採用現場可編程門陣列邏輯的容器檢查系統的製作方法
2023-09-18 09:41:00
專利名稱：採用現場可編程門陣列邏輯的容器檢查系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及採用現場可編程門陣列邏輯的機器觀測系統及其方法，更具體地說，涉及一種用於檢查容器的商品生產中的變形和幾何特徵的系統和方法。
大批量生產玻璃或塑料容器的常規技術都包含在多種多樣的吹模中形成容器的步驟。在此步驟中，可能發生在該領域稱之為「商品生產中的變形」的各種類型的缺陷或龜裂。因此，已有建議提出，採用光學掃描技術來檢查容器的這類影響其光傳輸特性的變形情況。在轉讓給本申請人的美國專利4378493，4378494和4378495號中，就已經公開了這種方法和設備，其中的玻璃容器是通過多個檢查站進行物理和光學檢查後被輸送出去的。在一個檢查站中，玻璃容器被垂直放置並繞其豎直軸轉動。一個照明光源將漫射光通過容器側壁射入。一個包含有多個光敏元件或象素的攝像鏡頭放置在可以檢測通過容器側壁垂直條的光線的位置上，該攝像鏡頭內的多個光敏元件或象素排列成與容器豎直軸相平行的線生陣列。按容器旋轉增量，對每個象素元件的輸出進行採樣，當相鄰象素元件的信號差大於預定的閾值時，產生相變信號。同時產生一個與相變信號相這應的報廢信號，將被報廢的容器從運輸線上分揀出來。
美國專利4958223號也已轉讓給本申請人，它公開了一種當容器繞其中的軸轉動時，檢測該容器面層的設備。一個光源放置在使漫射光射向容器面層的位置上，一個攝像鏡頭相對容器軸在該光源對過放置。該攝像鏡頭包括一個CCD圖象陣列傳感器，該傳感器具有一個以行列排列的圖象傳感元件矩陣，並且還裝自移位寄存器和門電路，用於有選擇地按行列順序地讀取各傳感元件上的圖象數據。圖象處理電路同陣列連接產生攝像鏡頭控制信號，用於對圖象陣列傳感器上的相鄰列和/或行的數據進行選擇綜合，並用於僅將傳感器中感興趣的圖象數據區域的數據卸入到圖象處理電路中。這種數據壓縮不但在進行數據處理時改善了傳感器自身的信噪比，而且通過僅從感興趣的圖象區域卸入數據節省了圖象處理器的存貯空間。
美國專利5214713號也轉讓給本申請人，它也公開了一種容器檢查系統，在該系統中，由一架攝像鏡頭獲得由多個象素組成的一幅容器圖象，每個象素構成圖象的一部分，一個存貯器接收並存貯攝像鏡頭來的圖象的象素數據。一個壓縮陣列處理器包括多個位式數據處理器，它們構成一個矩形陣列，以及一個微指令控制器，用於控制多個位式數據處理器的工作，使它們並行地同時處理數據。一個與所述壓縮陣列處理器分開的數據相關式處理器(data-dependent)，適於對圖象/數據進行非順序的和/或由數據相關式的處理。一個計算機同攝像鏡頭控制電路，存貯器，壓縮陣列處理器和數據相關式處理器相連接。通過控制這些電路的操作，計算機先從攝像鏡頭中獲得象素數據，然後將這些數據的象素為單位存貯在存貯器中，再從存貯器中取出象素數據並以象素為單位將其卸入壓縮陣列處理器，以便使多個位式處理器中的每一個都只接收和處理一個字節的象素數據，再將這些數據從壓縮陣列處理器這回到存貯器，然後從存貯器中取出象素數據並將其卸入數據相關式處理器，用作非順序的或數據相關式的圖象處理。
上面提到的專利中公開的系統和技術，雖然在預先檢查技術領域取得了重大的進步，但仍有必要進行改進。具體地說，在製造過程檢查應用中，例如在容器製造控制過程中，製造過程檢查容器所採用的機器觀測系統，無論在數據被從攝像鏡頭中讀出時，還是在被從存貯器中存貯的供比後進行非實時處理的全部攝像鏡頭圖象數據中識別出來時，對容器的圖象數據進行快速和實時的處理都是極其必要的。本發明的總的目的就是要提供一個在該領域已提出需要的機器觀測系統及其使用方法。本發明的一個更具體的目的是要提供一個採用可編程邏輯硬體對圖象數據進行順序和實時預處理的系統和方法，其中預處理硬體可以容易地進行重編程，或重設計以便對圖象數據進行不同的預處理操作。
一種按照本發明的機器觀測系統包括一個攝像鏡頭，用於獲得一幅有多個象素數據組成的圖象，其中的每一個都形成圖象的一部分；一個預處理器，用於接收攝像鏡頭來的象素數據並對其進行有選擇地預處理操作；以及一個主處理器，用於對從預處理器接收到的預處理過的象素數據進行圖象分析。所述的預處理器包括一個可改變構形的硬體邏輯元件陣列，以便按照硬體邏輯元件組合結構所決定的方式對象素數據進行連續和實時地處理。預處理器響應從主處理器來的控制信號，有選擇地改變硬體邏輯元件的組合結構，以按照主處理器所控制的預先選定的方式，對從攝像鏡頭來的象素數據進行預處理。
按本發明目前的最佳實施方式，在容器檢查系統內，容器放置在固定的位置上並繞其軸轉動。光射向轉動的容器，攝像鏡頭獲取一個被光照亮的容器的圖象。所述容器圖象由多個象素數據字節組成，每個字節形成圖象的一部分，該容器圖象被連續和順序送入一個可編程的邏輯器件中，在該邏輯器件中由硬體邏輯元件預先組合成一個陣列，以使陣列中的元件能對多個順序的象素數據字節同時進行實時處理。對所述象素數據進行分析就可以獲得作為容器光學特徵函數的檢查信息。一個數字存貯器包含用於可編程邏輯器件的預先存貯的組成結構程序。電子電路用於響應主處理器，對存貯器中預存的組合結構程序進行選擇，並在可編程邏輯器件中有選擇地構成或重新構成硬體邏輯元件的陣列，以便對攝像鏡頭的圖象象素數據進行選定的預處理操作。在本發明的最佳實施例中，攝像鏡頭和可編程邏輯器件的操作是和容器旋轉的增量同步進行的。
從下面的說明，接著的權利要求和附圖可以對本發明，以及其特徵、優點和目的有更好地理解。在附圖中
圖1是按照本發明的一個最佳實施例，用於檢查容器底部和跟部的一個系統的的功能方塊圖；圖2是圖1中的預處理器的功能方塊圖；圖3是圖2中的現場可編程門存列(FPGA)的更詳細的功能方塊圖，它被用於在圖1的實施例中對容器底部和跟部進行分析；圖4A和3B包括一個對在圖1中被檢查的容器的底部和跟部的簡要圖示說明(圖4A)和它們產生的電子圖象(圖4B)；圖5A和5B是對一個具有各種商品生產中的變形的容器的底部和跟部的簡要圖示說明(圖5A)和它們產生的電子圖象(圖5B)。
下面參照附圖對本發明的最佳實施例作詳細說明。圖1表示按照本發明構成的一個機器觀測系統10，用於檢查容器12的底部和根部。一個輸送設備14，典型地包括有一組星形輪(未示出)和一塊滑板16，被布置成與模製容器來源相連接，以便能連續地將容器12攜帶輸送到圖1所示的檢查工作站的位置上。輸送設備14可以是任何適用的型式，例如象美國專利4230219和4378493中所示的那種，典型地應當包括有可轉動的星形輪，用來將各容器連續地輸送到規定位置並在檢查操作期間將容器保持在固定的位置上。一個容器轉動裝置18，例如一個驅動滾子，位置工作站可與容器12結合的位置上，它使容器圍繞自身的中心軸轉動。
在目前計論的本發明的這一最佳實施例中，容器12是一個模製的玻璃瓶，它具有瓶體20，一個大體上是圓筒形的瓶頸22，它從瓶體肩24上向上伸出，還有一個瓶底26，它由跟部28同瓶體20連接。如圖1所示，檢查系統10被設計成用來檢查容器12的底部26和跟部28 。然而從下面的討論可以明了，本發明並不局限於這種具體的實施模式。
一個光源30位於滑板16的下面，光線通過滑板16的開口32，向上射出並透過容器的底部26和跟部28進入容器。一個攝像鏡頭34放置在容器上方並和滑板的開口32同心或對準，以便當容器被保持在靜止位置上或繞其自身中心軸旋轉時，可以通過容器的齧朝下觀測到容器的底部26和跟28，並能被光源30從下方照亮。這樣，攝像鏡頭34至少可以獲得一個容器的被檢查部分的圖象。攝像鏡頭34內的透鏡36將容器12的被照亮的底部和跟部的圖象聚焦到一個CCD線性陣列傳感器38上。因而在攝像鏡頭傳感器38上形成容器12底部和跟部的一個線性的或一維的圖象，這個圖象是由多個象素數據字節組成的，並是從傳感器38上連續順序可讀出或可掃描的。攝像鏡頭34在一個信息處理器40的控制下將圖象數據按字節連續地裝卸入一個預處理器42。圖象數據在預處理器42中按照選定的方式進行處理，然後被饋入信息處理器40，用於獲得一個作為容器12光學特徵函數的檢查信息。信息處理器40的信息可以用來提供一個報廢信號，把具有不符合要求或不可接受的裂紋或變形的容器12分離剔除，也可以給顯示器44提供容器被檢查部分的全部或局部的圖象。信息處理器40和預處理器42的操作是與容器旋轉的增量同步的，它既可以直接在作為容器實際轉動函數的一個編碼器45的作用下實現同步，當容器的恆定速度轉動時，也可以非直接地在時間增量的作用下同步。
圖2是預處理器42的一個功能方塊圖。一個現場可編程門陣列或FPGA46通過圖象緩衝器48按字節連續地接收攝像鏡頭的圖象數據。FPGA46是一個常規的可編程邏輯器件，它包含有一個可改變組合結構的硬體邏輯元件陣列。以便按照硬體邏輯元件組合結構決定的方式對攝像鏡頭機34的象素數據進行連續和實時地處理。目前最結的可編程邏輯器件或FPGA46是加利福尼亞的聖喬士阿脫拉公司(Altera corp.of san Jose)上市的Flex8000可編程邏輯器件系列。FPGA46同隨機存取存貯器PAM50和只讀存貯器ROM52連接，所述的這兩個存貯器用於接收圖形程序的信息和進行圖象分析，下文將介紹。FPGA46通過一個可編程的邏輯陣列或PLA54接收從信息處理器40來的輸入控制信號，用於有選擇地對FPGA進行編程或重編程，並通過一個圖象緩衝器56將輸出的圖象信息提供給信息處理器40。ROM52紗包含一個最好包含多個程序，用於對FPGA46進行選擇性地構成，以便對輸入的圖象象素數據進行不同的預處理操作。這些程序可由信息處理器40依據要執行的檢查操作，例如圖1中檢查底部和跟部的實施，以及依據要求的預處理算法來選定。用於底部和跟部檢查的一種預處理算法將結合圖3進行詳細討論。PLA54可以配合從信息處理器40來的命令信號進行預先編程，用於命令FPGA46從ROM52中有選擇地取出組合結構程序，這既可以在整個系統起動時進行，也可以要求採用不同的預處理算法時，在信息處理器40的控制下通過PLA54選擇進行。
圖3是圖2中的FPGA46對圖象象素數據進行預處理的功能方塊圖，用於實施圖1中對底部和跟部的檢查。攝像鏡頭的象素數據在一個處理器時鐘62控制下的同步器60處，按象素字節被連續地被接收。該同步器60還驅動一個象素計數器64，跟蹤在每次掃描中接收的攝像鏡頭的象素數據。被同步的象素輸入數據通過順序排列的移位寄存器66，68，70被饋入。同步器60和每個移位寄存器66，68，70的輸出被輸入多路轉換器72相應的輸入端。這樣在多路轉換器72的四個輸入端上呈現四個順序的象素數據字節，它們代表圖1中的線性陣列傳感器38的四個順序的元件的輸出。一對邏輯門74，76是由編程選擇設定的，用於測定一條攝像鏡頭掃描線內要比較的各象素數據字節之間的間隔(邏輯74)和要比較的各象素數據字節之間掃描線的數目(邏輯76)。在這個實施例中，亦就是通過對一條攝像鏡頭掃描線內的各象素數據字節的比較，根據邏輯74的編程確定的既可以是相鄰的也可以是相隔幾個字節的字節進行比較，以及通過對兩條掃描線上相同的字節數目的比較，根據邏輯76的編程既可是相鄰的也可是相隔的掃描線比較，對被觀測部分進行分析。邏輯元件74，76由處理器時鐘62驅動。象素計數器64和邏輯元件74連接到減法電路78上，它從每一條掃描線的象素計數中減去邏輯74設定的數。這樣產生一個地址並被寫入掃描數據RAM80中(是圖2中的RAM50的一部分)。減法器78產生該地址的象素部分，另一個減法器84產生該地址的掃描部分。兩者合起來能在當前的掃描線上或一條先前的掃描線上產生任何先前象素的地址。當前象素數碼不斷地被存入掃描數據RAM80，因此，通過對在RAM中合適的位置進行尋址，可以取出到同一條掃描線上的先前象素的象素數據或先前掃描線上的象素數據。
一個(第二)多路轉換器86接受從(第一)多路轉換器72和掃描數據RAM80輸出的信號。這樣，該(第二)多路轉換器86就能夠選擇最新輸入的象素數據字節或以前的三個緊挨著的象素數據字節中的一個(通過多路轉換器72)，以及在同一條掃描線內的或在一條選定的先前的掃描線內的一個預定的先前的象素數據字節(通過掃描數據RAM80)作為輸入。多路轉換器86的輸出被饋入比率計算元件88的一個輸入端，該比率元件88接收同步器60來的第二個輸入信號，該信號當然是最新的象素數據輸入字節。這樣，在比率計算元件88上，現行的輸入數據字節可同移位寄存器66、68、70上輸出的三個緊挨著的先前字節中的任一個進行比較，或者當由減法元件78和掃描數據元件80測定時，與同一掃描線內的任何先前的字節相比較，當由減法元件84和掃描數據元件80測定時，與任何先前的掃描線上的同一象素數據字節比較。比率元件88最好是由ROM52的一部分形成的(圖2)，它作為有兩個ROM地址輸入端的元件用於接收兩個輸入字節，並提供一個作為其間的輸入比率函數的輸出信號。當然，這個比率是預先存貯在ROM52中的。
比率元件88的輸出被饋入比較器90，該計算比率在比較器90中與預先存貯在RAM50中的一個閾值92比較。每一個象素在RAM50中都存有一個閾值92，由象素計數器64導址該RAM，並讀出相應的閾值。當比較表明，圖象象素字節在比率元件88上產生的比率超過閾值92時，「命中」計數器94會遞增。當連續命中的數目達到預定值時，表明發現了一個「氣泡」(blcb)，計算器96將遞增。包泡計數器96總是每一串連續命中的末端遞增。在比較器90中產生的每一次命中作用都是通過元件98，向輸出多路轉換器100發生信號，使其將數據傳送給光信息處理器40(圖1)。在連續命中情況下，輸出多路轉速器100產生從氣泡上計數器96，命中計數器94，比率元件88，同步器60，象素計數器64到掃描計數器82一系列的輸出。這樣，由圖象數據字節比較產生的連續命中將把圖象信息有效地裝入光信息處理器。光信息處理器根據這些數據的數目和頻率能產生質量控制信息。按照這種方式，光處理器不需要處理所有的圖象數據，而只需處理同檢測到的不可接受的商品生產中的變形有關的數據。當然，另外主處理處40也可以命令卸下RAM50中的全部圖象數據，用於處理和/或在顯示器44上顯示。
圖4A畫出了一個容器的底部和跟部102，底部具有一個內圈104，一個起始圈106和隆起的耐磨環脊108。在該局部剖視圖上還畫出了掃描線110，114和116。為了幫助理解，圖4A還畫出了攝像鏡頭的傳感器38在掃描增量線110觀察到的容器底部和跟部102的圖象38a。如上面說明的，傳感器38在本實施例中是一個線性陣列傳感器，它具有多個傳感器元件，例如512個傳感器元件。這些元件中的6個38b，38c，38d，38e，38f和38g被畫在圖4A中，它們相應地分別在圈104，容器軸線，圈104，起始圈106和環脊108的內邊沿及外邊沿上。由於攝像鏡頭傳感器38是在容器轉動中進行掃描的，所以將產生一幅如圖4B所示的容器底部和跟部的二維電子圖象120。環脊108出現在圖象120底部，起始圈106緊靠其上，內圈104在起始圈上面，點劃線122代表容器中心在內起始106上面。內圈104的圖象106』在圖的頂部重複出現。110，114和116仍代表局部剖視圖中的掃描線，正像圖象38a和傳感器元件38b-38g在掃描線110上。
圖5A和5B表示觀測到的一個底部124具有偏心和不透光碎石變形的容器的情況。圖5A表示了容器底部124上的碎石粒126，128，130和132，圖5B畫出了它們相應的圖象。需要說明的是，在掃描線134上，分別在容器中的附近和內圈104上再次出現的碎石126和128的圖象，是在容器中心122的相反一側。此外，碎石126的圖象圖像不清是因為容器中心角速度小的緣故。
本說明書已經公開的方法和系統完全滿足了前面提出的目的和要求。儘管本發明的公開是結合對底部和跟部分析的的最結實施方案進行的，然而，可以理解，能夠容易地將本發明用於其它類型的容器檢查和分析，例如用於美國專利4601395號公開的容器側壁檢查，美國專利4701612中公開的容器面層檢查，美國專利4945228中公開的容器密封表面檢查，或美國專利4644151中公開的容器壓模鑑定。此外，也可以理解，儘管本發明是結合一個數據壓縮預處理應用電路說明的，即一個預處理確定商品生產中的變形「命中」指示的位置，然後僅將這些信息傳遞給光處理器作進一步分析的應用電路，但表徵發明特徵的可編程邏輯器件可以容易地被用於其它預處理應用中，例如數據過濾，褶積濾波，FIR濾波，Z變換濾波，腐蝕分析或膨脹分析。事實上，本發明特別重要的優點在於執行任何或所有這些預處理功能的算法都可以被預存貯在ROM52中(圖2)，並當需要時按要求由光信息處理器40選擇啟動(圖1)。
按照本發明的圖象預處理器在接收攝像鏡頭的象素數據時，對其進行實時連續地處理操作。這個系統是高度流水作業的，亦即在任何時間點上，預處理器的順序的元件總是在對象素數據的序列字節進行處理操作。因此該系統能在最慢的信號部分要求的操作時間內完成全部預處理操作，而不是要在全部處理部分要求的時間總和內完成預處理操作。事實上，所有流水線分布的元件對象素數據的處理是並行進行的。當要求進行更多的處理時，可以增加流水線的級數，而不必以任何方式減慢預處理操作。在可編程邏輯器件中，諸如加法器，積分器，計數器，多路轉換器和比較器等元件的功能都能實施。乘法器和除法器最好在附加的ROM或RAM中作為查找表形式實施。先前掃描獲得的數據被存貯在附加的RAM中並從中取出，諸如閾值之類參數可以存貯在附加RAM的每個象素基本部分中。
權利要求
1.一個機器觀測系統包括攝像鏡頭設備，用於獲得一個由多個象素數據字節組成的圖象，其中每個字節形成圖象的一部分，預處理設備，用於接收從所述攝像鏡頭設備中來的象素數據並執行選定的預處理操作；主處理設備，用於接收從所述預處理設備中來的經過預處理的象素數據並對所述預處理過的象素數據進行圖象分析，所述的預處理設備包括一個組合結構可變的硬體邏輯元件陣列，用於按照所述硬體邏輯元件的組合結構決定的方式對象素數據字節進行連續實時地處理，和與所述主處理設備連接的裝置，用於有選擇地改變所述硬體邏輯元件的組合結構，以便按照在所述主處理設備控制下預先選定的方式對所述攝像鏡頭設備的象素數據字節進行處理。
2.如權利要求1所述的系統，其中所述的選擇改變裝置包括預存有多個組合結構程序的數字存貯裝置、響應所述主處理設備在所述數字存貯裝置的所述的多個組合結構程序中選擇程序的裝置、和構成所述硬體邏輯元件的陣列，亦即作為在所述數字存貯裝置中選定的組合結構程序的一個函數的陣列的裝置。
3.如權利要求1所述的系統，其中所述的硬體邏輯元件的陣列是可組合構成的，使所述陣列元件對不同的象素數據字節進行順序操作，從而使所述陣列同時對多個序列的象素數據字節進行操作。
4.如權利要求1，2或3所述的系統，其中所述的硬體邏輯元件陣列包括一個可編程的邏輯器件。
5.一個用於檢查容器的系統包括用於把一個容器保持在固定位置並使該容器繞自身軸旋轉的裝置，用於將光線射入處於所述保持和旋轉裝置中的容器內的裝置，攝像鏡頭設備，用於獲得一個處於所述的保持和旋轉裝置上並被所述的光線照亮的容器的圖象，所述的圖象是由多個象素數據字節組成的，其中每個字節都形成所述圖象的一部分，同所述攝像鏡頭設備連接的可編程的邏輯裝置，用於連續和順序地接收所述象素數據字節，所述可編程的邏輯裝置包括一個已組合構成的硬體邏輯元件陣列，以使所述陣列的元件同時和實時地對多個順序的象素數據字作，響應被所述的可編程邏輯裝置處理過的象素數據的裝置，用於獲得作為所述容器的光學特徵函數的檢查信息。
6.如權利要求5所述的系統，還包括用於有選擇地改變所述硬體邏輯元件在所述可編程邏輯裝置中的組合結構的裝置，用於對接收到的來自所述攝像鏡頭設備的象素數據執行不同的處理操作。
7.如權利要求6所述的系統，其中所述的選擇改變裝置包括預存有多個組合結構程序的數字存貯裝置、用於在所述的數字存貯裝置的多個組合結構程序中選擇程序的裝置，和構成所述硬體邏輯元件的陣列，亦即作為在所述數字存貯裝置中選定的組合結構程序的一個函數的陣列的裝置。
8.如權利要求5所述的系統，還包括響應所述保持和旋轉裝置的裝置，用於使所述可編程邏輯裝置的操作與容器的旋轉增量同步。
9.一種檢查一個容器光學特徵的方法，包括以下步驟(a)獲得一個由多個象素數據字節組成的容器圖象，其中每個字節形成所述圖象的一部分，(b)在一個預先進行組成構成的可編程硬體邏輯元件陣列中對所述的象素數據字節進行連續和順序的處理，以使在所述陣列的按序排列的各部分中同時對多個順序的象素數據字節進行操作，(c)從所述步驟(b)處理過的象素數據字節中獲得作為容器的一個光學特徵函數的檢查信息。
10.如權利要求9所述的方法，還包括步驟(d)使容器圍繞自身軸線旋轉，(e)使所述步驟(a)和(b)的操作同容器轉動增量同步。
全文摘要
在一個檢查容器的系統中，容器被保持在靜止位置上並繞自身軸線旋轉。使光線射到旋轉容器上，用攝像鏡頭獲得該容器的圖象。該容器圖象由多個象素數據字節組成，每個字節形成圖象的一部分，將該圖象連續和順序地輸入可編程邏輯器件；該器件中有一組合構成的硬體邏輯元件陣列，以使陣列中的元件同時和實時地對多個順序的象素數據字節進行操作。對象素數據分析獲得作為容器一個光學特徵函數的檢查信息。
文檔編號G01N21/90GK1154469SQ9612278
公開日1997年7月16日 申請日期1996年9月21日 優先權日1995年9月22日
發明者J·W·朱文納爾 申請人:歐文斯-布洛克威玻璃容器有限公司