DE4444661B4

DE4444661B4 - Method for non-contact measurement of speed

Info

Publication number: DE4444661B4
Application number: DE19944444661
Authority: DE
Inventors: Burghard Dr. Korneffel; Martin Korneffel
Original assignee: Korneffel Burghard Drrernat
Current assignee: Korneffel Burghard Drrernat
Priority date: 1994-12-15
Filing date: 1994-12-15
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2014-12-16
Also published as: DE4444661A1

Abstract

Verfahren zur berührungslosen Messung der Geschwindigkeit zwischen einem bildwandelnden Sensor, der eine Anordnung aus mehreren lichtempfindlichen Elementen enthält, und einem Messgut mit beliebig gemusterter sowie beliebig strukturierter Oberfläche, wobei der Sensor auf die Oberfläche des Messgutes gerichtet ist und die Oberfläche des Messgutes auf die lichtempfindlichen Elemente des Sensors abgebildet wird, und wobei den im Bild erkannten Struktureinzelheiten elektronisch erzeugte Signale, die eine Ortsinformation bezüglich der lichtempfindlichen Elemente des Sensors enthalten, zugeordnet und in einem Speichermedium als sogenannte Funktionspunkte abgelegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass aus den den Struktureinzelheiten des Messgutes zugeordneten Funktionspunkten von mehreren Bildern einer Folge mit ihren Bildaufnahmezeiten eine Menge gebildet wird und aus der Vielzahl der durch die Elemente der Menge legbaren Geraden diejenige Schar herausgesucht wird, bei der jede einzelne Gerade jeweils der gleichen Struktureinzelheit zuordenbar ist, indem Geraden, die im Mengenelement, welches von einem Funktionspunkt des zeitlich ersten Bildes der Folge gebildet wird, hier...method for contactless Measuring the speed between an image-converting sensor, which contains an arrangement of a plurality of photosensitive elements, and a material to be measured with arbitrarily patterned as well as arbitrarily structured Surface, the sensor being on the surface of the material to be measured is directed and the surface of the material to be measured on the photosensitive Elements of the sensor is mapped, and where the detected in the image Structural details electronically generated signals that provide location information in terms of associated with the photosensitive elements of the sensor and stored in a storage medium as so-called function points be, characterized in that from the structural details of the material to be measured assigned function points of several images a sequence is formed with their image acquisition times a lot and from the multiplicity of lines that can be laid down by the elements of the set that crowd is picked out, at which every single straight line each of the same structural detail is assignable by straight lines, those in the set element which are of a functional point of time first picture of the episode is formed, here ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur berührungslosen Messung der Geschwindigkeit zwischen einem bildwandelnden Sensor und dem Messgut mit beliebig gemusterter sowie beliebig strukturierter Oberfläche. Mit Messgut ist hier verallgemeinernd all das gemeint, auf das der Sensor gerichtet ist. Das kann beispielsweise der Straßenbelag, das Schotterbett einer Gleisstrecke, ein Förderband oder Walzgut sein. Die Geschwindigkeitsmessung erfolgt in Richtung längs der Oberfläche des Messgutes.The The invention relates to a method for non-contact measurement of the speed between a bildwandelnden sensor and the sample with any patterned as well as any structured surface. With Messgut is generalized here meant all that the sensor is aimed at. That can for example the road surface, be the ballast bed of a railway track, a conveyor belt or rolling stock. The speed measurement takes place in the direction along the surface of the material to be measured.

Eine Anzahl von bekannten Vorschlägen bezieht sich auf korrelationsoptische Verfahren. Unter Einsatz von optischen Gittern oder gerasterten Empfängerstrukturen werden Ortsfrequenzen herausgefiltert und daraus die Geschwindigkeit bestimmt, siehe DE 21 44 487 A , DE 24 50 439 A1 , DE 32 29 343 A1 oder DE 38 39 963 A1 . Die vom Wirkprinzip her bedingten Probleme liegen im folgenden: Regelmäßige Muster in der Oberfläche des Messgutes können die herausgefilterte Ortsfrequenz grob verfälschen und so zu falschen Messwerten führen; weiterhin, beim Übergang von Null zu kleinen Geschwindigkeiten (Startphase) ermittelt der Frequenzzähler die sehr kleinen Ortsfrequenzen mit beträchtlichem Fehler. In der DE 40 09 737 A1 , siehe auch US 42 18 623 , wird mit elektronischen Schaltungen die Phasenverschiebung herausgefiltert, die bei der Bewegung eines Bildes längs eines Zeilensensors entsteht. Aus der Phasenverschiebung wird die Geschwindigkeit abgeleitet.A number of known proposals relate to correlation optical methods. Using optical gratings or screened receiver structures, spatial frequencies are filtered out and the speed is determined, see DE 21 44 487 A . DE 24 50 439 A1 . DE 32 29 343 A1 or DE 38 39 963 A1 , The problems caused by the operating principle are as follows: Regular patterns in the surface of the material to be measured can grossly distort the filtered-out spatial frequency and thus lead to incorrect measured values; furthermore, in the transition from zero to low speeds (start phase) the frequency counter determines the very small spatial frequencies with considerable error. In the DE 40 09 737 A1 , see also US 42 18 623 , electronic circuits are used to filter out the phase shift that occurs when moving an image along a line sensor. The velocity is derived from the phase shift.

In der DE 22 53 138 A wird eine Korrelation zwischen zwei Abtastpunkten dadurch erreicht, dass das Signal des ersten Punktes über ein Schieberegister verzögert mit dem Signal des zweiten verglichen wird. Die Taktfrequenz des Schieberegisters wird solange nachgeregelt, bis Übereinstmmung erreicht wird. Aus der Taktfrequenz wird die Geschwindigkeit berechnet. In der DE 35 39 793 A1 wird ein weiteres Verfahren für die Korrelation zweier Bildausschnitte vorgeschlagen. Auch für diese Verfahren gilt, dass sie sensibel mit einem groben Fehler auf regelmäßige Muster reagieren.In the DE 22 53 138 A a correlation between two sampling points is achieved by delaying the signal of the first point via a shift register with the signal of the second one. The clock frequency of the shift register is readjusted until compliance is achieved. The speed is calculated from the clock frequency. In the DE 35 39 793 A1 Another method for the correlation of two image sections is proposed. Also for these procedures is that they react sensitively with a gross error on regular patterns.

In der US 5 194 908 A wird aus der Korrelation aufeinanderfolgender Bilder die Geschwindigkeit berechnet. Auch wird versucht, über Verfahren zur Überwachung eines Raumes auf Bewegung die Geschwindigkeit zu ermitteln: Die Bilder von unbewegten Gegenständen einer Szene löschen sich durch die fortlaufende Subtraktion aus, übrig bleiben die bewegten Gegenstände.In the US 5 194 908 A the velocity is calculated from the correlation of successive images. An attempt is also being made to determine the speed using methods for monitoring a room for movement: the images of stationary objects of a scene are canceled out by the continuous subtraction, leaving behind the moving objects.

In der US 5 116 118 A wird über das klassische Verfahren der Kreuzkorrelation die Geschwindigkeit bestimmt. Einen Überblick zur Kreuzkorrelation findet man in tm-Technisches Messen 61 (1994) 2, S.65–74.In the US 5 116 118 A The speed is determined by the classical method of cross-correlation. An overview of the cross correlation can be found in tm-Technisches Messen 61 (1994) 2, pp. 65-74.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff anzugeben, welches bei vertretbarem Aufwand die Werte für Geschwindigkeit und Weg mit außerordentlicher Präzision und hoher Störsicherheit bestimmt, wobei die Oberfläche des Messgutes beliebige Muster und/oder Strukturierungen, sowohl regelmäßige wie stochastische, besitzen kann.task The invention is to provide a method according to the preamble, which at reasonable cost with the values for speed and way with extraordinary precision and high interference immunity determined, the surface of the measured material any patterns and / or structuring, both regular like stochastic, can own.

Als bildwandelnder Sensor dient eine elektronische Kamera. Ein Vorteil der Erfindung ist, dass eine eindimensionale Anordnung von lichtempfindlichen Elementen, beispielsweise eine CCD-Zeilenkamera, genügt. Die Oberfläche des Messgutes wird auf die Ebene der lichtempfindlichen Elemente der Kamera abgebildet, wobei die CCD-Zeile weitestgehend parallel zur Bewegungsrichtung ausgerichtet ist. Der Kamera ist eine elektronische Anordnung nachgeschaltet, in der die abgebildeten Struktureinzelheiten erkannt werden. Jeder erkannten Struktureinzelheit wird erfindungsgemäß ein elektronisch erzeugtes Signal zugeordnet, das eine Ortsinformation bezüglich der lichtempfindlichen Elemente des Sensors enthält, und dessen sonstige Form und Größe in keinem Zusammenhang mit dem Grauwert der Struktureinzelheit stehen muss. Erfindungsgemäß werden von mehreren Bildern aus einer Folge diese elektronischen Signale als Funktionspunkte in einem Speichermedium platziert, und mittels einer speziellen Datenverknüpfung und einer speziellen Auswahl aus der Vielzahl der durch diese Funktionspunkte legbaren Kurven diejenige Kurvenschar herausgesucht, bei der jede Einzelkurve jeweils einer Struktureinzelheit zuordenbar ist. Die Steigung jeder Einzelkurve, sowohl im Betrag wie im Vorzeichen, ist ein unmittelbares Maß für die Geschwindigkeit zwischen der entsprechenden Struktureinzelheit und dem Sensor. Der Weg, den der Sensor relativ zur Oberfläche des Messgutes zurücklegt, ergibt sich aus der Integration der Geschwindigkeit über die Zeit.When Image-converting sensor is an electronic camera. An advantage The invention is that a one-dimensional array of photosensitive Elements, such as a CCD line scan camera, is sufficient. The surface of the material to be measured is at the level of the photosensitive elements imaged the camera, with the CCD line largely parallel is aligned to the direction of movement. The camera is an electronic one Downstream arrangement in which the structural details shown be recognized. Each recognized structural detail becomes electronic according to the invention associated signal which is a location information with respect to the contains photosensitive elements of the sensor, and its other form and size in none Must be related to the gray value of the structural detail. According to the invention of several pictures from a sequence of these electronic signals as Function points placed in a storage medium, and by means of a special data link and a special selection from among the plurality of these function points Legible curves picked out that set of curves where each Single curve can be assigned to a single structural entity. The Slope of each individual curve, both in magnitude and in sign, is an immediate measure of speed between the corresponding structural detail and the sensor. The way, the sensor travels relative to the surface of the material to be measured, results from the integration of speed over the Time.

Je mehr Bilder für die Gewinnung einer Kurvenschar verwendet werden, um so genauer lassen sich die Kurven aus der sehr großen Menge von Funktionspunkten herausarbeiten. Allerdings wird mit steigender Anzahl der Bilder die Messzeit länger. Dadurch wird die zeitliche Auflösung des Geschwindigkeitsverlaufes schlechter. In einem typischen Anwendungsfall haben sich fünf Bilder als guter Kompromiss zwischen Genauigkeit und Messzeit ergeben.ever more pictures for The extraction of a set of curves used to be more accurate let the curves be from the very large amount of function points work out. However, as the number of pictures increases the measuring time longer. This will be the temporal resolution the speed course worse. In a typical application have five Pictures are a good compromise between accuracy and measurement time.

Das elektronische Signal, welches der erkannten Struktureinzelheit zugeordnet wird, kann unterschiedlichste Form und Größe haben. Eine der vielen Möglichkeiten besteht darin, das elektronische Signal aus der Positionsadresse der Struktureinzelheit bezüglich der lichtempfindlichen Elemente des Sensors zu bilden.The electronic signal, which is assigned to the recognized structural detail, can have a wide variety of shape and size. One of the many possibilities is to extract the electronic signal from the positional address of the structural detail with respect to the photosensitive elements of the To form sensors.

Oft genügt es, die durch die Funktionspunkte generierten Kurven durch Geraden anzunähern. Nimmt man in dichter zeitlicher Folge die Bildsequenzen auf, was mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hervorragend gelingt, wird auch eine stark beschleunigte Bewegung über ein stückweises Zusammenfügen aus linearen Abschnitten mit der erforderlichen Genauigkeit wiedergegeben.Often enough it, the curves generated by the function points through straight lines to approach. takes one in a tight temporal sequence on the image sequences, what with the inventive method excellent succeeds, also a strongly accelerated movement over a piecewise Put together reproduced from linear sections with the required accuracy.

Um die gesuchten Geraden zu erhalten, wird erfindungsgemäß folgendermaßen vorgegangen: Die elektronischen Signale werden in das Speichermedium in einer Art platziert, die man, bei einem linearen Array als Bildwandler, anschaulich als Matrixanordnung bezeichnen könnte. Allerdings ist das „Bild" dieser Matrix sehr verwirrend. Im typischen Anwendungsfall ist jeder Funktionspunkt mit einem Fehler auf Grund des „Zuordnungsrauschens" seitens der Elektronik behaftet. Die im elektronischen Signal enthaltene Ortsinformation ist zufällig mal etwas kleiner und mal etwas größer als der „wahre" Wert. Noch ärgerlicher ist das „Schwellwertrauschen". Besäße die Oberfläche des Messgutes nur markante Strukturen, beispielsweise harte schwarzweiß – Übergänge, so gäbe es kein Schwellwertrauschen. Im typischen Anwendungsfall werden jedoch alle vorhandenen Strukturen, also auch feine Schlieren und Schattierungen, zur Messung herangezogen. Die Elektronik entscheidet bezüglich eines Vergleichswertes, dem Schwellwert, ob ein elektronisches Signal zugeordnet wird oder nicht. Liegt die Struktureinzelheit nahe am Schwellwert, dann wird in aufeinanderfolgenden Bildern zufällig mal zugeordnet und mal nicht. Weiterhin können allgemeine Störeinflüsse elektronische Signale erzeugen, die mit dem Bildinhalt nichts gemein haben. Im „Matrixbild" findet man so zwischen den „erwünschten" Funktionspunkten zahlreiche zufällig erzeugte.Around To obtain the sought straight line, the procedure according to the invention is as follows: electronic signals are in the storage medium in a kind which, in the case of a linear array as an image converter, can be clearly visualized could refer to as a matrix arrangement. However, the "picture" of this matrix is very confusing. In the typical application, every function point is with an error due to the "allocation noise" from the electronics afflicted. The location information contained in the electronic signal is random a little smaller and a bit bigger than the "true" value is the "threshold noise." Obtain the surface of the Measuring good only striking structures, such as hard black and white - transitions, there would be no Schwellwertrauschen. In the typical application, however, all existing structures, including fine streaks and shades, for Measurement used. The electronics decide on a Comparison value, the threshold, whether an electronic signal is assigned or not. Is the structural detail close to the threshold, then it is randomly assigned times and times in successive pictures Not. Furthermore you can general interferences electronic Generate signals that have nothing in common with the image content. In the "matrix picture" one finds so between the "desired" function points numerous randomly generated.

Aus diesem Wirrwarr in der geforderten kurzen Mess- und Auswertezeit bei vertretbarem Rechenaufwand die „wahren" Kurven herauszuschälen, erweist sich mit den bekannten Methoden als nicht durchführbar. In der großen Menge von Funktionspunkten lassen sich viele Geraden ziehen, die Funktionspunkte verschiedener „wahrer" Kurven miteinander verbinden, und damit einen völlig falschen Geschwindigkeitswert ergäben. Erfindungsgemäß werden mit drei zunächst willkürlich erscheinenden Festlegungen die „wahren" Kurven mit hoher Sicherheit bei vertretbarem Rechenaufwand herausgeholt.Out this jumble in the required short measurement and evaluation time At a reasonable computational effort, peeling out the "true" curves proves to be familiar Methods as not feasible. In the big one Set of function points can draw many straight lines that Function points of different "true" curves with each other connect, and thus a completely would result in incorrect speed value. According to the invention with three first arbitrarily appearing determinations the "true" curves with high certainty at reasonable Calculated outlay.

Erste Festlegung: Eine Gerade gilt als erkannt, wenn zwischen einem Funktionspunkt des zeitlich ersten Bildes, hier mit Fußpunkt bezeichnet, und einem Funktionspunkt des zeitlich letzten Bildes, hier mit Endpunkt bezeichnet, für jedes zeitlich dazwischen liegende n-te Bild ein n-ter Funktionspunkt zu finden ist, der von einer geradlinigen Verbindung von Fuß- zu Endpunkt nicht mehr als im einen spezifisch definierten Wert dA abweicht, wobei die Größe von dA eine Funktion der Geradensteigung ist. In die absolute Größe von dA gehen außerdem die physikalischen Parameter der Messanordnung ein. Die Festlegung der Größe von dA ist kritisch. Ein dA von Null würde zu keinen oder nur sehr wenigen erkannten Geraden führen. Ein zu großes dA führt zu diffusen und teilweise falschen Ergebnissen. Jedoch alle bisherigen Tests des erfindungsgemäßen Verfahrens haben zum überraschenden Ergebnis geführt, dass mit einer einmal festgelegten „richtigen" Größe von dA auch unter wechselnden Versuchsbedingungen die Geschwindigkeit immer wieder mit hoher Präzision gemessen wird.First Definition: A straight line is considered recognized when between a function point of the temporally first image, here called foot mark, and one Function point of the temporally last picture, here marked with end point, for each temporally intervening n-th image to an n-th function point find that of a straightforward connection from foot to end point no more than deviates in a specifically defined value dA, where the size of dA is a function of the line slope. In the absolute size of dA go as well the physical parameters of the measuring arrangement. The determination the size of dA is critical. A dA of zero would lead to no or very few recognized lines. One too big dA leads too diffuse and partly wrong results. However, all previous ones Have tests of the method according to the invention to the surprising Result led, that with a once set "correct" size of dA Even under changing test conditions the speed always again with high precision is measured.

Zweite Festlegung: Alle von einem Fußpunkt zu unterschiedlichen Endpunkten ausgehenden erkannten Geraden werden erfasst und ihre Steigung in einem Histogramm notiert. Diese Prozedur wird für sämtliche Fußpunkte durchgeführt. „Alle Geraden" bedeutet, dass sowohl Geraden mit positiver als auch mit negativer Steigung gesucht werden.Second Fix: All from one foot to different endpoints are outgoing recognized straight lines recorded and recorded their slope in a histogram. This procedure will be for all base points carried out. "All straights" means that both Straight lines with positive as well as with negative slope are searched for.

Dritte Festlegung: Aus dem Histogramm der Steigungen werden die Werte, die das Maximum und seine angrenzenden Flanken bilden, herausgeschnitten. Die herausgeschnittenen Werte werden als diejenigen Steigungen angesehen, die zu den gesuchten Geraden gehören. Das sind die Geraden, welche die den Struktureinzelheiten zuordenbaren Kurven annähern.third Definition: From the histogram of the slopes, the values, which make the maximum and its adjacent flanks, cut out. The cut-out values are considered as those gradients which belong to the searched straights. These are the straight lines which correspond to the structural details Approximate curves.

Das Herausschälen der „wahren" Kurven lässt sich erfindungsgemäß durch folgende, ebenfalls willkürlich erscheinende Zusatzfestlegung weiter verbessern.The shelling out the "true" curves can be according to the invention following, also arbitrary further improvement of the additional

Zusatzfestlegung: Geraden werden nur als erkannt angesehen, wenn zwei aufeinanderfolgende Geraden ein Paar bilden. Aufeinanderfolgend heißt, dass beide Fußpunkte durch Struktureinzelheiten verursacht werden, die in Abtastrichtung des Bildwandlers aufeinanderfolgen. Paar heißt, dass zwischen beiden Fußpunkten, beiden Endpunkten und beiden n-ten Punkten die Betragsdifferenz W nur um einen spezifisch definierten Wert dW unterschiedlich sein darf. Der Betrag von W ist nach oben durch einen festgelegten Wert Wmax begrenzt. Überschreiten zwei aufeinanderfolgende Fußpunkte den Wert Wmax, so gelten die von ihnen ausgehenden Geraden nicht als Paar. Die Größe dW ist eine Funktion der Geradensteigung.Additional regulation: Lines are only considered recognized if two consecutive lines to form a couple. Successive means that both feet are caused by structural details in the scanning direction of the imager follow one another. Couple means that between both feet, both endpoints and both nth points the amount difference W will only be different by a specific value dW may. The amount of W is up through a set value Wmax limited. Exceed two consecutive feet the value Wmax, the lines that emanate from them do not apply as a pair. The size is dW a function of the line slope.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, dass zum ausgegebenen Geschwindigkeitswert eine riesige Anzahl von Einzelwerten beiträgt. Zur Illustration ein Beispiel: Ein kleiner Fleck habe einen homogenen, von der Umgebung unterschiedlichen Grauwert. Die der Zeilenkamera nachgeschaltete Elektronik möge Beginn und Ende des Fleckes, also zwei Struktureinzelheiten, erkennen. Die Bewegung des Fleckes über mehrere aufeinanderfolgende Bilder führt so zu zwei Werten für die Geschwindigkeit, die sich nur durch statistische Fehler unterscheiden, also im Prinzip gleich sind. Ist der Fleck nicht homogen im Grauwert, so wird die Elektronik noch weitere Struktureinzelheiten im Fleck erkennen. Die Bewegung des einen Flecks führt so zu vielen Werten für die Geschwindigkeit. Es tragen jedoch erfindungsgemäß nicht nur ein Fleck, sondern sämtliche im Bildfenster vorhandenen Strukturen gleichzeitig zur Geschwindigkeitsmessung bei, indem jede Struktureinzelheit unabhängig von den anderen die Funktionspunkte für eine Kurve verursacht. So können durchaus bei entsprechender Oberfläche des Messgutes Hunderte Struktureinzelheiten gleichzeitig im Bildfenster erfasst sein. Entsprechend viele voneinander unabhängige Geschwindigkeitswerte liefert das erfindungsgemäße Verfahren aus einer Bildsequenz. Jeder Messwert ist mit einem statistischen Messfehler behaftet. Mit der Vielzahl von Messwerten einer Sequenz lässt sich über bekannte Verfahren der statistischen Mathematik der resultierende Fehler drastisch verkleinern und ein sehr genauer Wert für die Geschwindigkeit ausgeben.A particular advantage of the invention is that the output speed value contributes a huge number of individual values. An example for illustration: A small spot has a homogeneous, different from the environment gray value. The electronics connected downstream of the line scan camera can detect the beginning and end of the spot, ie two structural details. The movement of the spot over several successive images thus leads to two values for the speed, which differ only by statistical errors, ie are basically the same. If the stain is not homogeneous in gray value, the electronics will recognize further structural details in the stain. The movement of the one spot thus leads to many values for the speed. According to the invention, however, not only one spot, but all the structures present in the image window simultaneously contribute to the speed measurement, in that each structural detail independently of the others causes the function points for a curve. This means that hundreds of structural details can be recorded simultaneously in the image window at the same time with the appropriate surface of the material being measured. Correspondingly many independently independent speed values are provided by the method according to the invention from an image sequence. Each measured value is subject to a statistical measurement error. With the multitude of measured values of a sequence, the resulting error can be drastically reduced by known methods of statistical mathematics and a very accurate value can be output for the speed.

Die gleichzeitige Nutzung sämtlicher erkannten Strukturen im definierten Bildfenster ergibt noch einen weiteren bedeutenden Vorteil. Begrenzte Bereiche in der Oberfläche des Messgutes, die keinerlei auswertbare Strukturen oder Muster enthalten, führen nicht zum Ausfall des Geschwindigkeitssignals, solange das Abbild des begrenzten Bereiches kleiner ist als das definierte Bildfenster. Dieses Bildfenster kann so groß gewählt werden, das es alle lichtempfindlichen Elemente umfasst. Das ist eigentlich sogar der Normalfall in der typischen Anwendung.The simultaneous use of all recognized structures in the defined image window is still one another significant advantage. Limited areas in the surface of the Material to be measured that contains no evaluable structures or patterns, to lead not to the failure of the speed signal, as long as the image of the limited area is smaller than the defined image window. This picture window can be chosen so large that includes all photosensitive elements. That's actually even the normal case in the typical application.

Mit einer weiteren Maßnahme kann eine bestmögliche Genauigkeit erreicht werden: Der Rechner wertet nicht im starren Takt die Bildsequenzen aus, sondern beginnt unmittelbar nach Auswertung einer Sequenz mit der Auswertung der nächsten. Enthält die Sequenz äußerst viele Struktureinzelheiten, so ist die Auswertezeit länger als bei einer Sequenz mit wenigen Struktureinzelheiten. Viele Struktureinzelheiten ergeben eine starke Reduzierung des statistischen Fehlers und somit einen sehr genauen Geschwindigkeitswert. Wenige Struktureinzelheiten bewirken durch die kurzen Auswertezeiten eine zeitlich dichte Folge von Messwerten mit einer daraus folgenden hohen zeitlichen Auflösung des Geschwindigkeitsverlaufes.With another measure can be the best possible Accuracy can be achieved: The calculator does not evaluate in the rigid Clock the image sequences, but begins immediately after evaluation a sequence with the evaluation of the next. Contains the sequence of many Structural details, so the evaluation time is longer than a sequence with few structural details. Many structural details result a strong reduction of the statistical error and thus one very accurate speed value. Few structural details cause due to the short evaluation times, a chronologically dense sequence of measured values with a consequent high temporal resolution of the velocity profile.

Der Rechner misst die exakte Zeitdifferenz zwischen den Aufnahmezeiten der fortlaufend zur Auswertung genutzten Bildsequenzen. Eine solche Zeitdifferenz, multipliziert mit dem jeweils bestimmten Geschwindigkeitswert, liefert ein Weginkrement. Die Summation über alle Weginkremente vom Zeitpunkt ta zum Zeitpunkt te ergibt den Weg, den der Sensor während der Zeitspanne te–ta relativ zur Oberfläche des Messgutes zurückgelegt hat.Of the Calculator measures the exact time difference between recording times the image sequences used continuously for the evaluation. Such a time difference, multiplied by the respectively determined speed value, delivers a path increment. The summation over all path increments from time ta to time te gives the Walk the sensor while the time span te-ta relative to the surface of the Measured goods returned Has.

Für viele Anwendungen ist es nicht erforderlich, in jeder auszuwertenden Bildsequenz die Geschwindigkeit im gesamten technisch möglichen Bereich von negativen Maximalwert zu positiven Maximalwert zu suchen. Dazu ein Beispiel: Der Sensor bewege sich mit einer Geschwindigkeit von 30 m/s über die Oberfläche des Messgutes. Aufnahme und Auswertung einer Bildsequenz betrage eine hundertstel Sekunde. Es werden also hundert Messwerte pro Sekunde ausgegeben. Damit die Geschwindigkeit von einem Messwert zum anderen, also innerhalb einer hundertstel Sekunde, ihre Richtung ändert, müsste eine Beschleunigung von mindestens 300 g (g – Erdbeschleunigung) wirken – in der Praxis ein nicht erreichbarer Wert. Doch selbst eine Änderung um 1 m/s würde immer noch 10 g erfordern.For many Applications are not required in every image sequence to be evaluated the speed in the whole technically possible range of negative Maximum value to search for positive maximum value. For example: The sensor moves at a speed of 30 m / s over the surface of the material to be measured. Recording and evaluation of a picture sequence amount one hundredth of a second. So there are a hundred readings per second output. So that the speed of one reading to another, So within a hundredth of a second, their direction changes, would have one Acceleration of at least 300 g (g - gravitational acceleration) act - in the Practice an unreachable value. But even a change by 1 m / s still require 10 g.

Daher kann das Verfahren mit folgendem erfindungsgemäßen Zusatz in der Datenverknüpfung ablaufen: Die den Struktureinzelheiten zuordenbaren Kurven werden nicht in allen möglichen Steigungswerten, sondern nur in einem eingegrenzten Intervall gesucht, wobei die Breite dieses Intervalls durch die Anwendungsparameter bedingt ist und der mittlere Wert des Intervalls durch eine zeitlich vorher ermittelte oder festgelegte Steigung definiert ist. Der mittlere Wert kann beispielsweise der jeweils zuletzt gemessenen Geschwindigkeit entsprechen. Dadurch wird die Auswertung beschleunigt, und die Geschwindigkeiten können in äußerst hoher zeitlicher Folge gemessen werden. Dies ist ein großer Vorteil für stark beschleunigte Bewegungen, deren Geschwindigkeitsverlauf sich dadurch sehr präzis aufnehmen lässt.Therefore the process can proceed with the following addition according to the invention in the data link: The curves that can be assigned to the structural details are not included in all possible Slope values, but only searched in a limited interval, the width of this interval being determined by the application parameters conditionally and the mean value of the interval by a time previously determined or specified slope is defined. The mean value can, for example, the last measured speed correspond. This will speed up the evaluation and the speeds can in extremely high time sequence can be measured. This is a big advantage for strongly accelerated Movements whose speed can be recorded very precisely.

Wird die Datenverknüpfung mit Suche im eingegrenzten Intervall angewandt, empfiehlt sich ein weiterer erfindungsgemäßer Zusatz: Sofern die zuletzt gemessene Geschwindigkeit den Wert Null hatte, wird in der Auswertung der Bildsequenz nach allen Steigungen im gesamten technisch möglichen Wertebereich gesucht. Damit wird erreicht, dass nach Störungen, die zu singulären Nullwerten führen, sofort wieder der richtige Geschwindigkeitswert gemessen wird. Beispielsweise führt eine kurzzeitige völlige Abdunklung der Oberfläche des Messgutes (Störung in der Beleuchtung) zur Ausgabe des Geschwindigkeitswertes Null, da der Sensor bei völliger Dunkelheit keine Struktureinzelheiten erkennt.Becomes the data link with search in the limited interval, another one is recommended Addition according to the invention: If the last measured speed was zero, is used in the evaluation of the image sequence after all gradients in the entire technically possible value range searched. This ensures that, after disturbances, to singular zero values lead, immediately again the correct speed value is measured. For example leads one short-lived utter Darkening of the surface of the material to be measured (fault in the illumination) to output the speed value zero, because the sensor in complete darkness recognizes no structural details.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer CCD-Zeilenkamera als Sensor und einer 32bit-CPU benötigen Aufnahme und Auswertung einer Sequenz von fünf Bildern etwa eine hundertstel Sekunde. Es werden also 100 Geschwindigkeitswerte pro Sekunde ausgegeben, von denen jeder bereits sehr genau ist.In one embodiment of the invention with a CCD line scan camera as a sensor and a 32-bit CPU, recording and evaluation of a sequence of five images requires about one hundredth of a second Second. So 100 speed values per second are output, each of which is already very accurate.

Anhand der Zeichnungen, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt ist, soll die Erfindung näher erläutert werden.Based of the drawings, in an embodiment the invention is shown, the invention will be explained in more detail.

Es zeigt:It shows:

1 den Sensor, der sich relativ gegenüber dem Messgut bewegt, 1 the sensor, which moves relative to the material to be measured,

2 eine zur Ermittlung von Näherungsgeraden geeignete Platzierung von Funktionspunkten im Speichermedium, und 2 a placement of function points in the storage medium suitable for determining approximation lines, and

3 einen Ausschnitt aus dem Histogramm der Steigungen aller Kurvenscharen. 3 a section of the histogram of the slopes of all groups of curves.

Gemäß 1 ist eine CCD-Zeilenkamera 1 als Sensor auf die Oberfläche 6 des Messgutes gerichtet. Die Zeilenkamera 1 bewege sich in Pfeilrichtung 5 mit der Geschwindigkeit v. Auf der Oberfläche 6 des Messgutes seien diverse Schlieren, Flecken, Schattierungen, Kratzer sowie beliebige Muster vorhanden. Die Zeilenkamera 1 erfasst davon den linienförmigen Ausschnitt 7. Die nachgeschaltete Elektronik 2 erkennt die Struktureinzelheiten 8, mit S1–S7 bezeichnet, und ordnet diesen die elektronisch erzeugten Signale 9, mit A1(t)–A7(t) bezeichnet, zu. In einem typischen Anwendungsfall sind es weit mehr als nur sieben erkannte Struktureinzelheiten. Die Signale A(t) werden im Speichermedium 3 platziert. Der Rechner 4 ermittelt aus den Funktionspunkten die den Struktureinzelheiten zugeordneten Kurven und berechnet deren Steigungen. Speichermedium 3 und Rechner 4 können auf einem kleinen, kompakten Mainboard zusammengefasst sein.According to 1 is a CCD line scan camera 1 as a sensor on the surface 6 of the material to be measured. The line scan camera 1 move in the direction of the arrow 5 at the speed v. On the surface 6 There are various streaks, stains, shades, scratches and random patterns of the material to be measured. The line scan camera 1 captures the line-shaped section of it 7 , The downstream electronics 2 recognizes the structural details 8th , labeled S1-S7, and assigns these the electronically generated signals 9 , labeled A1 (t) -A7 (t), too. In a typical use case, there are far more than just seven identified structural details. The signals A (t) are stored in the storage medium 3 placed. The computer 4 determines from the function points the curves assigned to the structural details and calculates their slopes. storage medium 3 and calculator 4 can be summarized on a small, compact mainboard.

In 2 ist eine Platzierung von fünf Signalsätzen im Speichermedium 3 dargestellt. Die elektronischen Signale A_n(t₁), A_m(t₂), A_p(t₃), A_q(t₄) und A_r(t₅) entstammen Bildern, die zu den Zeitpunkten t1–t5 aus einer Folge herausgegriffen wurden. In einem typischen Anwendungsfall gibt es weit mehr Funktionspunkte A(t). 2 wäre dann nur als Ausschnitt aus der Gesamtmenge der A(t) zu betrachten. Durch die Funktionspunkte in 2 lassen sich sehr viele Geraden ziehen. Der Übersichtlichkeit halber ist in 2 nur eine einzige Gerade 10 eingezeichnet, die der Bewegung einer Struktureinzelheit zuordenbar ist. Ihre Steigung entspricht dem Wert v der Geschwindigkeit zwischen der Struktureinzelheit und dem Sensor.In 2 is a placement of five sets of signals in the storage medium 3 shown. The electronic signals A _n (t _1), A _m (t _2), A _p (t _3), A _q (t _4), and A _r (t ₅₎ come images at time points t1-t5 of a sequence were picked out. In a typical application, there are far more function points A (t). 2 would then only be regarded as a section of the total set of A (t). Through the function points in 2 you can draw a lot of straights. For the sake of clarity, is in 2 only a single straight line 10 which can be assigned to the movement of a structural detail. Its slope corresponds to the value v of the velocity between the structural detail and the sensor.

In 3 ist ein Ausschnitt aus einem Histogramm der Steigungen abgebildet, in dem die Häufigkeit der Steigungswerte G aus einer Sequenz von fünf Bildern eingetragen ist. Mit 11 ist derjenige Bereich gekennzeichnet, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aus dem Histogramm herausgeschnitten wird. Die herausgeschnittenen Werte bilden die Basismenge für bekannte Verfahren der statistischen Mathematik zur Ermittlung der wahrscheinlichsten Steigung mit der ihr entsprechenden Geschwindigkeit v.In 3 a section of a histogram of the slopes is shown, in which the frequency of the slope values G from a sequence of five images is entered. With 11 the region is identified which is cut out of the histogram by the method according to the invention. The truncated values form the base set for known methods of statistical mathematics for determining the most probable slope with its corresponding velocity v.

Claims

A method for non-contact measurement of the speed between a bildwandelnden sensor containing an array of photosensitive elements, and a sample with arbitrarily patterned and arbitrarily structured surface, wherein the sensor is directed to the surface of the measured material and the surface of the material to be measured on the photosensitive elements the sensor is imaged, and wherein the structural details detected in the image electronically generated signals that contain location information with respect to the photosensitive elements of the sensor assigned and stored in a storage medium as so-called function points, characterized in that from the structural details of the material to be measured associated function points a set is formed of several pictures of a sequence with their picture-taking times, and out of the multiplicity of lines which can be placed by the elements of the set, that group is picked out, in which each individual one ne Just each of the same structural detail is assignable by straight lines in the set element, which is formed by a function point of the temporally first image of the sequence, here called foot point, begin and in a set element, which is formed by a function point of the temporally last image of the sequence is called end point, and ends when, for every nth image of the sequence lying between the first and last image, a set element can be found which does not exceed the straight connecting line from foot to end point by more than one dA is a function of the slope of this straight line, the slopes of the laid lines are calculated, and in a histogram the number of lines found, ordered according to their slope value, is entered, then from the histogram of Section is cut out, in which the maximum is located and that of the subsequent abf All edges are limited and determined from the slope values in this area by means of statistical methods, the most probable slope value and from this the speed between material to be measured and sensor.

A method according to claim 1, characterized in that the structural details detected in an image window for speed measurement be used.

Method according to claim 2, characterized in that that the picture window through that of all photosensitive Defined elements of the sensor surface is defined.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized that straight lines are considered to be recognized only if two consecutive Forming a pair of straight lines, where successive means that both feet are caused by structural details in the scanning direction of the Imager follow one another, and where pair means that between both feet, both endpoints and both nth points the amount difference W may only be different by a specific value dW, where the amount of W upward by a predetermined value Wmax is limited, and where dW. is a function of the line slope.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized that immediately after evaluation of a lot with the evaluation the next Amount is started.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized that the lines attributable to the elements of the set are not in all possible Slope values, but only in a limited interval searched with the range of values of this interval being one temporally in advance determined or fixed slope grouped.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized that the lines attributable to the elements of the set in all gradients of the technically possible Value range, if the last measured speed had the value zero.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the electronic components assigned to the structural details Signals from the position addresses of the structural details with respect to photosensitive elements of the sensor are formed.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that a linear arrangement of photoreceivers is used as the sensor for image conversion becomes.

Method according to claim 9, characterized in that in that one or more CCD lines are used as the image conversion sensor become.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized that as a sensor for image conversion, a two-dimensional array from photoreceptors is used.

Method according to claim 11, characterized in that that as a sensor for image conversion one or more CCD arrays with Pixels can be used in both directions of the surface.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized that as a sensor for image conversion, a combination of CCD lines and CCD matrices is used.

Method according to one of claims 1 to 13, characterized that the path traveled by the sensor relative to the surface of the material to be measured, from the integration of speed over time.