DE69709129T2

DE69709129T2 - Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des kontrastes

Info

Publication number: DE69709129T2
Application number: DE69709129T
Authority: DE
Inventors: Simon Lau; Rhys Roberts
Original assignee: Spectrum Technologies PLC
Current assignee: Spectrum Technologies PLC
Priority date: 1996-09-04
Filing date: 1997-09-04
Publication date: 2002-07-11
Anticipated expiration: 2017-09-05
Also published as: DE69709129D1; CA2264861A1; US6826307B1; AU4125697A; CA2264861C; EP0925549B1; EP0925549A1; WO1998010365A1; GB2317007B; ATE210859T1; GB2317007A; GB9618471D0

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kontrastbestimmung und insbesondere, aber nicht ausschließlich, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen des Kontrastes von Markierungen auf Drähten und Kabeln. Die Erfindung erstreckt sich jedoch auf Kontrastmessungen im Allgemeinen und auf diverse Anwendungen, wie beispielsweise die Messung des Kontrastes einer Barcode-Markierung.
Die hohe Lesbarkeit von durch Benutzer angebrachte Markierungen auf Drähten und Kabeln, die in der Weltraumindustrie verwendet werden, ist besonders wichtig und eine akzeptierte Notwendigkeit. Die wissenschaftliche Messung von "Lesbarkeit" muß jedoch noch bestimmt werden. Bisher wird nur ein Aspekt der Lesbarkeit, nämlich die Kontrastmessung von Markierungen, bestimmt. Bei einem herkömmlichen Kontrastmessungssystem für Drähte und Kabel wird zur Messung der Luminanz an einem Punkt auf der "schwarzen" Markierung oder anderen Kennzeichen und an einem Punkt auf dem "weißen" Hintergrund ein Fotometer verwendet, welches einen Filter für sichtbares Licht enthält, um der Empfindlichkeit des menschlichen Auges zu entsprechen. Diese Ablesungen werden nacheinander vorgenommen und zur Berechnung des Kontrastes verwendet. Die Ausdrücke "schwarz" und "weiß" sind angenäherte Ausdrücke, da dieser Bereiche natürlich nicht 0% und 100% Reflektivität aufweisen.
Die bereits existierenden Systeme haben verschiedene Nachteile. Erstens werden die Ablesungen nacheinander vorgenommen, was bedeutet, daß sich die Beleuchtung oder andere Bedingungen zwischen den Ablesungen ändern können. Zusätzlich muß der Draht oder das Kabel relativ zum Fotometer bewegt werden, um die beiden Ablesungen durchzuführen, was zusätzliche Faktoren einführen kann, beispielsweise kann sich die Orientierung oder der Abstand der Oberfläche des Drahtes zwischen den Ablesungen verändern. Zusätzlich haben wir herausgefunden, daß die punktuelle Abtastung der Markierung und des Hintergrundes unter Umständen nicht den wahren Wert des Kontrastes ergibt. Beispielsweise variiert die "Weißheit" des Hintergrundes oder die "Schwarzheit" der Markierung bei verschiedenen Punkten, so daß einzelne Abtastungen nicht repräsentativ sein können. Ebenso haben wir herausgefunden, daß die von dem menschlichen Auge/Gehirn empfundene Lesbarkeit eines Buchstabens vom Kontrast des gesamten Buchstabens und nicht von lediglich einem einzigen Punkt abhängt.
US Patent Nr. 5268580 offenbart ein Barcode-Verbesserungssystem, in dem ein Bild eines Artikels, der einen Barcode trägt, aufgenommen wird. Das Bild wird durch Aufteilung desselben in Gruppen von 2 · 2 Pixeln analysiert. Drei von vier Pixeln jeder Gruppe werden nacheinander bezüglich Kontrast geprüft und die maximalen und minimalen Werte bestimmt und zum Erzielen eines Wertes verwendet, der den Kontrast dieser Gruppe repräsentiert. Bei dieser Anordnung wird der Kontrastwert auf der Basis eines einzigen "Maximums" und eines einzigen "Minimums" bestimmt.
Dementsprechend haben wir ein neues Kontrastmeßsystem entwickelt, welches eine Kontrastmessung ermöglicht und neue Merkmale und Kapazitäten zur Verfügung stellt, welche bei bekannten Fotometern nicht vorhanden sind. Bei unserem System wird ein zweidimensionales Bild wenigstens eines Teils der Markierung und des Hintergrundes aufgenommen, so daß das Bild bei verschiedenen Punkten und bevorzugt über im wesentlichen den gesamten gewählten Abschnitt des aufgenommenen Bildes abgetastet werden kann.
Dementsprechend stellt die Erfindung gemäß einem Aspekt eine Vorrichtung zum Bestimmen des Kontrastes einer Markierung zur Verfügung, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
Bildsensormittel zum Aufnehmen eines zweidimensionalen Bildes von wenigstens einem Teil der Markierung und einem Hintergrund,
Mittel zum Abtasten des aufgenommenen Bildes über eine Mehrzahl von Pixeln der Markierung und über eine Mehrzahl von Pixeln des Hintergrundes, um jeweilige Intensitätswerte der Pixel der Markierung und der Pixel des Hintergrundes zu erhalten, und
Kontrastbestimmungsmittel zum Bestimmen des Kontrastes der Markierung auf der Basis einer Summe oder eines Durchschnittes der Intensitätswerte der Pixel der Markierung sowie einer Summe oder eines Durchschnittes der Intensitätswerte der Pixel des Hintergrundes.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur gleichzeitigen Aufnahme lediglich weniger Punktabtastungen von der Marke und dem Hintergrund unter denselben Hintergrundbedingungen verwendet werden, im Gegensatz zu früheren herkömmlichen Anordnungen, welche die Abtastungen nacheinander aufnehmen. Es ist jedoch bevorzugt eine Serie von Abtastungen über die ganze Markierung und den benachbarten Hintergrund aufzunehmen und diese Abtastpunkte für eine Kontrastmessung zur Verfügung zu steilen.
Der Bildsensor umfaßt bevorzugt einen zweidimensionalen CCD-Matrixsensor. Der Sensor umfaßt bevorzugt ein optisches System, welches in Anbetracht der Zeichengröße der Markierungen derart gewählt ist, daß der Sichtbereich des Sensors ausreichend groß ist, um ein vollständiges Zeichen und einen entsprechenden Bereich des Hintergrundes zu beinhalten.
Die Vorrichtung umfaßt bevorzugt Mittel zum Bestimmen eines Bereiches des aufgenommenen Bildes, aus welchem die Abtastwerte für die Kontrastmessung genommen werden. Auf diese Weise kann ein Bediener das benötigte Zeichen und den Hintergrund bestimmen, wodurch jegliche Fremdteile des Bildes, welche zu Fehlern führen könnten, abgeschnitten werden.
Sofern der Bildsensor eine CCD-Matrix oder ein anderer Pixelwerte abgebender Sensor ist, nimmt das Kontrastbestimmungsmittel vorzugsweise die Pixelwerte im Bild (oder des ausgewählten Teils dieses) und stuft die Pixelintensitätswerte ein, um Pixel als "schwarz" zu kategorisieren, welche eine Intensität unterhalb eines ersten vorbestimmten Wertes haben, und Pixel als "weiß" zu kategorisieren, welche eine Intensität größer als einen zweiten vorbestimmten Wert haben. Pixel mit Zwischenwerten für die Pixelintensitätswerte werden als Zwischengraubereiche kategorisiert und für die Kontrastmessung nicht verwendet. Das Kontrastbestimmungsmittel leitet vorzugsweise einen Wert entsprechend einer Summe oder eines Durchschnitts der "schwarzen" Pixelintensitätswerte und entsprechend einen Wert für Summe oder Durchschnitt der "weißen" Pixelwerte ab und verwendet diese Summen oder Durchschnitte um eine Kontrastmessung abzuleiten. Beispielsweise wird die Kontrastmessung aus folgender Formel erhalten:
(Imax - Imin)/Imax
wobei Imax der Durchschnittsintensitätswert der "weißen" Pixel und Imin der Durchschnittsintensitätswert der "schwarzen" Pixel ist.
Nach der Aufnahme des Bildes können in gleicher Weise andere Bildanalysetechniken verwendet werden, um weitere Messungen der Lesbarkeit durchzuführen. Beispielsweise können die Abtastwerte analysiert werden, um die Schärfe oder Konturschärfe der Grenze der Markierung zu bestimmen, usw. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung stellt diese ein Verfahren zum Bestimmen des Kontrastes einer Markierung zur Verfügung, wobei dieses Verfahren folgende Schritte umfaßt:
(i) Aufnehmen eines zweidimensionalen Bildes von wenigstens einem Teil der Markierung und einem Hintergrund,
(ii) Abtasten des aufgenommenen Bildes über eine Mehrzahl von Pixeln der Markierung und über eine Mehrzahl von Pixeln des Hintergrundes, um jeweilige Intensitätswerte der Pixel der Markierung und der Pixel des Hintergrundes zu erhalten, und
(iii) Bestimmen des Kontrastes der Markierung auf der Basis einer Summe oder eines Durchschnitts der Intensitätswerte der Pixel der Markierung sowie einer Summe oder eines Durchschnittes der Intensitätswerte der Pixel des Hintergrundes.
Die Erfindung kann auf verschiedene Weise ausgeführt werden und eine bestimmte Ausführungsform dieser wird nachfolgend lediglich als Beispiel im Detail beschrieben, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird, welche ein schematisches Diagramm eines erfindungsgemäßen Kontrastmeßsystems darstellt.
Die Kontrastmeßvorrichtung 10 umfaßt zwei in 45º zueinander angeordnete Lichtquellen 12, welche von einer stabilisierten Gleichstromquelle 14 mit Energie versorgt werden, ein Fotometer 16 oder einen Detektor für sichtbares Licht, welcher dem CIE-Standard-Kolormetrischen Beobachter bei 0º eng entspricht, eine Energieversorgung 18 für den Detektor und eine Zielauflage 20, wobei all dies in einem fremdgekühlten Gehäuse 22 angeordnet ist. Das Fotometer 16 ist mit einem Personalcomputer 24 verbunden, welcher eine Bildaufzeichnungskarte und Bildanalysesoftware aufweist. Das Fotometer 16 ist eine schwarzweiß CCD-Videokamera 26 mit typischerweise einem 1/2 inch CCD-Sensor mit 756 · 581 Pixeln, es ist jedoch auch möglich viele andere unterschiedlich dimensionierte Sensoren, wie beispielsweise 788 · 493 Pixel oder ein 113 inch CCD oder andere Variationen davon zu verwenden. Die Kamera ist mit einem Y-Transmissionsfilter 28 für sichtbares Licht ausgestattet, welcher eng dem CIE-Standard-Kolormetrischen Beobachter entspricht, und weist ferner eine Bildoptik 30 auf.
Die Bedienungsperson plaziert einen markierten Draht 32 in einem Drahthalter 34 auf der Zielauflage 20 direkt unterhalb des Fotometers, so daß die Probe von den beiden Lichtquellen 12 beleuchtet wird.
Der Bediener positioniert mittels Betrachtung des Videobildes auf dem PC- Bildschirm 36, welches von dem Fotometer aufgenommen und über die Bildaufzeichnungskarte und die Videoanzeigesteuerung zum Monitor 36 übertragen wird, den Draht in der korrekten Meßposition. Wenn der Bediener mit der Position des Drahtes zufrieden ist, drückt dieser eine Taste, und der Personalcomputer speichert ein Bild des aktuellen Videobildes. Dieses Bild enthält volle Videoinformation einschließlich 8 Bit (256) Graustufenskalierung für jedes Pixel des Bildes.
Sobald das Bild im Speicher gespeichert ist, kann der Bediener wählen, ob er diese Information als Datendatei zur späteren Analyse abspeichert oder ob der die Markierung und den Hintergrund sofort analysiert, um ein Kontrastresultat zu erzeugen. In jedem Fall benutzt der Bediener die Maus 40 oder andere Mittel, um ein Rechteck um die bestimmte und zu messende Markierung und den Hintergrund zu ziehen. Die kundenspezifische Software analysiert die gespeicherten Daten, um ein Kontrastresultat der Markierung bezüglich des umgebenden Hintergrundes zu erzeugen.
Die Kontrastmessung kann auf unterschiedlichen Wegen durchgeführt werden. In einem Beispiel können die Pixelintensitätswerte eingestuft werden, um diese als "weiß", "schwarz" oder Zwischengrau zu kategorisieren. Die Pixel mit Zwischengrau-Werten können außer acht gelassen werden, und es wird dann der Durchschnitt der "Schwarz"- und "Weiß"-Intensitätswerte (Imin, Imax) erhalten. Die Imin- und Imax-Werte können dazu verwendet werden, einen Wert für den Kontrast mittels folgender Formel zu erhalten:
Kontrast = (Imax - Imin)/Imax
Das Bild kann auch anderen Bildbearbeitungstechniken unterzogen werden, um andere charakteristische Eigenschaften bezüglich der Lesbarkeit des Bildes zu bestimmen.
Mit dem erhaltenen Kontrastresultat kann der Bediener ebenso wählen, ob er dieses Resultat mit einem Bild des Drahtes während der Untersuchung mit beispielsweise dem ausgewählten Bereich oder den ausgewählten Bereichen, welche gemessen wurden, speichert. Da PC-basiert, kann der Bediener zu historischen Zwecken auch andere relevante Daten eingeben, wie beispielsweise das Kalenderdatum, den Bediener, den Draht usw.. Auf diese gespeicherten Daten kann später zugegriffen werden und diese können zur Berichterzeugung, beispielsweise zum Zwecke der Qualitätskontrolle, verwendet werden, um die Variabilität gemessener Kontraste mit der Zeit oder Drahttyp usw. zu verfolgen.
Die Meßvorrichtung stellt einige sehr nützliche Vorteile bezüglich z.Z. bekannten Techniken zur Verfügung. Im bekannten Stand der Technik kann nur ein einzelner Punkt oder einzelne Punkte entlang einer Linie gemessen werden. Die Messung über eine Fläche ist, außer bei wiederholten Messungen, nicht möglich, wobei der Draht auf einen unterschiedlichen Abtastpunkt neu positioniert werden muß. Dies ist sehr zeitaufwendig und neigt zu Ungenauigkeiten in der Positionierung, solange nicht irgend eine Art von genauer Bewegungsvorrichtung verwendet wird. Die neue Anordnung kann einen ganzen Bereich abtasten, welcher nahezu eine halbe Million individueller Sensoren in weniger als einer Sekunde abdeckt, wodurch dem Bediener eine reguläre Matrix gemessener Orte zur Verfügung steht. Eine Vielzahl von Vergrößerungen kann unter Verwendung der Optik 30 verwendet werden, so daß diese Matrix einer Vielzahl von Dimensionen der Zieloberfläche entsprechen kann, wobei in diesem Beispiel die Abtastung über einen Bereich von 3 mm · 4 mm auf dem Ziel erfolgt. Bei dieser Vergrößerung hat ein einzelner Punkt der Matrix eine Punktgröße von 4 Mikron.
Mit diesem neuen System ist es auch möglich, ein Punktmeßsystem oder ein Linienmeßsystem zu simulieren. Dies wird dadurch erzielt, daß dem oben angegebenen Betrieb zur Flächenmessung gefolgt wird, mit der Ausnahme, daß während der Analyse des gesamten Bildes der Bediener die Maus oder andere Mittel verwendet, um eine Linie zu ziehen oder einen Punkt zu bestimmen, die bzw. der die Markierung und den Hintergrund teilt oder enthält.
Der Stand der Technik beinhaltet Einzelpunktmessungen mit Abtasten von Flächen zwischen 120 Mikron und 400 Mikron. Dies ist zu vergleichen mit 4 Mikron für das vorliegende System. Die höhere Zielgröße bedeutet, daß die Kontrastmessungen von Zeichen mit Strichbreiten kleiner oder gleich zum Zielbereich Fehlern aufgrund der Aufnahme von Licht von außerhalb des Zieles unterliegen. Um diese fehlerhaften Messungen zu vermeiden, empfiehlt die Herstelleranleitung üblicherweise die Messung von Markierungen blockweise oder in vollen Rechtecken durchzuführen, d. h. Ziele zu messem, deren Dimensionen die Dimensionen des Abtastbereiches übersteigen. Mit dem neuen System können wesentlich kleinere Ziele gemessen werden, einschließlich einzelne Zeichen.
Der Stand der Technik beinhaltet eine Einzelpunktmessung, so daß zur Messung des Kontrastes zunächst die Luminanz der Markierung gemessen werden muß und dann die Messung des Hintergrundes erfolgt, oder umgekehrt. Da dies eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt, um den Zieldraht neu zu positionieren, ist es notwendig, eine Konstantenergiequelle zu verwenden, um einen konstanten Beleuchtungspegel zu erzielen, so daß die Resultate äquivalent sind. Mit dem neuen System wird die gesamte Fläche bei nahezu 50 Hz oder nahezu 60 Hz abgetastet, was bedeutet, daß Pegeländerungen des Lichts weniger signifikant sind. Da Kontrasfeine simple Relativmessung ist, sollte es möglich sein, das System dadurch zu vereinfachen, daß auf eine stabilisierte Energieversorgung verzichtet wird.
Die Erfindung ist darüber hinaus, da das neuartige System PC-basiert ist, gut geeignet für statistische Analysen für jede Art Ablesungen, sei es als statistische Analyse einzelner individueller Pixel von der Matrix oder statistische Analysen von einer Serie von Kontrastmessungen verschiedener Marken zum Herstellen eines Berichts.

Claims

1. Vorrichtung zum Bestimmen des Kontrastes einer Markierung, folgendes umfassend,

Bildsensormittel (16) zum Aufnehmen eines zweidimensionalen Bildes von wenigstens einem Teil der Markierung und einem Hintergrund,

Mittel (24) zum Abtasten des aufgenommenen Bildes über eine Mehrzahl von Pixeln der Markierung und über eine Mehrzahl von Pixeln des Hintergrundes, um jeweilige Intensitätswerte der Pixel der Markierung und der Pixel des Hintergrundes zu erhalten,

gekennzeichnet durch

Kontrastbestimmungsmittel (24) zum Bestimmen des Kontrastes der Markierung auf der Basis einer Summe oder eines Durchschnittes der Intensitätswerte der Pixel der Markierung sowie einer Summe oder eines Durchschnittes der Intensitätswerte der Pixel des Hintergrundes.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (24) zum Speichern einer Serie von Abtastwerten über die gesamte Markierung und den benachbarten Hintergrund vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildsensor einen zweidimensionalen CCD-Matrixsensor (26) umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein optisches System (30) umfaßt, welches in Anbetracht der Zeichengröße der Markierungen derart ausgewählt ist, daß der Sichtbereich des Sensors (16) ausreichend groß ist, um ein vollständiges Zeichen und einen entsprechenden Bereich des Hintergrundes zu beinhalten.

5. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (24/40) zum Bestimmen eines Bereiches des aufgenommenen Bildes vorgesehen sind, aus welchem die Abtastwerte für die Kontrastmessung genommen werden.

6. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrastbestimmungsmittel (24) die Pixelintensitätswerte des Bildes unter Verwendung entsprechender Schwarz- und Weißschwellwerte einstufen, um die Pixel als "schwarz" oder "weiß" zu kategorisieren, und daß das Kontrastbestimmungsmittel derart ausgebildet ist, daß es eine Kontrastmessung gemäß der folgenden Formel ausführt:

(Imax - Imin)/Imax

wobei Imax der aufsummierte oder durchschnittliche Intensitätswert der "weißen" Pixel und Imin der aufsummierte oder durchschnittliche Intensitätswert der "schwarzen" Pixel ist.

7. Verfahren zum Bestimmen des Kontrastes einer Markierung, mit folgenden Schritten,

(i) Aufnehmen eines zweidimensionalen Bildes von wenigstens einem Teil der Markierung und einem Hintergrund und

(ii) Abtasten des aufgenommenen Bildes über eine Mehrzahl von Pixeln der Markierung und über eine Mehrzahl von Pixeln des Hintergrundes, um jeweilige Intensitätswerte der Pixel der Markierung und der Pixel des Hintergrundes zu erhalten,

gekennzeichnet durch

(iii) Bestimmen des Kontrastes der Marke auf der Basis einer Summe oder eines Durchschnittes der Intensitätswerte der Pixel der Markierung sowie einer Summe oder eines Durchschnittes der Intensitätswerte der Pixel des Hintergrundes.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Pixel des Bildes unter Verwendung entsprechender Schwarz- und Weißschwellwerte eingestuft werden, um die Pixel jeweils als "schwarz" oder "weiß" zu kategorisieren, und daß jeweilige Summen- oder Durchschnittswerte der Intensitäten der "schwarzen" und "weißen" Pixel gebildet werden, wobei eine Kontrastmessung gemäß der folgenden Formel ausführt wird:

(Imax - Imin)/Imax