tung bestimmt.
Die ermittelten Größen werden über ein weiteres Kommunika
tionsnetzwerk, das nicht notwendigerweise physikalisch vom
ersten verschieden sein muß, einem zentralen Auswerteprozes
sor 12 der Auswertevorrichtung 10 zugeleitet, der die bei der
Eichung bestimmten Umkehrfunktionen berechnet und damit die
Erkennung durchführt.
Anstatt die Durchlicht- und Auflichtmessung mit nur einem
optischen Sensor 4 durchzuführen, kann auch eine Vorrichtung
mit zwei getrennten Sensoren verwendet werden. Dieses ist in
Fig. 2 dargestellt, wobei der zu identifizierende Gegenstand 2
aus Gründen einer besseren Übersicht weggelassen ist:
Die Auflichtmessung erfolgt wiederum mit der Zeilenkamera 4.
Für die Durchlichtmessung ist hingegen statt des in Fig. 1
vorgesehenen Spiegels ein separater optischer Sensor (Kamera)
17 vorgesehen. Die Sensorsignale werden einer Elektronik
zugeführt, die im wesentlichen der in Fig. 1 mit 5
bezeichneten Elektronik entspricht. Lediglich die analogen
Eingangssignale können separat verstärkt und in entsprechende
digitale Werte umgewandelt werden. Die weitere Bearbeitung
der Signale durch die Auswertevorrichtung 10 ist dann
identisch wie oben beschrieben.
Bezugszeichenliste
1 bildverarbeitendes System
2 Gegenstand
3 Fließband
4 optischer Sensor, Kamera
5 Elektronik
6 Lichtquelle
7 Spiegel
8 Verstärker
9 Analog-/Digitalwandler
10 Auswertevorrichtung
11 Bildspeicher
12 Prozessor
13 Anzeigenvorrichtung
14 Lichtstrahlen
15, 16 Lichtstrahlen
17 optischer Sensor, Kamera
18 Lichtquelle
19 Lichtstrahlen
2 Gegenstand
3 Fließband
4 optischer Sensor, Kamera
5 Elektronik
6 Lichtquelle
7 Spiegel
8 Verstärker
9 Analog-/Digitalwandler
10 Auswertevorrichtung
11 Bildspeicher
12 Prozessor
13 Anzeigenvorrichtung
14 Lichtstrahlen
15, 16 Lichtstrahlen
17 optischer Sensor, Kamera
18 Lichtquelle
19 Lichtstrahlen
Claims (6)
1. Verfahren zur Identifizierung von Gegenständen (2) mit
Hilfe eines bildverarbeitenden Systems (1), wobei die
Gegenstände (2) durch mindestens einen bildgebenden
optischen Sensor (4, 17) erfaßt, die entsprechenden Sen
sorsignale digitalisiert und die digitalen Signalwerte
an eine elektronische Auswertevorrichtung (10) mit Bild
speicher (11) und Prozessor (12) weitergeleitet werden,
und wobei die gemessenen und weiterverarbeiteten Bild
signale mit entsprechenden gespeicherten Signalwerten
verglichen werden, dadurch gekennzeichnet, daß von den
Gegenständen (2) jeweils mindestens eine Auflicht- und
eine Durchlichtmessung aus unterschiedlichen Richtungen
vorgenommen wird, daß aus den entsprechenden Bildsignal
werten die Transparenz der Gegenstände (2) und charak
teristische geometrische Daten, wie Länge, Breite, Vo
lumen, Knickwinkel etc., ermittelt werden, und daß aus
diesen Werten für die Gegenstände (2) charakteristische
deformationsinvariante Größen bestimmt und mit den auf
grund einer Eichmessung bestimmten und gespeicherten
Werten verglichen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Ermittlung der deformationsinvarianten Größen
zusätzlich zur Transparenz und den charakteristischen
geometrischen Daten auch die Farbe der Gegenstände (2)
herangezogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Messungen mit einem einzigen optischen Sen
sor (2) durchgeführt werden.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem
oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet
durch die Merkmale:
- a) das bildverarbeitende System (1) weist lediglich einen optischen Sensor (4) auf;
- b) als optischer Sensor (4) ist eine Farbbildkamera vorgesehen, die den Gegenstand (2) in Auflicht betrach tet;
- c) es ist eine Lichtquelle (6) und ein Spiegel (7) vor gesehen, zwischen denen sich der zu identifizierende Gegenstand (2) befindet;
- d) der Spiegel (7) ist in bezug auf den optischen Sensor (4) derart angeordnet, daß die durch den Gegenstand (2) hindurchgehenden Lichtstrahlen (15) der Lichtquelle (6) in das Bildfeld des optischen Sensors (4) eingeblendet werden.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Auflichtmessung ein erster opti
scher Sensor (4) und zur Durchlichtmessung ein zweiter
optischer Sensor (17) vorgesehen ist, der etwa senkrecht
zum ersten optischen Sensor (4) angeordnet ist, und daß
sich der zu bestimmende Gegenstand (2) zwischen dem
zweiten optischen Sensor (17) und der Lichtquelle (6)
befindet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der erste optische Sensor (4) eine Farbbildkamera ist.
Priority Applications (4)
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