DE3205828A1

DE3205828A1 - Sichtpruefsystem mit videobildkompensation

Info

Publication number: DE3205828A1
Application number: DE19823205828
Authority: DE
Inventors: Lawrence F. Berridge jun.; Amir R. 44224 Stow Ohio Novini
Original assignee: Inspection Technology Inc
Current assignee: Inspection Technology Inc
Priority date: 1981-05-06
Filing date: 1982-02-15
Publication date: 1982-11-25
Also published as: IT1149619B; MX152314A; US4491868A; IT8219607A0; JPS57182607A; CA1183939A

Description

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Sichtprüfsystem mit Videobildkompenäation

Die Erfindung betrifft ein kontaktloses Sichtprüfsystem und insbesondere Videoinspectionsgeräte, bei denen digitalisierte Videobilder von gewählten Bereichen eines Gegenstandes gegenüber vorgewählten Bezugswerten verglichen werden, wobei eine Einrichtung zum Ausgleichen der Instabilität, der Drift und der Verzerrung des vom Vidicon des Systems erzeugten Videobildes geschaffen wird.

Wir nehmen Bezug auf die gleichzeitig anhängige Anmeldung der Anmelderin mit der Seriennummer 207 748 ("Operator Programmable Inspection Apparatus"), in der im einzelnen ein System einschließlich eines Vidikons dargestellt wird, das zum Betrachten von Werstücken, beispielshalber bei der Fließbandfertigung, und dazu verwendet wird, ein Ausgangssignalgemisch vom Typ RS-170 zu erzeugen. ,.Dieses Signal wird digitalisiert und dann mit einem gespeicherten digitalen Bild verglichen, das einem Werkstück von bekannter annehmbarer Qualität entspricht. Es wird ein Vergleich durch einen Digitalprozessor unter Programmsteuerung vorgenommen, wonach bestimmt wird, ob das Werkstück aufgrund des Vergleichs annehmbar ist.

Es ist in diesem Zusammenhang zu bemerken, daß bei vielen Systemen, in denen die Lehren der erwähnten gleichzeitig anhängigen Anmeldung der Anmelderin angewandt werden, eine Anzahl von Vidikons zum gleichzeitigen Sichtprüfen mehrerer Bereiche oder Flächen eines großen Werkstücks erforderlich sind. Hierbei sind diese Vidikons, obgleich sie vom Preis her vorteilhaft sind, jedoch einer Anzahl von Problemen ausgesetzt, und zwar der Instabilität (Inkonstanz), Verzerrung und auch der körperlichen Drift und der Grauskaladrift

gegenüber der Zeit, der Temperatur und dgl.. Die gegenwärtigen Festkörperkameras sind imstande bestimmte dieser Probleme auszuräumen, wobei jedoch die Kosten für solche Kameras in der Größenordnung von zehn, bis dreißig Mal höher liegen als für entsprechende industrielle Vidikons. Hinzu kommt, daß die Festkörper-^ kameras typisch;· langsame Abtastzyklen, eine geringe Empfindlichkeit, Grauskaladrift und das ihnen eigentümliche "Nachziehen" (streaking) aufweisen. Natürlich ist die von einem typischen Vidikon erfahrene Verzerrung, wie dem Fachmann geläufig, entweder eine kissenförmige oder eine tonnenförmige Verzeichnung, die gewöhnlich meistens an den Kanten oder Randzonen (Fransen) des Videovollbildes auftreten. Während diese besondere Art von Verzerrung keine schwerwiegende Bedeutung hat, falls das Sichtprüfgerät eine optimale geometrische Genauigkeit besitzen muß, ist jedoch notwendig für eine Kompensation oder Entzerrung zu sorgen.

Es sind der Anmelderin keine kostengünstigen und dennoch erfolgreichen technischen Vorschläge bekannt, die zur Beseitigung der vorstehend angeführten Probleme geführt haben, die bei der Verwendung von Vidikons für Sichtprüfgeräte auftreten. Im Normalfall macht der Bedarf hinsichtlich Empfindlichkeit oder Auflösung im System eine derartige Kompensation oder Entzerrung nicht erforderlich. Es ist jedoch bei der Optimierung der Videosichtprüfverfahren notwendig, daß bei den Vidikons auftretenden Problemen entweder kostenaufwendige Festkörperkameras verwendet oder eine Kompensation vorgenommen werden muß. Der hier verwendete Ausdruck Vidikon bezieht sich allgemein auf ein elektrisches Ausgangssignalgemisch, das dem gerade abgetasteten Videobild entspricht.

Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung einen Videobildkompensator für Sichtprüf- oder Materialprüfungsgeräte zu schaffen, durch die sowohl die physikalische Drift als auch die Grauskaladrift, die Verzerrung und die Instabilität ,bei Vidikons kompensiert werden.

Mit einem derartigen Kompensator lassen sich für ein Vidikon die charakteristische Punktion einer .Pestkörperkamera erreichen, ohne daß dabei die diesen eigentümlichen Nachteil, deren langsame Abtastzyklen, niedrige Empfindlichkeit, Grauskaladrift und Nachziehen auftreten.

Darüber hinaus wird nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ein Videobildkompensator für Sichtprüfgeräte geschaffen, durch den die Geräte konsistente und zuverlässige Ablesungen der überwachten Werkstücke hervorbringen, wobei ein derartiger Kompensator im Betrieb genau und zuverlässig sowie in der Herstellung kostengünstig ist und dabei leicht in bestehende Systeme eingebaut werden kann.

Die Merkmale der Erfindung deren technische Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in den Ansprüchen und den Zeichnungen offengelegten Ausführungsbeispiele eines optischen Sichtprüfsystems einschließlich Videobildkompensation mit einem zu inspezierenden Zielgegenstand, einem Testwerkstück oder Prüfling einer Kamera mit Sichtfeld sowie mit einer zwischen dem Zielgegenstand, dem lestwerkstück und dem Vidikon zwischengeschalteten Einrichtung, durch die das Sichtfeld der Kamera vom Zielgegenstand selektiv auf das Prüfbild (Testvorlage) gerichtet wird. Hierbei zeigen:

Figur 1 ein schematisches Blockschaltbild eines nach der erfindungsgemäßen Lehre geschaffenen Videosichtprüfsystems;

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Figur 2 eine Vorderansicht eines nach der erfindungs». gemäßen Ausgestaltung verwendbaren typischen Prüfbildes; und

Figur 3 ein Flußschema, das das Verfahren wiedergibt, durch das die erfindungsgemäße Kompensation

erreicht wird. ■"."■"

Nach der Figur 1 weist das allgemein durch das Bezugszeichen 10 gekennzeichnet digitalisierte optische Sichtprüfsystem eine Kamera oder Vidikon 12 von der Bauart auf, daß ein ihrem Sichtfeld entsprechendes Ausgangssignalgemisch vom Typ RS-170 erzeugt wird. Dieses Ausgangssignal wird einem Bildspeicher 16 zur Einspeicherung zugeführt. Dem entsprechend werden im Speicher 16 binare oder digitalisierte Daten gehalten, die dem Sichtfeld des Vidikons 12 entsprechen. Durch einen Digitalprozessor 18, wird der Bildspeicher 16 durch das im Speicher 20 gehaltene Betriebsprogramm zugänglich* Im Speicher 20 werden auch digitalisierte Daten gehalten, die einem Werkstück von bekannter annehmbarer Güte entsprechen« Wie nachstehend noch erläutert wird, werden im Speicher 20 auch noch Daten geführt, die einem Prüfbild entsprechen»

Der Digitalprozessor 18 ist herkömmlicher Bauart und steht über einem Eingang/Ausgang-Modul 22 mit den An-Schlußgeräten wie dem Bedienungs- oder Programmkonsol 24 in Verbindung. Der spezifische Aufbau des vorstehend beschriebenen Systems wurde im einzelnen in der erwähnten gleichzeitig anhängigen Anmeldung offengelegt.

Aus der Figur 1 geht hervor, daß ein im Industriebetrieb gebräuchlicher Förderer 26 zur Aufnahme und zum Transport von Werkstücken oder Teilen 28 vorgesehen ist,

Ein Spiegel 30 wird im Sichtfeld dee Vidikons 12 in einem spitzen oder schiefen Winkel gehalten, so daß die Kamera 12 den Förderer 26 und das darauf fortbewegte Werkstück 28 bestreicht. Eine Ziellampe 32 wird über das Modul 22 dem Prozessor βteuerungsgemäß unterstehend in Stellung gebracht, so daß sie ein Werkstück beleuchtet, wenn dieses in das Blickfeld der Kamera 12 tritt. Die Positionierung kann von einem Positionsfühler 38 ertastet werden, der ein Begrenzungsschalter, ein Photodetektor oder dgl. sein kann. Auf jeden Fall steht der Fühler 38 über das Eingangs/Ausgangs-Modul 22 mit dem Prozessor in Verbindung, um anzuzeigen, daß sich ein Werkstück 28 in der geeigneten Stellung befindet, um vom Vidikon 12 erfaßt und regutiert zu werden.

Hinter dem Spiegel 30 befindet sich ein Prüfling 34, der durch die der Prozessorsteuerung unterstehenden Testlampe selektiv beleuchtet werden kann. Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Spiegel 30 so beschaffen, daß er eine einzige Selberoberfläche aufweist, die dadurch transparent gemacht wird, daß die Spiegelrückseite beleuchtet wird. Sementsprechend läßt man das Vidikon 12 das Werkstück 28 in Augenschein nehmen, wenn die Lampe 32 erleuchtet und die Lampe 36 abgeschaltet ist. Demgegenüber wird der Spiegel 30 bei erleuchteter Lampe 36 und abgeschalteter Lampe 32 transparent und das Vidikon 12 beobachtet den Prüfling 34-, wobei der Prüfling ein nachstehend noch zu erläuterndes Prüfbild aufweist. ν

In einem anderen Aus£ührungsbeispiel der Erfindung ist der Spiegel 30 ein Normalspiegel, der nach obiger Beschreibung nicht transparent gemacht werden kann. In diesem Falle ist der Spiegel 30 bei 4-2 schwenkbar auf-

gehängt und kann mittels eines Solenoids 40 in das sowie aus dem Sichtfeld der Kamera geschwenkt werden. Natürlich untersteht das Solenoid 4-0 dem Betriebsprogramm, wobei der Spiegel im Regelfall in einem normalen schiefen Winkel vorgespannt ist» so daß das Vidikon 12.die Werkstücke 28 beobachten kann. Zu diesem Zwecke körnen. Federkraft und Anschläge verwendet werden; es kann aber auch ersatzweise das Solenoid 40 über geeignete Zwischenverbindungen mit dem Spiegel verbunden werden. Auf jeden Fall kann die Kamera 12 entweder die Werkstücke 28 oder das Prüfbild des Prüflings 34 nach selektiver- durch das Betriebsprogramm festgelegter Maßgabe des Prozessorn in Augenschein nehmen.

Aus Figur 2 geht hervor, daß der Prüfling 34 gekennzeichnet ist durch ein Fadenkreuz oder Fadennetz 44 und den auf dem Prüfling befindlichen Testmustern 46. Dem Fachmann ist leicht verständlich, daß das Fadenkreuz 44 zur Durchführung von horizontalen oder vertikalen Verschiebungen des Ausgangs vom Vidikon 12 verwendet werden kann, um die körperliche Drift zu kompensieren. Ähnlich läßt sich nach Driftausgleich das Testmuster oder die Testvorlage 46 zum Erzeugen von geometischen Skalenfaktoren für die verschiedenen Quadranten oder für gewählte Abschnitte des Videobildes verwenden. Es mag zweckmäßiger sein, daß die Testvorlage 46 tatsächlich einem bekannten gültigen Werkstück entspricht oder daß ersatzweise die Testvorlage 46 so ausgestaltet sind, daß Prüfbereiche gesucht werden, die durch Verzerrung im Videobild gekennzeichnet sind. Meistens ist es üblich, daß derartige geometrische oder körperliche Verzerrungen wie kissen- oder tonnenförmige Verzeichnungen am oberen und unteren Teil oder an den

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Seitenrändern des Vollbildes auftreten. Da die digitalisierten Bild- oder Pixel-Werte der im Speicher 20 gespeicherten Testvorlage vorhanden sind, läßt sich eine Korrelation mit dem vom Vidikon 12 abgetasteten Bild durchführen, wenn der Prüfling 34 beobachtet wird, um einen Skalenfaktor oder eine Einsichttabelle zu erstellen, um die vom Vidikon abgetasteten Werte anzugleichen. Selbstverständlich ist auch das Fadenkreuz im Speicher 20 eingespeichert. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind der Prüfling 34 und die Kamera ortsfest fixiert. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt jedoch eine Kompensation des Videobildes zu, wenn die Kamera 12 sich tatsächlich verschoben hat.

Der Prüfling 34 kann zur Korrektur von Verschiebungen in der der Kamera, oder dem Vidikon eigenen Grauskala verwendet werden. Beispielshalber kann die Testvorlage 46 reine schwarze oder reine weiße Bereiche oder dazwischenliegende graue Bereiche umfassen. Die Grau-Skalenwerte dieser Bereiche, wie sie von der Kamera 12 erfaßt werden, können mit den bekannten Werten solcher Bereiche verglichen werden. Aus diesen Vergleichen lassen sich Skalenfaktoren zum Verändern des Grauskalenausgangs der Kamera 12 erzeugen, um die Grauskalendrift zu kompensieren.

Das in Figur 3 dargestellte Flußschema zeigt ein Unterbrechungsteilprogramm des Leitprogramms zum Steuern des Prozessors 18, um das Videosichtprüfverfahren des Systems erfolgreich durchzuführen. Diese Subroutine läßt sich angehen mit gewünschter Häufigkeit, beispielshälber einmal pro Tag oder einmal alle paar Minuten. Jederfalls fährt die Routine dabei fort, die Zielgegenstandsbeleuch-

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tung 32 und die Testbeleuchtung 3£ all zu schalt era. Die Kamera 12 kann zu dieser Zeit den Prüfling 34 durch den Spiegel 30 beobachten, der nunmehr transparent gemacht wurde. Der Prozessor 18 kann hiernach eine hörizontale Ausrichtung des digitalisierten Bildes im Speicher 16 mit dem Prüfbild im Speicher 20 suchen, indem der Prozessor das vertikale Teil des Fadenkreuzes 44 mit den entsprechenden Pixels zu Erreichen der Ausrichtung horizontal verschoben wurde, wobei diese dann gezahlt und gespeichert werden. Die vertikale Ausrichtung wird dann getestet, indem das digitalisierte Bild des Vidikons 12 solange verschoben wird, bis die horizontale Linie des Fadenkreuzes 44 mit den entsprechenden Pixels ausgerichtet ist, die im Speicher 20 gespeichert sind. Auch diesmal wird die Anzahl der vertikal verschobenen Pixels und deren Vorzeichen gespeichert.

Ist einmal die Größe und das Vorzeichen für die horizontalen und vertikalen Verschiebungen zum Driftausgleich bekannt, kann das gesamte im Speicher 16 gespeicherte Bild auf diese Weise verschoben werden.

Bei dem zum Driftausgleich verschobenen Bild des Prüflings 34 kann ein Zählen der Pixelgröße der verschiedenen Teile der Testvorlage vorgenommen und mit der Pixelgröße der entsprechenden im Speicher 20 eingespeicherten Daten verglichen werden. Gibt das Vidikon 12 ein verzerrtes Signal ab, so daß die Pixelgröße vom Prüfling 34 von der im Speicher eingespeicherten Größe abweicht, werden Umsetzungs-(Konversions)daten oder Skalenfaktoren entwickelt, um die Größe des Teils auf dem Prüfling 34 mit der Anzahl von Pixel zu korrelieren, die ohne Verzerrung vorhanden sein sollten. Mit derartigen dann in Einsichttabellen geführten Skalenfaktoren

läßt sich dann der digitalisierte Ausgang des Vidikons 12 variieren oder zu den korrekten Verzerrungen maßstäblich ändern.

Bei durchgeführter Kompensation für geometrische oder körperliche Verschiebungen und Verzerrungen sucht die Subroutine dann die Grauakalaverschiebung zu kompensieren. Hierbei werden ausgewählte Bereiche auf dem Prüfmuster im Grauekaienwert mit vorbestimmten Sollwerten verglichen. Aufgrund der Vergleiche werden Umwandlungsdaten oder Skalenfaktoren erzeugt und gespeichert, so daß zukünftige Ausgangseignale der Kamera dementsprechend maßstäblich geändert werden können, um eine genaue Anzeige der tatsächlichen Grauskalenwerte zu ergeben.

1^ Nachdem die Skalenfaktoren für die Grauskalenwerte gespeichert sind, werden die Lampen 32, 36 wieder in ihren Sichtprüfzustand gebracht, und man kehrt zum Programm des Prozessors 18 zurück.
Das System 10 arbeitet dann so, daß geeignete horizontale und vertikale Verschiebungen des Bildes vom Speicher 16 durchgeführt werden, daß Bildgrößenschwankungen oder -Verzerrungen kompensiert werden und eine geeignete Kompensation der Graupegelverschiebungen vorgenommen wird.

Im Hinblick auf die Skalenfaktoren ist anzumerken, daß die Skalenfaktoren für Quadranten, Oktanten oder dgl. des Bildes als ganzes erzeugt werden können. Jedem Oktanten des Bildes wären mit anderen Worten Skalenfaktoren zugeordnet, durch die die digitalisierten Daten des Oktanten maßstabmäßig verändert wären. In einer

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verwickeiteren Anordnung könnte ein Skalenfaktor auf der Grundlage Pixel-pro-Pixel geschaffen werden, jedoch wird eine derartige Auflösung und Genauigkeit im allgemeinen nicht verlangt.

im Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem der Spiegel 30 um ein Gele*": 42 unter der Steuerung des Solenoids 40 schwenkbar aufgehängt ist, ist das Flußschema der Fig. 3 dahingehend abgeändert worden, daß ein selektives Erleuchten der Lampen 32t 36 nicht erforderlich ist.

Anstatt dessen wirkt nach Eintreten in die Unterbrechungssubroutine das Solenoid 40 dahingehend, daß der Spiegel 30 eine horizontale Stellung um seinen Schwenkpunkt 42 einnimmt. Das Vidikon 12 beobachtet dann den Prüfling 34 und führt das Ausrichten und die Skalenfaktorierung des Flußschemas der Figur 3 durch. Bevor zum Programm zurückgekehrt wird, wird das Solenoid 40 abgeschaltet, so daß der Spiegel 30 seinen Schrägwinkel zum Vidikon einnimmt, um ein weiteres Prüfen der Teile 28 durchzuführen.

Claims

Patentansprüche

Sichtprüf system g e k e η η ζ e lehnet · durch Videobildkompensation mit einem zu prüfenden Zielgegenstand (28)_t einen Prüfling (34) (test piece) einer Kamera (12) mit Sichtfeld und einer zwischen Zielgegenstand, Prüfling und Kamera zwi schenge schalteten Einrichtung (30,36.40,42) zum selektiven Richten des Sichtfeldes der Kamera vom Zielgegenstand auf das Prüfbild (46).
2. Sichtprüfsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung

(30) eine reflektierende Oberfläche aufweist.
3. Sichtprüfsystem nach Anspruch 2, da d u rc h gekennze ichnet, daß als reflektierende Oberfläche ein Spiegel verwendet wird.

TELEX: TELEGRAMM: TELEFON: BANKKONTO: POSTSCHECKKONTa 1-85644 INVENTION BEiRUN BERLINER BANK AQ, PMEtSSNEaBLN-W kivand BERLIN 030/881 COST BERLIN 31 404737-K» 030/691 30 26 360'.M60O0
4. Sichtprüfsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel nach Wahl transparent ist.
5. Sichtprüfsystem nach Anspruch 3, gekenn-

zeichnet durch eine Einrichtung, die mit dem Spiegel zum selektiven Bewegen des Spie.gels in das und aus dem Sichtfeld der Kamera verbunden ist.
6. Sichtprüfsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfling Mittel horizontalen und vertikalen Ausrichten eines Ausgangssignal's der Kamera (12) aufweist.
7. SichtprUfsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfling darüber hinaus Mittel zum Großenordnungsändern eines Ausgangssignals der Kamera im Hinblick auf geometrische Werte und auf Grauskalenwerte.
8. Sichtprüfsystem nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Verarbeitungseinrichtung (18) zum Digitalisieren, Verschieben, Großenordnungsändern und Speichern des Ausgangssignals.
9. Sichtprüfgerät bestehend aus einer Kamera und gekennzeichnet durch eine betrieblich mit der Kamera verbundene Einrichtung (30,36,40,42) zum selektiven Verändern des bei der Kamera einfallenden Sichtfeldes.
10. Sichtprüfgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (30) eine reflektierende Oberfläche aufweist.
11. Sichtprüfgerät nach Anspruch 10, dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t, daß die reflektierende Oberfläche vor der Kamera in einem ihr gegenüber schiefen Winkel gehalten wird.
12. Sichtprüfgerät nach Anspruch 11, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die reflektierende Oberfläche vor der Kamera schwenkbar (42) aufgehängt ist.
13. Sichtprüfgerät nach Anspruch 11,dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß als reflektierende Oberfläche ein selektiv transparenter Spiegel (30) verwendet wird,
14. Sichtprüfgerät nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e η η ze i c h η e t, daß ein Prüfbild

(46) der reflektierenden Seite von der Kamera gegenüberliegend gehalten wird.