WO2009021791A2 - Verfahren zur optischen messung von geschwindigkeiten und sensor zur optischen messung von geschwindigkeiten - Google Patents

Verfahren zur optischen messung von geschwindigkeiten und sensor zur optischen messung von geschwindigkeiten Download PDF

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WO2009021791A2
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Arno Bergmann
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Definitions

  • the invention relates to a method for measuring a relative speed of an object surface to a sensor, wherein the sensor has a plurality of spaced-apart photosensitive elements, which are read out at temporal intervals. Furthermore, the invention relates to a sensor for measuring a
  • sensors For the measurement of relative velocities between an observer or sensor and the surface of an object, sensors are known which operate according to various methods. In general, when measuring the relative speeds between the sensor and a surface is irrelevant whether the sensor moves relative to the object or the object relative to the sensor. Finally, the speed measurement is basically based on the determination of a length, for example, the distance traveled by the object in the measuring range of the sensor within a certain time. The speed can be determined from the measured displacement and the required time. By simple integration over the measured time, the distance covered or the length of an object can also be determined with a corresponding sensor. Sensors for non-contact measurement of a relative speed are therefore also suitable for length measurement.
  • Spatial frequency filter method An object surface is typically irradiated with light and the backscattered light is measured from a photosensitive detector through an optical grating. The movement of the object surface causes light-dark fluctuations in the optical grating whose frequency is proportional to the speed of the object surface.
  • the spatial frequency filter method the object surface is divided into grid-shaped areas corresponding to the optical grid and their brightness evaluated. Compared, for example, with the laser Doppler method is the apparatus of a sensor for the sensor
  • the disadvantage is that the spatial frequency filter method provides relatively high measurement errors in the range of low object speeds, since the determination of the speed is based on a frequency measurement of a mostly noisy signal.
  • a particular problem is that a standstill of the object to be measured, which leads to a frequency of "0", with the spatial frequency filter method is not detectable.
  • Another possibility for measuring a relative displacement of an object surface relative to a sensor is the image processing method.
  • line or areal images of the object surface are recorded at a known time interval and compared with one another.
  • individual images can be shifted pixel by pixel against each other, in each case a difference image is formed. If, in the case of a specific displacement vector, the images are virtually extinguished, this displacement vector represents the object displacement.
  • the correlation function is calculated between two images recorded at a known time interval, from whose characteristic profile the displacement of the object surface at the time interval in which the images were recorded can be determined in a manner known per se.
  • concise object features are localized in each recording and their displacement and thus the object displacement are determined by comparison with images taken at a different time.
  • the advantage of the image processing method is that correct speed values can be determined even at very low object speeds or when the object is at a standstill.
  • the image processing method is always associated with a high computational effort.
  • the achievable resolution is lower than in the spatial frequency filter method or the laser Doppler method.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method for measuring a relative speed of an object surface to a sensor, which in a wide speed range, especially at low speeds, allows precise measurements and at the same time characterized by a limited equipment complexity and computational effort.
  • the object is achieved by a method according to the preamble of claim 1, characterized in that the measurement is carried out according to the spatial frequency filter method and the image processing method, the frequency signal determined in the spatial frequency filter method is checked with regard to the determined frequency value and / or with regard to at least one quality feature and in the case that the frequency signal is below a frequency value to be determined and / or
  • Frequency signal does not reach a quality feature value to be determined, the value determined in the image processing method for determining the relative speed is used.
  • the particular advantage of the method according to the invention is the universal applicability for precise non-contact speed measurements of both fast-moving objects as well as slowly moving or even temporarily stationary objects. For each speed range, it is decided, based on user-definable criteria, namely a limit frequency proportional to a speed limit or by other signal quality features, by means of selection means provided in the sensor, which method of determining the speed is selected.
  • user-definable criteria namely a limit frequency proportional to a speed limit or by other signal quality features
  • the image processing method for speed measurement is selected by the selection means.
  • the value determined to determine the relative velocity may be replaced by the valid value last determined in a previous measurement or by an average of several last determined valid values, in particular their arithmetic mean or median. Especially with evenly moving objects This causes only a small error for reasons of continuity. In the case of dynamically moving objects, it may again make sense to replace the value determined for determining the relative velocity by extrapolating the course of the last determined valid values.
  • the image processing method can be implemented computationally in different ways. For example, it is possible to determine the value determined in the image processing method for determining the relative velocity by localizing features of the object surface and determining the displacement of the features when the images are taken at different times. Against the background of a limitation of the computational effort, the value determined in the image processing method for determining the relative speed is preferably the maximum value of the correlation function between images recorded at different times.
  • the correlation function analysis is also characterized by a high robustness against erroneous measurements.
  • the quality feature for determining the relative movement between the sensor and the object surface is preferably the half-width and / or the signal-to-noise ratio and / or the interference-free dynamic range (SFDR) of the correlation signal, wherein in the case of the correlation function analysis the signal-to-noise ratio Distance in an analogous manner to the determined in the spatial frequency filter method signal-to-noise ratio, the ratio of the integral over the maximum value of the correlation function to the integral over the remaining curve is understood.
  • the exposure parameters of the photosensitive elements are controlled.
  • the information content of the data read out from the photosensitive elements is controlled and, if the information content is too low, a warning signal is output to the user. This may for example be the case when the photosensitive elements are misadjusted with respect to the object surface to be detected.
  • illumination means for illuminating the object surface it is possible not only to control the photosensitive elements with respect to their parameters, but also to regulate the illumination means in terms of their properties (brightness, focusing).
  • Claim 10 achieved in that the evaluation means are designed such that the signal according to the spatial frequency filter method and after the Image processing method is generated and that the sensor means for selecting the respectively after the spatial frequency filtering method and after the
  • the selection means are designed such that they check the Freguenzsignal determined in the spatial frequency filter method with respect to the determined frequency value and / or at least one quality feature and in the case that the frequency signal is below a frequency value to be determined and / or
  • Frequency signal does not reach a quality feature value to be determined, select the value determined in the image processing method for determining the relative speed.
  • the advantages of the sensor according to the invention are in particular that it is suitable both for the precise measurement of high speeds - here the spatial frequency filter method is used - as well as for the measurement smaller
  • the selection means provided according to the invention select the image processing method as soon as the frequency value determined in the spatial frequency filter method is below a frequency value to be determined and / or the frequency signal does not reach at least one quality feature value to be preset.
  • Standard electronic circuit components in particular integrated circuits, such as FPGAs or DSPs, can be used for the sensor according to the invention.
  • the photosensitive Elements of the sensor to CCD, CMOS devices, arrays or lines, photodiodes or phototransistors.
  • control means for controlling the exposure parameters of the photosensitive elements can be at each measurement time and among all
  • the sensor according to the invention preferably comprises means for controlling the information content of the data read from the photosensitive elements, wherein if the information content is too low, a warning signal can be output to the user.
  • the drive means are designed such that the time intervals for reading the photosensitive elements are variably adjustable.
  • Fig. 1 shows a sensor according to the invention for measuring a
  • FIG. 2 shows the inventive method for measuring a relative speed of an object surface to a sensor in the flowchart.
  • FIG. 1 shows a highly schematic view of an inventive sensor 1 for measuring a relative speed of an object surface to the sensor 1.
  • the sensor 1 comprises a plurality of spaced-apart photosensitive elements 2, for example in the form of a CCD line, an optics 2a, which images the object surface on the photosensitive elements 2, and drive means 3, which the photosensitive elements 2 of the sensor 1 at intervals read.
  • the drive means 3 pass on the brightness values read out of the photosensitive elements 2 to evaluation means 6, 7, which in turn each generate a signal proportional to the speed to be measured.
  • the evaluation means 6, 7 are designed such that they receive signals after the Local sequence filtering method SFV and after
  • the evaluation means 6 generates a frequency value proportional to the speed to be measured in the location sequence filter method SFV, while the evaluation means 7 determines the value of the frequency
  • Correlation function between two temporally spaced images detected which can be determined in a known manner, the displacement of the object surface in the time interval and from there the speed of the object surface.
  • the selection means 8 now checks the originating from the evaluation 6, in
  • Local frequency filter method SFV detected frequency signal in terms of the determined frequency value and / or in terms of at least one quality feature, such as the signal half-width, the signal-to-noise ratio and / or the interference-free dynamic range
  • the frequency signal is below a frequency value to be specified by the user and / or the frequency signal does not reach one or more predefined values of the aforementioned quality features
  • Image processing method BW for determining the relative velocity determined value in this case the maximum value of the correlation function.
  • the selection means 8 selects the frequency signal for determining the frequency Relative speed between the object surface and the sensor off.
  • the signal selected in each case is then entered into a validation means 9, in which it is checked whether the signal is trustworthy or whether it is based on an obvious error measurement.
  • a validation means 9 in which it is checked whether the signal is trustworthy or whether it is based on an obvious error measurement.
  • the signal of the last trusted measurement or an average of the signals of several last trusted ones instead of the untrusted signal, the signal of the last trusted measurement or an average of the signals of several last trusted ones
  • Measurements in particular the arithmetic mean or the median used.
  • the signal can be replaced by an extrapolation of the course of the signals of the last trustworthy measurements.
  • the signal is then placed in an output unit 10 where it can be output to the user.
  • the senor 1 also comprises control means 4 with which the exposure parameters of the photosensitive elements 2 can be regulated, so that optimum exposure parameters are always present under all illumination conditions.
  • the sensor 1 also comprises means 5 for controlling the information content of the data read from the photosensitive elements 2. These are used, if appropriate, to output to the user a warning signal via the output unit 10 if the information content of the data read out of the photosensitive elements 2 is too low, so that no sensible speed measurement can be performed. For example, this is true when the photosensitive elements 2 are misadjusted with respect to the object surface to be detected.
  • the brightness values of the photosensitive elements 2 are read out at time intervals and forwarded to the evaluation means 6, 7 (step A - see Fig. 1).
  • the evaluation means 6 a frequency signal proportional to the speed to be measured is generated on the basis of the spatial frequency filter method SFV (step B) and forwarded to the selection means 8.
  • the frequency signal f is analyzed with regard to its signal value and the signal quality, for example the signal-to-noise ratio SNR or the signal half-width FWHM. Is the signal value or the signal quality sufficient for the user?
  • the measured relative speed is output at the output unit 10 of the sensor 1 (step D).
  • the selection means 8 selects the correlation signal determined parallel to the local frequency filter method SFV in the image processing method BW (step E). This is in turn checked with respect to its signal value and / or its signal quality and, in the case that it meets the user-specified criteria, passed to the output unit 10, where the relative speed is output.
  • the measurement is either discarded (step G) or else the value is superimposed by the last valid value of a previous measurement, whereupon it is passed to the output unit 10 (step H).

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung einer Relativgeschwindigkeit einer Objektoberfläche (O) zu einem Sensor (1), wobei der Sensor (1) eine Mehrzahl zueinander beabstandet angeordneter lichtempfindlicher Elemente (2) aufweist, welche in zeitlichen Abständen ausgelesen werden. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Messung nach dem Ortsfrequenzfilterverfahren (SFV) und nach dem Bildverarbeitungsverfahren (BW) erfolgt, das im Ortsfrequenzfilterverfahren (SFV) ermittelte Frequenzsignal (f) hinsichtlich des ermittelten Frequenzwertes und/oder hinsichtlich wenigstens eines Qualitätsmerkmals überprüft wird und im Falle, dass das Frequenzsignal (f) unterhalb eines festzulegenden Frequenzwertes liegt und/oder das Frequenzsignal (f) einen festzulegenden Qualitätsmerkmalswert nicht erreicht, der im Bildverarbeitungsverfahren (BW) zur Bestimmung der Relativgeschwindigkeit ermittelte Wert ausgewählt wird. Ferner betrifft die Erfindung einen Sensor (1) zur Messung einer Relativgeschwindigkeit einer Objektoberfläche (O) zum Sensor (1).

Description

Verfahren zur optischen Messung von Geschwindigkeiten und Sensor zur optischen Messung von Geschwindigkeiten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung einer Relativgeschwindigkeit einer Objektoberfläche zu einem Sensor, wobei der Sensor eine Mehrzahl zueinander beabstandet angeordneter lichtempfindlicher Elemente aufweist, welche in zeitlichen Abständen ausgelesen werden. Ferner betrifft die Erfindung einen Sensor zur Messung einer
Relativgeschwindigkeit einer Objektoberfläche zum Sensor.
Für die Messung von Relativgeschwindigkeiten zwischen einem Beobachter bzw. Sensor und der Oberfläche eines Objekts sind Sensoren bekannt, welche nach verschiedenen Verfahren arbeiten. Generell ist bei der Messung der Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Sensor und einer Oberfläche unerheblich, ob sich der Sensor gegenüber dem Objekt bewegt oder das Objekt gegenüber dem Sensor. Schließlich basiert die Geschwindigkeitsmessung dem Grunde nach auf der Bestimmung einer Länge, beispielsweise des zurückgelegten Weges des Objekts im Messbereich des Sensors innerhalb einer bestimmten Zeit. Aus der gemessenen Verschiebung und der benötigten Zeit kann damit die Geschwindigkeit bestimmt werden. Durch einfache Integration über die gemessene Zeit kann auch die zurückgelegte Wegstrecke bzw. die Länge eines Objektes mit einem entsprechenden Sensor bestimmt werden. Sensoren zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit sind daher auch zur Längenmessung geeignet.
Zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit sind mehrere Verfahren bekannt. Eines dieser Verfahren ist das Ortsfrequenzfilterverfahren. Eine Objektoberfläche wird typischerweise mit Licht bestrahlt und das zurückgestreute Licht von einem lichtempfindlichen Detektor durch ein optisches Gitter hindurch gemessen. Bei der Bewegung der Objektoberfläche entstehen Hell-Dunkel-Schwankungen im optischen Gitter, deren Frequenz proportional zur Geschwindigkeit der Objektoberfläche ist. Beim Ortsfrequenzfilterverfahren wird die Objektoberfläche in rasterförmige Bereiche entsprechend dem optischen Gitter aufgeteilt und deren Helligkeit ausgewertet. Verglichen beispielsweise mit dem Laser-Doppler-Verfahren ist der apparative Aufbau eines Sensors für das
Ortsfrequenzfilterverfahren relativ gering. Nachteilig ist jedoch, dass das Ortsfrequenzfilterverfahren relativ hohe Messfehler im Bereich niedriger Objektgeschwindigkeiten liefert, da die Bestimmung der Geschwindigkeit auf einer Frequenzmessung eines zumeist verrauschten Signals beruht. Problematisch ist dabei insbesondere, dass ein Stillstand des zu messenden Objekts, welcher zu einer Frequenz von "0" führt, mit dem Ortsfrequenzfilterverfahren nicht detektierbar ist.
Eine weitere Möglichkeit, eine relative Verschiebung einer Objektoberfläche gegenüber einem Sensor zu messen, stellt das Bildverarbeitungsverfahren dar. Bei diesem Verfahren werden zeilen- oder flächenhafte Bilder der Objektoberfläche in bekanntem zeitlichen Abstand aufgenommen und miteinander verglichen. Im Rahmen eines solchen Vergleiches können beispielsweise einzelne Bilder pixelweise gegeneinander verschoben werden, wobei jeweils ein Differenzbild gebildet wird. Kommt es bei einem bestimmten Verschiebungsvektor praktisch zu einer Auslöschung der Bilder, so repräsentiert dieser Verschiebungsvektor die Objektverschiebung. In einer anderen Ausgestaltung des Bildverarbeitungsverfahrens wird zwischen zwei in bekanntem zeitlichen Abstand aufgenommenen Bildern die Korrelationsfunktion berechnet, aus deren charakteristischem Verlauf sich die Verschiebung der Objektoberfläche in dem zeitlichen Abstand, in dem die Bilder aufgenommen wurden, in an sich bekannter Weise ermitteln lässt. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung des Bildverarbeitungsverfahrens werden in jeder Aufnahme prägnante Objektmerkmale lokalisiert und durch Vergleich mit zu einem anderen Zeitpunkt aufgenommenen Bildern deren Verschiebung und damit die Objektverschiebung ermittelt.
Der Vorteil des Bildverarbeitungsverfahrens besteht nun darin, dass auch bei sehr geringen Objektgeschwindigkeiten oder bei Objektstillstand korrekte Geschwindigkeitswerte bestimmbar sind. Allerdings ist das Bildverarbeitungsverfahren stets mit einem hohen Rechenaufwand verbunden. Ferner ist die erzielbare Auflösung geringer als bei dem Ortsfrequenzfilterverfahren oder auch dem Laser-Doppler-Verfahren.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung einer Relativgeschwindigkeit einer Objektoberfläche zu einem Sensor anzugeben, welches in einem weiten Geschwindigkeitsbereich, insbesondere auch bei niedrigen Geschwindigkeiten, präzise Messungen ermöglicht und sich dabei gleichzeitig durch einen begrenzten apparativen Aufwand und Rechenaufwand auszeichnet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch gelöst, dass die Messung nach dem Ortsfrequenzfilterverfahren und nach dem Bildverarbeitungsverfahren erfolgt, das im Ortsfrequenzfilterverfahren ermittelte Frequenzsignal hinsichtlich des ermittelten Frequenzwertes und/oder hinsichtlich wenigstens eines Qualitatsmerkmals überprüft wird und im Falle, dass das Frequenzsignal unterhalb eines festzulegenden Frequenzwertes liegt und/oder das
Frequenzsignal einen festzulegenden Qualitätsmerkmalswert nicht erreicht, der im Bildverarbeitungsverfahren zur Bestimmung der Relativgeschwindigkeit ermittelte Wert verwendet wird.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der universellen Einsetzbarkeit für präzise berührungslose Geschwindigkeitsmessungen sowohl von sich schnell bewegten Objekten als auch von sich langsam bewegenden oder sogar zeitweise stillstehenden Objekten. Für jeden Geschwindigkeitsbereich wird anhand von durch den Nutzer vorgebbaren Kriterien, nämlich einer zu einer Geschwindigkeitsgrenze proportionalen Grenzfrequenz oder durch andere Signalqualitätsmerkmale, durch im Sensor vorgesehene Auswahlmittel entschieden, welches Verfahren zur Geschwindigkeitsbestimmung jeweils gewählt wird. So wird das präzise, mit geringem Messfehler behaftete und rechentechnisch vergleichsweise unaufwändige Ortsfrequenzfilterverfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit der Objektoberfläche immer dann eingesetzt, wenn das Frequenzsignal oberhalb eines nutzerseitig vorzugebenden Frequenzwertes liegt, bzw. wenn nutzerseitig vorzugebende Signalqualitätsmerkmale erreicht werden. Im anderen Falle, d.h. bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten, bei denen die bekannte Nachteile des Ortsfrequenzfilterverfahrens verstärkt zum Tragen kommen, wird durch die Auswahlmittel das Bildverarbeitungsverfahren zur Geεchwindigkeitsmessung ausgewählt . Die Qualitätsmerkmale des im Ortsfrequenzfilterverfahren erhaltenen Frequenzsignals können nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung seine Halbwertsbreite und/oder der Signal-Rausch-Abstand und/oder der störungsfreie
Dynamikbereich (Spurious Free Dynamic Range - SFDR) sein. Derartige Signalqualitätsmerkmale können rechentechnisch einfach erfasst werden und stellen ein aussagekräftiges Entscheidungskriterium dar. Es ist einerseits möglich lediglich die vorzugebende Frequenzgrenze oder eines der genannten Qualitätsmerkmale als Entscheidungskriterium heranzuziehen. Ebenso ist es möglich, eine Auswahl mehrerer Qualitätsmerkmale mit oder ohne Berücksichtigung des zur Relativgeschwindigkeit proportionalen Frequenzwertes heranzuziehen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird auch der im Bildverarbeitungsverfahren, welches, wie bereits erläutert, dann zum Einsatz kommt, wenn das Frequenzsignal des Ortsfrequenzfilterverfahren nicht den vorgegebenen Qualitätskriterien genügt bzw. unter einer vorgegebenen Frequenzgrenze liegt, zur Bestimmung der Relativgeschwindigkeit ermittelte Wert hinsichtlich wenigstens eines Qualitätsmerkmals überprüft und im Falle, dass der ermittelte Wert einen festzulegenden
Qualitatsmerkmalswert nicht erreicht, die Messung verworfen. Alternativ kann anstelle eines Verwerfens der Messung der zur Bestimmung der Relativgeεchwindigkeit ermittelte Wert durch den in einem vorausgehenden Messvorgang zuletzt ermittelten gültigen Wert oder durch einen Mittelwert mehrerer zuletzt ermittelter gültiger Werte, insbesondere durch ihr arithmetisches Mittel oder durch ihren Median, ersetzt werden. Insbesondere bei gleichmäßig bewegten Objekten wird hierdurch aus Gründen der Stetigkeit ein nur geringer Fehler verursacht. Bei dynamisch bewegten Objekten kann es wiederum sinnvoll sein, den zur Bestimmung der Relativgeschwindigkeit ermittelten Wert durch eine Extrapolation des Verlaufs der zuletzt ermittelten gültigen Werte zu ersetzen.
Das Bildverarbeitungsverfahren kann auf unterschiedliche Weise rechentechnisch implementiert werden. So ist es beispielsweise möglich, den im Bildverarbeitungsverfahren zur Bestimmung der Relativgeschwindigkeit ermittelten Wert durch Lokalisierung von Merkmalen der Objektoberfläche und Ermittlung der Verschiebung der Merkmale bei zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen Bildern zu ermitteln. Vor dem Hintergrund einer Begrenzung des Rechenaufwandes ist der im Bildverarbeitungsverfahren zur Bestimmung der Relativgeschwindigkeit ermittelte Wert bevorzugt der Maximalwert der Korrelationsfunktion zwischen zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommenen Bildern ist. Die Korrelations funktionsanalyse zeichnet sich darüber hinaus durch eine hohe Robustheit gegenüber fehlerhaften Messungen aus .
Im Falle der Korrelationsfunktionsanalyse ist das Qualitätsmerkmal zur Bestimmung der Relativbewegung zwischen Sensor und Objektoberfläche bevorzugt die Halbwertsbreite und/oder der Signal-Rausch-Abstand und/oder der störungsfreie Dynamikbereich (SFDR) des Korrelationssignals, wobei im Falle der Korrelationsfunktionsanalyse unter dem Signal-Rausch- Abstand in analoger Weise zu dem im Ortsfrequenzfilterverfahren ermittelten Signal-Rausch-Abstand das Verhältnis des Integrals über den Maximalwert der Korrelations funktion zu dem Integral über den restlichen Kurvenverlauf verstanden wird. Um auch über längere Zeiträume verlässliche Werte für die Geschwindigkeitsmessung auch unter wechselnden Beleuchtungsbedingungen zu erhalten, ist nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Belichtungsparameter der lichtempfindlichen Elemente geregelt werden. Ferner kann vorgesehen sein, dass der Informationsgehalt der aus den lichtempfindlichen Elemente ausgelesenen Daten (Helligkeitswerte) kontrolliert und bei zu geringem Informationsgehalt ein Warnsignal an den Nutzer ausgegeben wird. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn die lichtempfindlichen Elemente hinsichtlich der zu erfassenden Objektoberfläche fehljustiert sind. Falls Beleuchtungsmittel zur Beleuchtung der Objektoberfläche vorhanden sind, ist es darüber hinaus möglich, nicht nur die lichtempfindlichen Elemente bezüglich ihrer Parameter zu regeln, sondern auch die Beleuchtungsmittel bezüglich ihrer Eigenschaften (Helligkeit, Fokussierung) zu regelnd beeinflussen.
Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zur Messung einer Relativgeschwindigkeit einer Objektoberfläche zum Sensor anzugeben, welcher in einem weiten Geschwindigkeitsbereich, insbesondere auch bei niedrigen Geschwindigkeiten, präzise
Geschwindigkeitsmessungen ermöglicht und sich durch eine vergleichsweise einfache Schaltungsarchitektur auszeichnet und mit standardmäßig verfügbaren Bauteilen auskommt.
Die Aufgabe wird mit einem Sensor nach dem Oberbegriff des
Patentanspruches 10 dadurch gelöst, dass die Auswertemittel derart ausgelegt sind, dass das Signal nach dem Ortsfrequenzfilterverfahren und nach dem Bildverarbeitungsverfahren erzeugt wird und dass der Sensor Mittel zur Auswahl des jeweils nach dem Ortsfrequenzfilterverfahren und nach dem
Bildverarbeitungsverfahren erzeugten Signals umfasst, wobei die Auswahlmittel derart ausgelegt sind, dass sie das im Ortsfrequenzfilterverfahren ermittelte Freguenzsignal hinsichtlich des ermittelten Frequenzwertes und/oder hinsichtlich wenigstens eines QualitätsmerkmalS überprüfen und im Falle, dass das Frequenzsignal unterhalb eines festzulegenden Frequenzwertes liegt und/oder das
Frequenzsignal einen festzulegenden Qualitätsmerkmalswert nicht erreicht, den im Bildverarbeitungsverfahren zur Bestimmung der Relativgeschwindigkeit ermittelten wert auswählen.
Analog zu dem erfindungsgemäßen Verfahren bestehen die Vorteile des erfindungsgemäßen Sensors insbesondere darin, dass er sich sowohl für die präzise Messung großer Geschwindigkeiten - hier wird das Ortsfrequenzfilterverfahren eingesetzt - eignet, wie auch für die Messung kleiner
Geschwindigkeiten oder sogar von zeitweiligem Stillstand des Objekts. Für diese Messung wählen die erfindungsgemäß vorgesehenen Auswahlmittel das Bildverarbeitungsverfahren aus, sobald der des im Ortsfrequenzfilterverfahren ermittelte Frequenzwert unterhalb eines festzulegenden Frequenzwertes liegt und/oder das Frequenzsignal wenigstens einen vorzugebenden Qualitätsmerkmalswert nicht erreicht.
Für den erfindungsgemäßen Sensor können elektronische Standard-Schaltungskomponenten, insbesondere integrierte Schaltkreise, wie FPGAs oder DSPs, eingesetzt werden. Insbesondere handelt es sich bei den lichtempfindlichen Elementen des Sensors um CCD-, CMOS-Bauelemente, -Arrays oder -Zeilen, Photodioden oder Phototransistoren.
Durch den Einsatz von Regelungsmitteln zur Regelung der Belichtungsparameter der lichtempfindlichen Elemente lassen sich zu jedem Messzeitpunkt und unter allen
Beleuchtungsbedingungen stets optimale Belichtungsparameter, welche die Voraussetzung für vertrauenswürdige Messungen sind, erreichen. Ferner umfasst der erfindungsgemäße Sensor bevorzugt Mittel zur Kontrolle des Informationsgehalts der aus den lichtempfindlichen Elemente ausgelesenen Daten, wobei bei zu geringem Informationsgehalt ein Warnsignal an den Nutzer ausgebbar ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors ist vorgesehen, dass die Ansteuerungsmittel derart ausgelegt sind, dass die zeitlichen Abstände zum Auslesen der lichtempfindlichen Elemente variabel einstellbar sind. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise bei der sensorgestützten Überwachung sehr gleichmäßig ablaufender Prozesse, beispielsweise der Geschwindigkeitsmessung an sehr langsam laufendem bahnförmigem Material, die Zykluszeit, d.h. der zeitliche Abstand zwischen zwei Messvorgängen, verlängert werden kann. Entsprechend kann bei der Geschwindigkeitsmessung nach dem Bildverarbeitungsverfahren, welches erfindungsgemäß insbesondere bei geringen Geschwindigkeiten, bei denen das Ortsfrequenzfilterverfahren keine befriedigenden Messergebnisse liefert, eingesetzt wird, der Rechenaufwand merklich reduziert werden. Durch verlängerte Zykluszeiten lassen sich zudem Störgrößen in geeigneter Weise aus der Messung herausmitteln. Umgekehrt gilt entsprechend, dass bei vergleichsweise hohen und stark schwankenden Geschwindigkeiten, bei denen es besonders auf die Messung von Momentanwerten ankommt, die Zykluszeit verkürzt werden kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Sensor zur Messung einer
Relativgeschwindigkeit einer Objektoberfläche zum Sensor in einem stark schematisierten
Blockschaltbild und
Fig. 2 das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung einer Relativgeschwindigkeit einer Objektoberfläche zu einem Sensor im Flussdiagramm.
In Fig. 1 ist in stark schematisierter Ansicht ein erfindungsgemäßer Sensor 1 zur Messung einer Relativgeschwindigkeit einer Objektoberfläche zu dem Sensor 1 dargestellt. Der Sensor 1 umfasst eine Mehrzahl zueinander beabstandet angeordneter lichtempfindlicher Elemente 2, beispielsweise in Form einer CCD-Zeile, eine Optik 2a, welche die Objektoberfläche auf die lichtempfindlichen Elemente 2 abbildet, sowie Ansteuerungsmittel 3, welche die lichtempfindlichen Elemente 2 des Sensors 1 in zeitlichen Abständen auslesen. Die Ansteuerungsmittel 3 geben die aus den lichtempfindlichen Elementen 2 ausgelesenen Helligkeitswerte an Auswertemittel 6, 7 weiter, die ihrerseits jeweils ein zur zu messenden Geschwindigkeit proportionales Signal erzeugen.
Erfindungsgemäß sind die Auswertemittel 6, 7 derart ausgelegt, dass sie Signale nach dem Ortssequenzfilterverfahren SFV und nach dem
Bildverarbeitungsverfahren BW erzeugen. Im Einzelnen erzeugt das Auswertemittel 6 im Ortssequenzfilterverfahren SFV einen der zu messenden Geschwindigkeit proportionalen Frequenzwert, während das Auswertemittel 7 den Wert der
Korrelations funktion zwischen zwei in zeitlichem Abstand zueinander aufgenommenen Bildern ermittelt, woraus sich in bekannter weise die Verschiebung der Objektoberfläche in dem zeitlichen Abstand und daraus die Geschwindigkeit der Objektoberfläche ermitteln lässt. Die jeweiligen
Ausgangssignale der Auswertemittel 6, 7, nämlich das Frequenzsignal des Auswertemittels 6 und das Korrelationssignal des Auswertemittels 7, werden an ein Auswahlmittel 8 weitergegeben. Das Auswahlmittel 8 prüft nun das vom Auswertemittel 6 stammende, im
Ortsfrequenzfilterverfahren SFV ermittelte Frequenzsignal hinsichtlich des ermittelten Frequenzwertes und/oder hinsichtlich wenigstens eines Qualitätsmerkmals, beispielsweise der Signalhalbwertsbreite, des Signal-Rausch- Abstandes und/oder des störungsfreien Dynamikbereichs
(Ξpurious Free Dynamic Range - SFDR) , und wählt im Falle, dass das Frequenzsignal unterhalb eines durch den Nutzer fest zu legenden Frequenzwertes liegt und/oder das Frequenzsignal einen oder mehrere vorgegebene Werte der vorgenannten Qualitätsmerkmale nicht erreicht, den im
Bildverarbeitungsverfahren BW zur Bestimmung der Relativgeschwindigkeit ermittelten Wert, vorliegend also den Maxiamiwert der Korrelationsfunktion. Liegt der Frequenzwert des in das Auswahlmittel 8 aus dem Auswertemittel 6 eingegebenen Frequenzsignals jedoch beispielsweise oberhalb des nutzerseitig festzulegenden Frequenzwertes, so wählt das Auswahlmittel 8 das Frequenzsignal zur Bestimmung der Relativgeschwindigkeit zwischen der Objektoberfläche und dem Sensor aus .
Das jeweils ausgewählte Signal wird sodann in ein Validierungsmittel 9 eingegeben, in welchem geprüft wird, ob das Signal vertrauenswürdig ist oder ob es auf einer offensichtlichen Fehlmessung basiert. In letzterem Fall wird anstelle des nichtvertrauenswürdigen Signals das Signal der letzten vertrauenswürdigen Messung oder ein Mittelwert der Signale mehrerer zuletzt erfolgter vertrauenswürdiger
Messungen, insbesondere das arithmetische Mittel oder der Median, verwendet. Alternativ kann bei dynamisch bewegten Objekten das Signal durch eine Extrapolation des Verlaufs der Signale der letzten vertrauenswürdigen Messungen ersetzt werden.
Aus dem Validierungsmittel 9 wird das Signal sodann in eine Ausgabeeinheit 10 gegeben, wo es an den Nutzer ausgegeben werden kann.
Neben den vorgenannten Komponenten umfasst der erfindungsgemäße Sensor 1 noch Regelungsmittel 4, mit welchen die Belichtungsparameter der lichtempfindlichen Elemente 2 geregelt werden können, so dass unter allen Beleuchtungsbedingungen stets optimale Belichtungsparameter vorliegen. Darüber hinaus umfasst der Sensor 1 noch Mittel 5 zur Kontrolle des Informationsgehalts der aus den lichtempfindlichen Elementen 2 ausgelesenen Daten. Diese dienen dazu, dem Nutzer ggf. ein Warnsignal über die Ausgabeeinheit 10 auszugeben, wenn der Informationsgehalt der aus den lichtempfindlichen Elementen 2 ausgelesenen Daten zu gering ist, so dass keine sinnvolle Geschwindigkeitsmessung vorgenommen werden kann. Dies trifft beispielsweise dann zu, wenn die lichtempfindlichen Elemente 2 hinsichtlich der zu erfassenden Objektoberfläche fehljustiert sind.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Relativgeschwindigkeit zwischen der Objektoberfläche O und dem Sensor 1 anhand des in Fig. 2 dargestellten Flussdiagramms nochmals erläutert.
Durch die Ansteuerungsmittel 3 werden die Helligkeitswerte der lichtempfindlichen Elemente 2 in zeitlichen Abständen ausgelesen und an die Auswertemittel 6, 7 weitergegeben (Schritt A - vgl. Fig. 1) . Im Auswertemittel 6 wird anhand des Ortsfrequenzfilterverfahrens SFV ein zur zu messenden Geschwindigkeit proportionales Frequenzsignal generiert (Schritt B) und an die Auswahlmittel 8 weitergeleitet. Dort wird in einem Schritt C das Frequenzsignal f hinsichtlich seines Signalwertes und der Signalqualität, beispielsweise des Signal-Rausch-Abstandes SNR oder der Signalhalbwertsbreite FWHM analysiert. Genügt der Ξignalwert oder die Signalqualität den nutzerseitig vorgegebenen
Kriterien, so wird an der Ausgabeeinheit 10 des Sensors 1 die gemessene Relativgeschwindigkeit ausgegeben (Schritt D) . Im anderen Fall wählen die Auswahlmittel 8 das parallel zum Ortfrequenzfilterverfahren SFV im Bildbearbeitungsverfahren BW ermittelte Korrelationssignal aus (Schritt E) . Dieses wird wiederum bezüglich seines Signalwertes und/oder seiner Signalqualität überprüft und für den Fall, dass es den nutzerseitig vorgegebenen Kriterien genügt, an die Ausgabeeinheit 10 geleitet, wo die Relativgeschwindigkeit ausgegeben wird. Im anderen Fall wird die Messung entweder verworfen (Schritt G) oder aber der Wert durch den zuletzt gültigen Wert einer vorausgegangenen Messung überblendet, woraufhin dieser an die Ausgabeeinheit 10 geleitet wird (Schritt H) .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Messung einer Relativgeschwindigkeit einer Objektoberfläche (0) zu einem Sensor (1) , wobei der Sensor (1) eine Mehrzahl zueinander beabstandet angeordneter lichtempfindlicher Elemente (2) aufweist, welche in zeitlichen Abständen ausgelesen werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Messung nach dem Ortsfrequenzfilterverfahren (SFV) und nach dem Bildverarbeitungsverfahren (BW) erfolgt, das im Ortsfrequenzfilterverfahren (SFV) ermittelte Frequenzsignal (f) hinsichtlich des ermittelten Frequenzwertes und/oder hinsichtlich wenigstens eines Qualitätsmerkmals überprüft wird und im Falle, dass das Frequenzsignal (f) unterhalb eines festzulegenden Frequenzwertes liegt und/oder das Frequenzsignal (f) einen festzulegenden Qualitätsmerkmalswert nicht erreicht, der im Bildverarbeitungsverfahren (BW) zur Bestimmung der Relativgeschwindigkeit ermittelte Wert ausgewählt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Qualitätsmerkmal des Frequenzsignals (f) die Halbwertsbreite (FWHM) und/oder der Signal-Rausch-Abεtand (SNR) und/oder der störungsfreie Dynamikbereich (SFDR) des Frequenzsignals (f) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s bei Auswahl des im Bildverarbeitungsverfahren (BW) zur Bestimmung der Relativgeschwindigkeit ermittelten Werts, dieser hinsichtlich wenigstens eines Qualitätsmerkmals überprüft wird und im Falle, dass der ermittelte Wert einen festzulegenden Qualitätsmerkmalswert nicht erreicht, die Messung verworfen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s bei Auswahl des im Bildverarbeitungsverfahren (BVV) zur Bestimmung der Relativgeschwindigkeit ermittelten Werts, dieser hinsichtlich wenigstens eines Qualitätsmerkmals überprüft wird und im Falle, dass der ermittelte Wert einen festzulegenden Qualitätsmerkmalswert nicht erreicht, der Wert durch den zuletzt ermittelten gültigen Wert, durch einen Mittelwert mehrerer zuletzt ermittelter gültiger Werte, insbesondere ihr arithmetisches Mittel oder ihren Median, oder eine Extrapolation des Verlaufs der zuletzt ermittelten gültigen Werte ersetzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der im Bildverarbeitungsverfahren (BVV) zur Bestimmung der Relativgeschwindigkeit ermittelte Wert durch Lokalisierung von Merkmalen der Objektoberfläche (O) und Ermittlung der Verschiebung der Merkmale bei zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen Bildern ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der im Bildverarbeitungsverfahren (BW) zur Bestimmung der Relativgeschwindigkeit ermittelte Wert der Maximalwert der Korrelationsfunktion zwischen zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommenen Bildern ist.
7. verfahren nach Anspruch 6 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Qualitätsmerkmal die Halbwertsbreite (FWHM) und/oder der Signal-Rausch-Abstand (SNR) des Korrelationssignals und/oder der störungsfreie Dynamikbereich (SFDR) des Korrelationssignals ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Belichtungsparameter der lichtempfindlichen Elemente (2) geregelt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Informationsgehalt der aus den lichtempfindlichen Elemente (2) ausgelesenen Daten kontrolliert und bei zu geringem Informationsgehalt ein Warnsignal an den Nutzer ausgegeben wird.
10. Sensor (1) zur Messung einer Relativgeschwindigkeit einer Objektoberfläche (0) zum Sensor (1) , mit einer Mehrzahl zueinander beabstandet angeordneter lichtempfindlicher Elemente (2) und Ansteuerungs- und Auswertend.tteln (3, 6, 7), wobei die Ansteuerungsmittel (3) die lichtempfindlichen Elemente (2) des Sensors {1) in zeitlichen Abständen auslesen und die Auswertemittel (6, 7) jeweils ein zur zu messenden Geschwindigkeit proportionales Signal erzeugen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Auswertemittel (6, 7) derart ausgelegt sind, dass das Signal nach dem Ortsfrequenzfilterverfahren (SFV) und nach dem Bildverarbeitungsverfahren (BW) erzeugt wird und dass der Sensor (1) Mittel (8) zur Auswahl des jeweils nach dem Ortsfrequenzfilterverfahren (SFV) und nach dem Bildverarbeitungsverfahren (BW) erzeugten Signals umfasst, wobei die Auswahlmittel (8) derart ausgelegt sind, dass sie das im Ortsfreguenzfilterverfahren (SFV) ermittelte Frequenzsignal (f) hinsichtlich des ermittelten
Frequenzwertes und/oder hinsichtlich wenigstens eines Qualitätsmerkmals überprüfen und im Falle, dass das Frequenzsignal (f) unterhalb eines festzulegenden Frequenzwertes liegt und/oder das Frequenzsignal (f) einen festzulegenden Qualitätsmerkmalswert nicht erreicht, den im Bildverarbeitungsverfahren (BW) zur Bestimmung der Relativgeschwindigkeit ermittelten Wert auswählen.
11. Sensor (1) nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die lichtempfindlichen Elemente (2) des Sensors (1) CCD-, CMOS -Bauelemente, -Arrays oder -Zeilen, Photodioden oder
Phototransistoren sind.
12. Sensor (1) nach Anspruch 10 oder 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Sensor (1) Regelungsmittel (4) zur Regelung der
Belichtungsparameter der lichtempfindlichen Elemente (2) umfasst.
13. Sensor (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Sensor (1) Mittel (5) zur Kontrolle des Informationsgehalts der aus den lichtempfindlichen Elementen (2) ausgelesenen Daten umfasst, wobei bei zu geringem Informationsgehalt ein Warnsignal an den Nutzer ausgebbar ist.
14. Sensor (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Ansteuerungsmittel (3) derart ausgelegt sind, dass die zeitlichen Abstände zum Auslesen der lichtempfindlichen Elemente (2) variabel einstellbar sind.
15. Sensor (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s in den Sensor (1) mehrere Sensoren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 integriert sind.
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