DE19616176A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung von Eigenschaften bewegter Objekte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Erkennung von Eigenschaften bewegter Objekte nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs bzw. des nebengeordneten Anspruchs.

Im Stand der Technik ist eine Sortiervorrichtung be­ kannt, bei der Gegenstände auf einem Band an einer Kamera, beispielsweise einer CCD-Kamera vorbeibewegt werden, die aus Pixeln zusammengesetzte Bilder auf­ nimmt. Vor der Kamera ist ein rotierendes Filterrad angeordnet, das für verschiedene Wellenlängen ausge­ legt ist. Es werden nacheinander unter Drehung des Filterrades bei verschiedenen Wellenlängen Bilder aufgenommen, wobei die Bilder als Pixel bzw. Bild­ punkte als dreidimensionaler Datensatz in einem Spei­ cher gespeichert werden. Die Wellenlängen der Filter des Filterrades sind entsprechend den zu sortierenden Gegenständen gewählt, so daß abhängig von der in dem Speicher gespeicherten wellenlängenabhängigen Pixel­ information geschlossen werden kann, um welches Mate­ rial es sich handelt. Diese bekannte Vorrichtung ist ein serielles System, das bei schnell bewegten Gegen­ ständen bzw. Objekten zu Meßfehlern und Artefakten führt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung von Ei­ genschaften bewegter Objekte zu schaffen, die eine gleichzeitige Bilddetektion bei unterschiedlichen Wellenlängen mit nur einem Detektorarray ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs bzw. des Ne­ benanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen der ent­ sprechenden Oberbegriffe gelöst.

Dadurch, daß die Objekte über mehrere Filter unter­ schiedlicher Wellenlängen und mehrere Abbildungsopti­ ken auf verschiedene örtliche Bereiche eines Detekto­ rarrays als Bilder mit unterschiedlichen Wellenlängen abgebildet werden, kann eine Vorrichtung zur Erken­ nung von Eigenschaften bewegter Objekte mit einem preiswerten und schnellen Simultandetektor zur Ver­ fügung gestellt werden. Es entsteht zwar durch das virtuelle Aufspalten eines Detektorarrays in ver­ schiedene Sektoren und Belichtung jedes Sektors mit dem vollen Bild, aber jeweils unterschiedlichen wel­ lenlängenselektiven Filtern ein Kompromiß zwischen spektraler Auflösung und Ortsauflösung, das jedoch viele Aufgaben zur Erkennung von Eigenschaften nur wenige Wellenlängen und eine Vielzahl von Pixeln ver­ langen, ist dieser Kompromiß nicht von Nachteil.

Durch dieses virtuelle Aufspalten läßt sich aus einem zweidimensionalen Detektorarray wieder ein dreidimen­ sionaler Datensatz gewinnen, wobei, anders als im obengenannten Stand der Technik alle Datenpunkte si­ multan ermittelt werden, d. h. die Bewegung des Objek­ tes keine Rolle mehr spielt.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen möglich.

Für den Fall, daß die Relativbewegung zwischen Objekt und Kamerasystem meßbar oder rechnerisch nachvoll­ ziehbar ist, kann das Detektorarray als Zeilenkamera, das heißt eindimensional ausgebildet sein, wobei die Bilder der zu erfassenden Objekte aufgrund der zei­ lenförmigen Abtastung und der Bewegung als Bildpunkte unterschiedlicher Intensität gespeichert werden. So läßt sich durch Hinzufügen der Dimension Zeit der benötigte dreidimensionale Datensatz mit einem nur eindimensionalen und daher preiswerten Detektorarray erzeugen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das Verfahren können für unterschiedliche Erkennungsaufgaben ver­ wendet werden, beispielsweise zur Materialerkennung, wodurch Sortieraufgaben, beispielsweise Sortierung von Dosen oder Flaschen unterschiedlicher Kunststof­ fe, Bauschuttsortierung oder Kompostsortierung gelöst werden können. Eine andere Erkennungsaufgabe ist die Feuchtemessung, zum Beispiel für Trockengemüse für Fertiggerichte. Es ist jedoch auch vorstellbar, daß unterschiedliche Aggregatzustände, wie Eis und Wasser insbesondere zur Feststellung des Straßenzustandes aus der Luft bestimmt werden, wobei die erfindungs­ gemäße Vorrichtung in einem Luftfahrzeug angeordnet ist und die Bewegung der Objekte aufgrund der Rela­ tivbewegung zwischen Luftfahrzeug und Erde hervorge­ rufen wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich­ nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be­ schreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erkennung von Eigen­ schaften von auf einem Transportband bewegten Objekten nach der vorliegen­ den Erfindung,

Fig. 2 eine schematische perspektivische An­ sicht der Filter- und Abbildungsoptik sowie eines Detektorarrays nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung entsprechend der Anordnung nach Fig. 2, und

Fig. 4 eine Schnittdarstellung entsprechend Fig. 3 nach einem weiteren Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zum Sortieren von Bau­ schutt dargestellt, bei der die Objekte 1 des Bau­ schutts nicht überlappend nebeneinander auf einem Transportband 2, das sich in Richtung des Pfeils 3 bewegt, angeordnet sind. Über dem Band 2 ist eine Infrarot-Kamera z. B. eine ein Detektorarray bildende CCD-Kamera angeordnet, wobei die Kamera 4 die Objekte 1 auf dem Band als Bildpunktmuster entsprechend ihrer örtlichen Auflösung abbildet. Zwischen Band 2 und Kamera 4 ist eine Filter- und Abbildungsoptikanord­ nung 5 in den Strahlengang geschaltet, die näher in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt ist. Die Filter- und Abbildungsoptikanordnung 5 besteht aus mehreren wel­ lenlängenselektiven Filtern, deren spektralen Durch­ laßkurven entsprechend den spektralen Eigenschaften der verschiedenen zu sortierenden Materialien im Bau­ schutt gewählt sind. Weiterhin weist die Filter- und Abbildungsoptikanordnung 5 den Filtern zugeordnete Abbildungsoptiken auf, die das Bild der Objekte 1 auf dem Band 2 so aufspalten, daß es mehrfach mit unter­ schiedlichen Wellenlängen auf verschiedene Bereiche der Detektorfläche der Kamera 4 abgebildet werden. Die wellenlängenselektiven Bilder werden als Bild­ punkte oder Pixel in einem Bildspeicher 6 gespei­ chert, der mit einer beispielsweise als Rechner aus­ gebildeten Auswerteeinheit 7 verbunden ist. Die Aus­ werteeinheit 7 nimmt eine Auswertung vor, indem sie die Bildpunktsignale mit den entsprechenden Spektral­ kurven der unterschiedlichen zu sortierenden Materia­ lien vergleicht bzw. mit diesen korreliert, um so die unterschiedlichen Materialien oder Materialeigen­ schaften zu erkennen. Abhängig von dem Ergebnis wer­ den über einen Steuereingang 8 entsprechende Signale an Trennvorrichtungen gegeben, über die die Objekte 1 entsprechend ihren Materialeigenschaften getrennt werden. Es kann ein Display 9 vorgesehen sein, auf dem die Bilder angezeigt werden.

In Fig. 2 und Fig. 3 ist eine Filter- und Abbildungs­ optikanordnung 5 mit einer Andeutung des Strahlengan­ ges dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel sind vier Filter 10 mit unterschiedlichen spektralen Durchlaßkurven in einer Ebene nebeneinanderliegend angeordnet, denen jeweils Linsen 11 nachgeschaltet sind, die das Objekt 1 auf unterschiedlichen Stellen des Detektorfeldes 12 als Bilder 13 bei verschiedenen Wellenlängen abbilden. Das Detektorfeld wird somit in verschiedene Sektoren oder Bereiche virtuell aufge­ spaltet und jeder Sektor wird mit dem vollen Bild bei unterschiedlichen Wellenlängen belichtet. Auf diese Weise dient das Detektorfeld 12 als Simultandetektor. In der Darstellung nach Fig. 2 und Fig. 3 sind die Bilder 13 auf dem Detektorfeld 12 der Übersichtlich­ keit wegen weit auseinander gezeichnet, selbstver­ ständlich werden sie näher beieinanderliegen, um das Detektorfeld 12 besser auszunutzen.

In Fig. 4 ist ein weiteres Beispiel der Filter- und Abbildungsoptikanordnung 5 der Fig. 1 dargestellt. Hier werden anstelle der Linsen 11 im Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 2 und Fig. 3 optische Keile 14 ver­ wendet, die entsprechend den gewünschten Abbildungs­ bereichen ausgerichtet sind. Den Keilen 14 ist eine Sammellinse 15 nachgeschaltet, die die Bilder 13 auf dem Detektorfeld 12 abbilden.

In Fig. 2 sind vier Filter 10 mit entsprechenden Lin­ sen 11 nebeneinander bzw. übereinander angeordnet. Selbstverständlich können mehr, aber auch weniger Filter mit entsprechenden Abbildungsoptiken abhängig von den Erkennungsaufgaben und von der Auflösung der Detektoranordnung gewählt werden. Es ist auch denk­ bar, daß eines der Filter einen breiteren Wellenlän­ genbereich oder das gesamte Spektrum durchläßt, wobei es in letzterem Fall weggelassen werden kann.

Weiterhin wird in Fig. 2 ein Detektorfeld verwendet, es kann aber auch eine Detektorzeile als eindimensio­ nale Detektoranordnung vorgesehen werden, wobei eine in der Richtung konstante und im Betrag der Geschwin­ digkeit meßbare Bewegung der Objekte dann als weitere Dimension eingeht. Beispielsweise können die Objekte gleichförmig bewegt werden, es kann jedoch auch ein anderer Bewegungszustand zugrundegelegt werden, je­ doch muß dieser meßbar oder berechenbar sein.

Im folgenden sollen einige Anwendungsbeispiele neben der oben beschriebenen Sortierung angegeben werden. Beispielsweise werden in der Getränkeindustrie PVC- Flaschen verwendet, wobei diese von anderen Getränke­ flaschen, die üblicherweise aus Polyethylenterepht­ halat (PET) bestehen, unterschieden werden. Dabei können Filter 10 mit charakteristischen Wellenlängen von z. B. 1125 und 1225 nm bzw. 1655 und 1750 nm ver­ wendet werden, wobei entsprechend diesen Wellenlängen die Unterscheidung vorgenommen wird.

Ein anderes Anwendungsgebiet gilt der Feuchtemessung, die beispielsweise für die Trocknung und Einfrierung von Gemüsen von Wichtigkeit ist, wobei charakteristi­ sche Wellenlängen für trocken und feucht beispiels­ weise 900 und 970 nm bzw. 1050 und 1650 nm bzw. 1280 und 1440 nm sind.

Ein weiteres Anwendungsgebiet liegt in der Erkennung des Straßenzustandes in bezug auf Vereisung, wobei die Bilder der Straße von einem Luftfahrzeug bei­ spielsweise einem Hubschrauber aufgenommen werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, den Straßenzustand unabhängig vom Tausalzgehalt zu bestimmen. In ähnlicher Weise können Eisberge im Meer festgestellt werden. Die charakteristischen Wellen­ längen von Wasser und Eis liegen bei 1430 und 1480 bis 1490 nm.

Auch kann das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Vorrichtung für die Sortierung von Kompost in Kom­ postwerken angewandt werden, die zur Zeit von Perso­ nen manuell durchgeführt wird, was gesundheitliche Risiken mit sich bringt. Beispielsweise können auch hier abbaubare organische Materialien von syntheti­ schen Materialien wie Wachse und Kunststoffen ge­ trennt werden. Charakteristische Wellenlängen wären hier für die organischen Materialien etwa 1440 nm und für die synthetischen Materialien 1200 nm.

Claims (14)

1. Verfahren zur Erkennung von Eigenschaften beweg­ ter Objekte, von denen mittels eines Detektorar­ rays Bilder in unterschiedlichen Wellenlängenbe­ reichen aufgezeichnet werden und die wellenlän­ genabhängigen Bildpunktinformationen in einem Speicher gespeichert werden, der mit einer Aus­ werteeinheit verbunden ist, wobei durch die Aus­ werteeinheit aufgrund von vorgegebenen Wellen­ längeninformationen und der wellenlängenabhängi­ gen Bildpunktinformationen die Eigenschaften der Objekte bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Objekte über mindestens zwei wellenlän­ genselektive Filter und diesen zugeordneten op­ tischen Abbildungseinrichtungen simultan in min­ destens zwei Objektbilder unterschiedlicher Wel­ lenlängen aufgespaltet werden, die auf unter­ schiedlichen örtlichen Bereichen des einen De­ tektorarrays abgebildet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Objekte gleichförmig bewegt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Erkennung von Materialeigenschaften von Objekten.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Erkennung des Feuchtegehaltes von Objekten.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Erkennung des Aggregatzustandes von Objekten.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Bauschutt- oder Abfallsortierung.

7. Vorrichtung zur Erkennung von Eigenschaften be­ wegter Objekte mit einer mit einer Filteranord­ nung versehenen Detektoranordnung zum Aufzeich­ nen und Belichten von Bildern der Objekte in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, einem Speicher zum Speichern der wellenlängenabhängi­ gen Bildpunktinformationen und einer Auswerte­ einheit, die abhängig von vorgegebenen Wellen­ längeninformationen der Objekte und abhängig von der wellenlängenabhängigen Bildpunktinformatio­ nen die Eigenschaft der Objekte bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Objekt (1) und Detektoranordnung (4, 12) mindestens zwei wellenlängenselektive Filter (10) und mindestens zwei den Filtern (10) zugeordnete Abbildungsoptiken (11, 14) zum Proji­ zieren von Objektbildern unterschiedlicher Wel­ lenlängen auf unterschiedliche örtliche Bereiche der Detektoranordnung angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Filter (10) nahe an den Abbil­ dungsoptiken (11, 14) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abbildungsoptiken keilför­ mig ausgebildet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abbildungsoptiken als für jeden Wellenlängenbereich separate Linsen ausge­ bildet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoranord­ nung zeilenförmig ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoranord­ nung als Detektorfeld ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoranord­ nung als CCD-Kamera ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsopti­ ken aus einer Kombination von Linsen und Keilen bestehen.