NO320064B1 - Avbildingssystem - Google Patents

Description

Fremgangsmåte og apparat for avbilding av blanke overflater og gjennom transparent materialer.

Den foreliggende oppfinnelsen angår et system for avbilding av blanke overflater og for avbilding gjennom gjennomsiktige overflater uten at bildkvaliteten blir alvorlig degradert av spekulaere reflekser fra overflaten eller fra det transparente overliggende materialet så som plast-innpakking, som kan dekke den avbildede overflaten. Mer presist angår den foreliggende oppfinnelsen avbildning av objekter på et transportbånd ved hjelp av et linjeskannende kamera med spesialisert belysning i den hensikt å: 1) automatisk og/eller manuell deteksjon og dekoding av symboler trykket på objektet, 2) inspeksjon av størrelse, form og andre geometriske kjennetegn ved objektene og 3) inspeksjon av overflateegenskapene til objektene for å karakterisere og klassifisere objektene basert på disse egenskapene.

Et stor problem med slike anvendelser er spekulære refleksjoner fra overflatene, og flere løsninger for å redusere effekten av slike refleksjoner har blitt demonstrert. En metode er å bruke polarisert belysning og polarisasjonsfilter på mottageroptikken som er rotert 90 grader i forhold til polarisasjonen til belysningen. Denne metoden er basert på antagelsen at det spekulant reflekterte lyset er polarisert, mens det diffust reflekterte lyset er upolarisert. Siden polarisatoren på mottageren er rotert 90 grader i forhold til belysningslyset vil polarisasjonsfilteret stoppe det spekulært reflekterte lyset. Denne metoden lider under to alvorlig problemer. Et problem er at 50% av det diffust reflekterte lyset er kolineært med det spekulært reflekterte lyset, og blir dermed stoppet av polarisatoren. Hvis man i tillegg bruker upolarisert lyskilde trenger man også en polarisator på utgangen til lyskilden. Dette betyr at 75% av lysets energi går tapt. I reelle tilfeller er ikke polarisatorer ideelle, så i praksis ender man med å tape 90% eller mer av lyset. Denne metoden lider også under dete faktum at transparente overliggende materialer kan være dobbeltbrytende og derfor gi en rotasjon av det spekulært reflekterte lyset. Hvis en slik rotasjon oppstår vil det spekulært reflekterte lyset generelt ha en uforutsigbar elliptisk polarisasjonstilstand, og kan derfor ikke elimineres med et polarisasjonsfilter.

En annen metode er å sette belysningen ved en vinkel slik at den spekulaere refleksjonen ikke når inngangspupillen på kameraets objektiv. I det tenkte anvendelsene for denne oppfinnelsen kan overflaten til objektene være irregulære, og en må derfor sette belysningen ved en høy vinkel i forhold til kameraet. Belysningen må da også være utenfor planet til kameraets synsvinkel. Dette igjen fører til det faktum at belysningen må stres ut over et bredt vinkelområde for å dekke hele høydeområdet til objektene som skal inspiseres. Slik flombelysning av objekter og deres omgivelser blir sett på som uønsket i mange sammenhenger der denne oppfinnelsen skal anvendes.

Dermed er det et formål med denne oppfinnelsen å tilveiebringe en effektiv og enkel måte å eliminere fra overflater ved skanning, for eksempel for tekst eller maskinlesbare koder, eller for kontroll av objekter som i det minste delvis er dekket av en reflekterende flate..

Dette problemet løses ifølge den foreliggende oppfinnelsen ved å sette opp belysning på hver side av kameraet, i samme plan eller i det vesentlige i samme plan, som kameraets synsfelt. Med dette arrangementet kan spekulære refleksjoner oppstå for deler av synsfeltet fra hver av lyskildene. Ved å sette lyskildene på hver side av kameraet på riktig måte er en imidlertid garantert at de delene av synsfeltet som opplever spekulære refleksjoner fra lyskilden på en side ikke vil oppleve spekulære refleksjoner fra lyskilden på den andre siden. Dermed vil man, ved alternerende avbildning med belysning fra høyre og venstre lyskilder, kunne analysere bildene i en datamaskin for å identifisere og avvise de påvirkede delene av hvert bilde for å oppnå et fullstendig, syntetisert, bilde i hele pakkens bredde uten at noen piksler er påvirket av spekulære refleksjoner. For å unngå å miste oppløsning kan bildet oversamples dobbelt i bevegelsesretningen til transportbåndet. Etter kombinasjonen av to påfølgende linjer har dermed det syntetiserte bildet samme oppløsning transversalt og longitudinalt i forhold til transportbåndet.

Mer presist er formålene ved oppfinnelsen oppnådd slik som angitt i de vedlagte kravene.

For å utvide rekkevidden av objekthøyder som kan måles kan den foreliggende oppfinnelsen utstyres med to lyskilder på hver side, montert i forskjellige høyder, og styrt ved a priori kjennskap til høyden på objektet som skal måles.

Den foreliggende oppfinnelsen blir beskrevet mer i detalj i de vedlagte tegningene, som illustrerer oppfinnelsen ved hjelp av eksempler: Fig. 1 illustrerer en utførelse av oppfinnelsen sett fra siden, montert over et

transportbånd.

Fig. 2. viser en illustrasjon av oppsettet i figur 1 sett forfra.

Fig. 3 viser en illustrasjon av lysstråler fra lyskildene når de treffer objektet og

blir reflektert av overflaten og inn i kameraets objektiv.

Fig. 4a og b gir en illustrasjon av pikselmatrisen i detektoren projisert på

objektrommet. Pikslene som er påvirket av spekulære refleksjoner fra de to lyskildene er markert med svart.

Fig. 5a og b viser henholdsvis et råbilde og et prosessert bilde, generert av systemet

basert på den foreliggende oppfinnelsen.

Fig. 6. viser et sidebilde av en alternativ utførelse av oppfinnelsen som er utvidet

for å dekke et større spenn av objekthøyder.

Fig. 7 illustrerer utførelsen av oppfinnelsen illustrert i figur 6 sett forfra.

Fig. 8 illustrerer oppfinnelsen som blokk-diagram, inklusive et antall eksterne komponenter og funksjoner som kreves for å oppnå den ønskede funksjonaliteten til oppfinnelsen. Figur 1 viser den foreliggende oppfinnelsen 1 montert over et transportbånd for avbildning av objekter som beveger seg med beltet. Et lineært kamera 2 er rettet i en retning 4 normalt på beltet 3 for derved å oppnå en sekvens av lineære bilder av objektet. Fortrinnsvis er kameraet 2 koblet til en datamaskin for kombinering av disse bildene til en todimensjonal representasjon av objektet. Ved å synkronisere bildefrekvensen til kameraet med hastigheten til transportbåndet 3 kan riktige proporsjoner oppnås i bildet. På grunn av den senere signalprosesseringen er samplingsraten fortrinnsvis valgt til å gi dobbelt så stor romlig oppløsning i bevegelsesretningen i forhold til den romlige oppløsningen på tvers av bevegelsesretningen.

Skannefrekvensen kan gjøres avhengig av hastigheten til objektet, for eksempel ved å overvåke hastigheten til transportbåndet og justere samplingsfrekvensen i forhold til den påkrevde oppløsningen i avbildningen av objektet. Dermed vil forstyrrelser i hastigheten, og til og med stopping av transportbåndet, ikke påvirke det resulterende bildet. En forenklet versjon kan være å ikke måle hastigheten, men å opprettholde den bestemte hastigheten tilsvarende skannefrekvensen og å gi et advarselsignal som stopper samplingen hvis beltet stopper.

Ifølge oppfinnelsen belyser to lyskilder (se figur 2) transportbåndet og dermed objektene som passerer på dette. Siden kameraet 2 bruker et lineært sensorarray er lyskildene fortrinnsvis plassert i samme plan som, eller i samme plan som, synsfeltet til sensoren, og retter en stråle av lys som overlapper med sensorens synsfelt. Denne lysstrålen er svært konsentrert langs lengderetningen til transportbåndet. Fordelene med dette er som følger: 1) Det konsentrerer det tilgjengelige lyset til å bare dekke synsfeltet til kameraet, og holder dermed den påkrevde optiske og elektriske kraften ved et minimum, med det resultatet at det reduserer kostnadene til lyskildene, og reduserer kraftbehovet og opphetningen av utstyret og dettes omgivelser. Dermed kan for eksempel lysdioder brukes for belysning. 2) Det holder belysningen av omgivelsene ved et minimum, hvilket er regnet som fordelaktig for mennesker og optisk og elektronisk utstyr som opereres i nærheten av den foreliggende oppfinnelsen. Dessuten unngås refleksjoner fra omgivelsene som også kan forstyrre målingene. Figur 2 viser oppfinnelsen i samme oppsett som i figur 1, sett forfra. Lysstrålene fra de to lyskildene 5,6 er vist med stiplede linjer, og som det fremgår belyser hver lyskilde hele bredden på transportbåndet. Figur 3 viser strålene fra to lyskilder 5,6 der de reflekteres av objektet og inn i kameraets objektiv. Objektet i denne illustrasjonen har en perfekt flate overflate, og i et slikt tilfelle kan spekulære refleksjoner representere et problem for bildekvaliteten ved bare noen spesifikke punkter på toppflaten. Enkel geometrisk analyse viser at med to separate lyskilder 5,6 vil punktene 7,8 som kan gi opphav til slike spekulære refleksjoner inn i kameraet, ikke overlappe. I denne illustrasjonen er lyskildene plassert på hver sin side av kameraet, og enkelt geometrisk analyse viser at i slike tilfeller vil punktene 7,8 som kan gi opphav til spekulære refleksjoner komme på hver sin side av senterlinjen i kameraet. Det bør bemerkes at i den påtenkte anvendelsen for denne oppfinnelsen kan objektene ha ujevne topp-overflater, med lokal variasjon i overflates orientering. Konsekvensene av dette er at i stedet for at det blir ett punkt på overflaten som kan danne spekulære reflekser inn i kameraet, kan det være et større område rundt dette punktet som gir spekulære refleksjoner inn i kameraets objektiv. På grunn av dette bør de to lyskildene plasseres så langt fra hverandre som mulig for at de to regionene som gir spekulære refleksjoner ikke skal overlappe. Denne typen refleksjoner vil avhenge til en viss grad av den reflekterende flaten, slik at en viss margin bør legges til i vinkelen mellom lyskildene og kameraet. Figurene 4a og 4b illustrerer den alternerende belysningen av objektet der linjene med partall er fanget med den høyre lyskilden på 6 og den venstre av (se figur 4a), og linjene med oddetall er fanget med den venstre lyskilden på og den høyre av (se figur 4b). Figur 4 viser også pikselmatrisen i objektrommet, der pikslene som er påvirket av spekulære refleksjoner er vist i svart. Som det fremgår av denne figuren, og som også er vist i figur 3, vil det påvirkede pikslene ikke sammenfalle.

Dette utnyttes ifølge den foreliggende oppfinnelsen ved først å avvise pikslene som er påvirket av spekulære refleksjoner, og deretter kombinere de gode seksjonene fra begge de to halve bildene. Siden pikslene som er påvirket i et halvt bilde, er upåvirket i det andre halve bildet er det alltid mulig å generere en ny og fullstendig superlinje bestående av bare de gode pikslene i de to halve bildene.

Kombinasjonen av linjene fra de to halve bildene til en superlinje kan utføres på flere forskjellige måter, med varierende grader av sofistikasjon. I sin enkleste form kan en analyse to påfølgende linjer, for eksempel linje nummer N og N+l, piksel for piksel og for hvert par av piksler velge det mørkeste pikselet. På denne måten vil pikslene som er påvirket av spekulære refleksjoner automatisk bli valgt bort, siden disse alltid vil være lysere enn deres motsvarende fra det andre bildet, som ikke er påvirket av spekulære refleksjoner. Denne metoden har den fordel at den er svært enkel, og krever lite prosesseringstid. En ulempe med denne metoden er at siden det mørkeste pikselet alltid blir valgt vil den resulterende kontrasten i superbildet kunne være lavere enn i de originale halvbildelinjene.

En annen metode er å definere en grenseverdi for hvor lyst et piksel skal være, over hvilken hvert piksel blir antatt å være degradert av en spekulær refleksjon, og derfor neglisjert. De gjenværende pikslene blir antatt å være gode og blir brukt i rekonstruksjonen av det nye superbildet. Kombinasjonen av gjenværende gode piksler kan gjøres enten ved å velge det mørkeste lyseste pikselet i hvert par eller ved å beregne gjennomsnittsverdien for disse pikslene, eller ved å foreta en annen kombinasjon av nabopiksler med varierende grad av sofistikasjon for å forsterke kontrastene i det ferdige bildet.

Figur 5 viser bildet av en adresselapp på en pakke, generert med et kamerasystem og belysning basert op den foreliggende oppfinnelsen. Figur 5a viser det uprosesserte bildet bestående av både linjer med like og ulike tall, og figur 5b viser det samme bildet etter prosessering, der pikslene som ble påvirket av spekulære refleksjoner er fjernet. Som det fremgår i figur 5a ville flere deler av bildet vært uleselige på grunn av spekulære refleksjoner, særlig det grafiske mønsteret i nedre høyre delen av bildet, som ville vært fullstendig skjult av refleksjonene hvis bare den høyre lyskilden hadde vært aktiv. Dette kan ses siden hvert annet piksel i bildet er hvitt.

Bilde i figur 5b er generert ved, for hvert par av bildelinjer, å velge det mørkeste pikselet i hvert par. Ved å sammenligne bildene i figur 5a og 5b er det klart at bildet i figur 5a er fortegnet. Dette er på grunn av oversamplingen i bevegelsesretningen. For å oppnå tilstrekkelig oppløsning i bevegelsesretningen er den romlig samplingsraten dobbelt så stor som den påkrevde samplingsraten i det ferdige bildet, og har dermed dobbelt så stor oppløsning som retningen til sensorlinjen i kameraet. I det prosesserte bildet er oppløsningen i bevegelsesretningen halvparten av det som er samplet, slik at det prosesserte bildet har riktige proporsjoner.

Figur 6 viser et oppsett med lyskilder i to nivåer for utvidelse av rekkevidden av høyden som kan dekkes, for eksempel når systemet brukes for å lese koder på objekter med stor variasjon i størrelse. I dette oppsettet tennes de to nedre lyskildene 9 og 10 når objektet som skal måles er lavere enn en valgte grenseverdi, mens de to øvre lyskildene 11 og 12 tennes når objektet er høyere enn den samme grenseverdien. Høyden i hvilken

grenseverdier blir satt vil avhenge av anvendelsen, og den eksakte geometrien på oppsettet.

Det bør bemerkes at for å lage dette oppsettet innen en rimelig kompakt konfigurasjon så må lyskildene og kameraet synsfelt være flyttet litt ut av plan som illustrert i figur 7 som viser den samme konfigurasjonen sett fra siden. Grunnen til dette er at hvis alt var i plan så ville de lavere lyskildene skygge for lyset fra de øvre lyskildene, og dessuten for kameraets synsfelt. Derfor, for å realisere denne konfigurasjonen, mp de lavere lyskildene flyttes ut av planet til kameraets synsfelt. Hvor mye ut av plan vil avhenge av spesifikke parametere i den aktuelle konfigurasjonen, så som høyden til transportbåndet, høydevariasjonen til objektene som skal dekkes, bredden på transportbåndet, avbildingslinjens eksponeringstid og flere andre. Det kan også bli nødvendig å flytte den øvre lyskilden ut av planet til kameraets synsfelt, som vist i figur 7.

Figur 8 viser et blokk-diagram av den foreliggende oppfinnelsen 1 integrert i system i hvilket det skal brukes. Dette systemet består av kamera 2 med en lineær array-sensor, fokuseringsmidler 15 for kameraet basert på høydeinformasjonen til objektet gitt av en ekstern høydesensor 18, belysningsmidler 9,10,11,12, og midler 19 for å gi informasjon om transportbåndets hastighet, for eksempel ved å måle hastigheten eller indikere om båndet er i bevegelse eller ikke, midler 17 for styring og synkronisering av lyskildene og eksponeringen av bildesensoren til transportbåndets bevegelse, midler 16 for lesing, analysering og prosessering av bildeinformasjonen fra kameraet 2 og sending av den prosesserte informasjonen til en ekstern enhet 20 for videre bildegjenkjenning og/eller fremvisning av det prosesserte bildet.

Den nøyaktige utførelsen av de forskjellige delene av systemet illustrert i figur 8, for eksempel prosesseringsutstyret, optiske bølgelengdeområder og transportbånd-teknologi, er ikke relevant for oppfinnelsen og kan velges avhengig av den tilgjengelige teknologien i tillegg til lokale krav, som aggressive omgivelser, der hoveraspektet med oppfinnelsen er relatert til målinger av objektier som passerer et kamera. Det brukte kameraet må ifølge oppfinnelsen kunne sample lineære bilder, og bør dermed fortrinnsvis omfatte en lineær avbildningssensor. Kameraer som omfatter todimensjonale sensorer kan imidlertid også brukes bed å ekstrahere bildeinformasjon fra en sensorlinje i matrisen.

I tillegg er oppfinnelsen primært beskrevet i sammenheng med håndtering av pakker, men det er klart at andre anvendelser også kan tenkes. For eksempel reflekterende objekter i produksjonslinjer som skal inspiseres for de sendes på markedet.

Claims (18)

1. Fremgangsmåte for å tilveiebringe et bilde av et objekt som beveger seg med en kjent hastighet og er dekket av en spekulært reflekterende overflate, omfattende bruk av et kamera (2) med en linjeformet sensor innrettet til å innhente et linjeformet bilde (N) med en valgt avbildningshastighet, der objektet passerer i en retning i det vesentlige perpendikulært på den avbildede linjen, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter belysning av objektet fra minst to retninger (5,6) i en sekvens synkronisert med nevnte avbildningshastighet, for derved å oppnå forskjellig belysningsretning i etterfølgende avbildninger.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, der objektet belyses av to lamper (5,6) plassert på hver sin side av kameraet (2) med en valgt vinkel mellom dem.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, der belysningen er tilveiebrakt av lamper (5,6) innrettet til å fokusere lyset mot den linjen som skannes av kameraet (2).

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, der avbildningshastigheten og hastigheten til objektet justeres for å oppnå delvis overlappende bilder i etterfølgende avbildninger.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, der avbildningshastigheten og hastigheten til objektet er justert for å oppnå dobbelt så høy oppløsning langs bevegelsesretningen som langs bildelinjen..

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, omfattende et trinn for analyse av hvert innhentede linjebilde for deteksjon av spekulære refleksjoner ved deteksjon av piksler med intensiteter over en forhåndsdefinert terskelverdi.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, omfattende et skritt med avvisning av individuelle piksler (7,8) som overstiger nevnte terskelverdi.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 6, omfattende trinnene å definere par (N,N+1) med linjer som ligger ved siden av hverandre, og et sett av slike par i bevegelsesretningen, avvisning av piksler over terskelverdien i hvert linjeformete bilde og kombinering av de linjeformete bildene ved beregning av gjennomsnittsverdien for par med gyldige piksler og i par omfattende et avvist piksel anvendelse av verdien i det gyldige pikselet.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1, omfattende et trinn med definering av par av linjeformete bilder (N,N+1) som ligger ved siden av hverandre og dermed et sett med par av piksler ved siden av hverandre, og avvisning av det pikselet som representerer den høyeste reflekterte intensiteten i hvert par.

10. System for skanning av objekter som beveger seg med en kjent hastighet og er dekket av en spekulært reflekterende overflate, omfattende et kamera (2) med linjeformet sensor for innhenting av et linjeformet bilde (N) av en del av objektet med en valgt hastighet, der den avbildede linjen er perpendikulær i forhold til bevegelsesretningen, minst to belysningsmidler (5,6) for belysning av den delen av objektet som blir avbildet av kameraet fra minst to forskjellige vinkler, og karakterisert ved at det omfatter styringsmidler (17) koblet til belysningsmidlene (5,6;9,10,11,12) og til kameraet (2) for aktivering av belysningsmidlene i en sekvens synkronisert med avbildningen, slik at to etterfølgende avbildninger er belyst fra forskjellige retninger.

11. System ifølge krav 10, omfattende to belysningsmidler (5,6;9,10,11,12) plassert på hver sin side av kameraet.

12. System ifølge krav 10, der belysningsmidlene (5,6;9,10,11,12) er innrettet til å fokusere lys mot linjen som skannes av kameraet (2).

13. System ifølge krav 10, der avbildningshastigheten og hastigheten til objektet er valgt for å oppnå delvis overlappende bilder av etterfølgende bilder.

14. System ifølge krav 13, der avbildningshastigheten og hastigheten til objektet er valgt slik for å frembringe dobbelt så stor oppløsning langs bevegelsesretningen som langs det linjeformete bildet.

15. System ifølge krav 10, omfattende analysemidler (16,20) for analysering av hvert innhentede linjeformete bilde for deteksjon av spekulære refleksjoner, for eksempel ved deteksjon av piksler (7,8) med utleste intensitetsnivåer som overstiger en valgt terskelverdi.

16. System ifølge krav 15, der nevnte analysemidler (16,20) er innrettet til å definere par av etterfølgende linjeformete bilder (N,N+1) og dermed et sett av par med piksler som ligger ved siden av hverandre i bevegelsesretningen, avvisning av piksler med verdier over nevnte terskelverdi (7,8) i hvert linjeformete bilde, og kombinering av de linjeformete bildene ved å beregne middelverdien for hvert par av gyldige piksler, og i par med et avvist piksel, bruk av verdien til det gyldige pikselet.

17. System ifølge krav 15, der analysemidlene er innrettet til å definere par av piksler som ligger ved siden av hverandre i bevegelsesretningen, der analysemidlene også er innrettet til å avvise piksler med verdier over en valgt terskelverdi, og kombinasjon av de linjeformete bildene ved beregning av gjennomsnittsverdien for par med gyldige piksler, og i par omfattende et avvist piksel anvendelse av verdien til det gyldige pikselet.

18. System ifølge krav 10, omfattende analysemidler for analyse av hvert innhentede linjeformete bilde der analysemidlene er innrettet til å definere par av etterfølgende linjeformete bilder, og dermed et sett med par av nabopiksler i bevegelsesretningen, der analysemidlene er innrettet til å avvise pikslene som representerer den høyeste reflekterte intensiteten i hvert par.