用於產品貼標籤的視覺識別系統的製作方法

2023-10-10 06:55:34

專利名稱：用於產品貼標籤的視覺識別系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於自動化、高速產品標籤機器。特別是，本發明提供増加標籤速度的同時保持高效率操作的技術。操作效率包括標籤在產品項目上的適當設置以及設置標籤在自動標籤機器出現的所有產品上。對於高速標籤系統具有不斷的需求，其中標籤施加效率在高速下不減小。作為背景，這樣的自動標籤機器典型地每個標籤頭每分鐘施加720個標籤到產品項目，產品項目以每分鐘約75米的速度接近標籤機。
背景技術：
先前已經努力嘗試掃描進入的產品項目以提供關於傳送帶上這些項目的位置的〃提前數據〃到自動貼標籤機。申請人已經知曉的所有這樣的現有系統對諸如產品的種類、產品的顔色、託盤襯墊的顏色和託盤襯墊材料顔色的顏色變化敏感且掃描的結果受其影響。顔色變化嚴重影響系統的性能，並且限制這些系統的速度和效率。本發明提供一種系統，其中產品項目、載運託盤和諸如偶爾出現在託盤中的稻草的各種項目的顔色變化不影響系統的性能。

發明內容
就申請人所知的第一次，本發明利用雷射輪廓測量系統(laser prof i I ingsystem)反覆掃描在以高速朝向標籤機器運動的傳送帶上移動的產品項目。雷射輪廓測量系統給標籤機器提供關於快速運動產品項目的位置以及還優選的是提供關於尺寸(或高度)的"提前數據"。該"提前數據"由標籤機器瞬時使用，以預測何時以及在何處在這些產品項目上設置標籤。本發明採用雷射(或其它高強度光源)輪廓測量識別產品項目接近貼標籤機時在託盤中或在傳送帶上的水平或U、y)位置。在優選實施例中，本發明還採用雷射輪廓測量識別廣品項目(在z軸上)的尺寸或聞度。廣品項目的聞度涉及圖像的売度，如下所述。雷射輪廓測量以高頻率且瞬時地產生被傳到貼標籤機的〃真實世界〃(x、y、z)坐標。我們已經發現，實際上，對於輸送諸如梨子的多個產品項目的給定託盤，僅被傳到貼標籤機的z或高度坐標是給定託盤的最大高度的坐標。作為選擇，所有的z或高度坐標可被傳到貼標籤機；然後，貼標籤機可以被編程從而僅響應於給定託盤中的最大高度或者響應於任何給定託盤中的兩個或多個不同的高度。一旦貼標籤機知道了接近產品項目的坐標，貼標籤速度可増加而不損失貼標籤效率。如上所述，本系統與申請人已經知曉的現有技術的區別在於它對任何要掃描的物體中的顏色改變或顏色變化不敏感或受其負面影響，其中任何要掃描的物體即產品項目、運送託盤和這些託盤中的碎片。本發明的ー個目標是提供雷射(或其它高強度光源)輪廓測量系統以在產品項目接近自動高速標籤機器時提供定位產品項目的拱頂的瞬時位置的真實世界水平U、y)坐標。本發明的另ー個目標是利用雷射輪廓測量系統當產品項目接近自動、高速標籤機器時提供定位產品項目的拱頂瞬時位置和高度的真實世界(X、1、Z)坐標，其系統不受產品項目、運送託盤和運送託盤中碎片中發生的顏色變化的影響。本發明的進一步目標是提聞自動化廣品標籤機器的速度而在精確施加標籤中保持這些機器的高效率。


圖1是示出雷射輪廓測量技術如何可用於獲得各種物體的高度(或z軸)信息的示意圖；圖2是示出雷射輪廓測量如何用在本發明中獲得諸如梨子的一行產品項目的瞬時高度(或深度)信息的示意圖；圖3是向下看一盤梨子的瞬時圖像，其中反射光的亮度對應於高度；圖4示出了用於將圖像位置轉換成真實世界(x、y、z)坐標的校準目標；圖5示出了在本發明的校準期間被測量到的徑向透鏡變形以及在處理期間的補償；以及圖6A和6B是在〃拱頂〃運算法應用之前和之後〃深度地圖〃的圖像，其中圖6B清楚地定位產品項目的〃拱頂〃或最高點。
具體實施例方式如圖1所示，雷射輪廓測量涉及來自雷射器10 (通常為平面)的光圖案以已知的角度投射到物體12、13和14上。該技術用在獲得尺寸信息和用來成像的機器視覺。光圖案通過將光束展開成平面光片(sheet-of-light)ll而產生。當光片11與物體交叉時，可在物體的表面上看見光的亮線。通過用相機20以一定的角度觀察光的亮線，可將線中所觀察到的變形轉換成高度變化19顯示在監視器25上。圖2是三個梨子31-33的瞬時單ー雷射輪廓圖像的示例。圖2所示的圖像包括雷射輪廓線15，其表示雷射〃光片〃(見圖1，項11)與三個梨子31-33表面的交叉，其輪廓在圖2中示出為虛影(或點線)。在圖2中，雷射〃光片〃11瞬時交叉梨子31-33的側翼或側部，並且在梨子31-33上分別形成亮線15a、15b和15c。輪廓線15的垂直位置h表示在〃光片"交叉梨子表面的特定點處梨子表面在傳動帶表面之上的高度。"光片"輸出11周期進行，並且以頻繁間隔撞擊產品項目的表面以產生這些表面的瞬時雷射輪廓。每個產品項目的表面其上設置標籤的最希望的部分是每個產品項目的最高區域或"拱頂〃。"拱頂"是最平坦的表面，其最容易接受粘合劑標籤，並且其反射的光片11大於梨子表面的任何其它部分。〃拱頂〃也是最高的表面，這對於標籤機器頭施加任何給定的標籤來說要求最小的行程(和最少的時間)。如圖2所示，傳送帶90具有平坦的上表面91，在其上產品託盤(圖2中沒有示出)朝著高速貼標籤機運載產品項目的陣列。為了清楚起見圖2中沒有示出產品託盤。梨子31-33的每ー個分別具有其表面31a_33a的拱頂部分，其發生在所述梨子在傳送帶90的上表面91之上的最大高度處。圖3是ニ維圖像，示出了運載在託盤98中的總體上由130示出的21個梨子〃的真實世界〃水平或(x、y)坐標,託盤98具有總體上由97表示的24個託架(receptacles)。梨子130沿著傳送帶90的縱軸A-A朝著標籤機器99運動。傳送帶90具有平坦表面91。託架97容納每個梨子130。搖架(cradles)97a、97b和97c是空的並且沒有運載梨子。為了清楚起見沒有示出雷射器和相機。將描述単一梨子131。梨子131的拱頂131a為總體上平坦的和光滑的表面，其由總體上卵形環131b界定。環131b、131c和131d基本上為示出梨子131上半部分形狀的輪廓或地形環。應特別注意，環131b和131c之間的區域反射很少的光，並且呈現為比拱頂131a暗。同樣，環131c和131d之間的區域反射更少的光，並且呈現為更暗。從每個梨子表面的不同部分反射光的相對亮度被用於定位每個梨子的拱頂並且產生每個拱頂的(x、y)坐標。本發明的重要方面是利用雷射輪廓測量技術定位到來的產品項目的"拱頂"的位置並且將這些〃拱頂〃的真實世界坐標的〃提前通知〃給標籤機器。圖3中示意性地示出了雷射器110和相機120。由雷射器110產生的光片(為了清楚起見沒有不出)優選定向為垂直於軸A-A,但是可利用橫向於軸A-A的其它方向。雷射器110和相機120可直接安裝在傳送帶90上方，或者偏移到傳送帶90的側面，如圖3所示。相機的透鏡、傳感器的分辨度和觀看點被優化從而以足夠的高度分辨度成像堆疊至三倍高的產品託盤，以恢復坐標至典型地〈3_的精度內。傳感器的靈敏度和雷射的亮度被優化從而保證對於非常暗的且對紅色雷射不反射的水果的操作。每個雷射輪廓圖像(圖2)為通過託盤的単一線條提供位置信息。隨著託盤沿著傳送帶前行，以非常高的幀率連續地攝取圖像以便建立託盤的完整深度地圖。圖3是產生的深度地圖，並且是2-D圖像，其中高度編碼成相対的灰度亮度，每個拱頂具有最大亮度，並且每個梨子的表面區域在拱頂下越遠就具有越低的相對亮度。水果的位置和空置託盤的位置可從深度圖像上測量，因為水果具有特定的〃拱頂〃高度外形，如圖3所示。深度圖像產生的結果相對不受與傳統成像相關的典型問題的影響。本系統中的深度圖像相對不受下面因素的影響:-水果和託盤之間缺乏顏色對比度(例如，在緑色託盤上的緑色蘋果)-在水果和託盤之間缺乏光亮/亮度對比度(例如，黒色託盤上的黒色李子)-有問題的託盤材料(反射和半透明託盤等)-用諸如稻草或其它碎片的材料包裝的託盤。為了產生有用的高度或z坐標，該系統必須校準以轉換深度圖像中的位置為標籤系統可用的真實世界(X、1、z)坐標。首先，被檢測水果在圖像中的位置必須轉換成世界坐標。這涉及像素位置(X、y)和灰度亮度(g)轉換成相對於檢測託盤的位置的世界(X、y>z)毫米。圖4A和4B示出了校準目標60，其由設置成3x3圖案的九個圓柱釘子61-69組成，其中三行逐漸增加高度，釘子61-63具有最小高度，釘子67-69具有最大高度。從釘子67-69反射的相對亮度大於從釘子64-66反射的相對亮度，並且對應於梨子或其它產品項目的表面區域的給定高度，而從釘子64-66反射的相對亮度大於從釘子61-63反射的相對亮度。校準目標60提供已知的基準亮度尺度，並且用於保證從產品表面反射的相對亮度對應於真實世界高度尺度和坐標。突出的校準用於將圖像位置和灰度(x、g)之間的變換校準成世界(x、z)坐標。下傳送帶尺度(down-conveyor scale)是固定因素並且在皮帶上由編碼器保持不變，保證每毫米不變數量的輪廓由傳感器曝光。圖5示出了如何為系統實現透鏡校準。對於系統中採用「C」裝配透鏡來說出現小量的徑向透鏡變形。該作用引入可見曲率(圖5)到成像時的優選直線雷射光片線，其必須在校準期間測量且在校準和使用期間補償。霍夫變換(Hough Transform)(修正)用於檢測圖3的深度地像中的梨子(或其它產品項目)。霍夫變換描述在E.R.Davies』 Machine Vision:Theory, Algorithms, Practice』，Academic Pressl99 7, ISBN:0-12-206092_x中，其內容通過引用結合於此。霍夫變換通過旁通通常的邊緣檢測階段且在圖像上取代結合所有的正梯度信息而修正。當在深度圖像中使用時，這變為從圓形檢測器變為「拱頂」檢測器。該運算法則的應用在圖像中増加了任何正的、接近圓形的拱頂。該技術在所有的水果試驗上工作良好。變換圖像中的峰值通過閾值和斑點分析階段檢測，計算它們的質心，然後採用校準信息轉換到世界(X、1、z)坐標。然後，應用框架將該坐標信息傳送到標籤子系統(或標籤機器)。圖6A和6B示意性地示出了在修正的霍夫變換應用之前(圖6A)和之後(圖6B) —託盤梨子的圖像質量上的差別。如圖6A所示，梨子圖像相對混亂，而且沒有清楚地表示每個梨子的拱頂的所處位置。圖6B示出了總體上由231表示的拱頂。已經增加了加重標記232來表示每個拱頂231在應用修正的霍夫變換之後的加強亮度。圖6B所示的加強拱頂圖像的坐標被傳送到標籤機器。在該系統的優選實施例中，水平或U、y)坐標與任何給定託盤或產品項目陣列中的最大高度或z坐標一起被傳送到標籤機器。較少優選實施例將水平或(x、y)坐標簡單地傳送到標籤機器。進ー步的實施例將所有的高度或z坐標傳送到標籤機器。本發明可與已知的標籤機器一起使用，該標籤機器示出且描述或引自美國專利N0.7，168，472和7，837，823，其通過引用結合於此。本發明也可與其它已知的標籤機器一起使用，該標籤機器來自位於美國加利福尼亞州弗雷斯諾南柳大街3115號郵政編碼93725的辛克萊國際有限責任公司(Sinclair Systems International, LLC located at3115S.Willow Avenue, Fresno, CA93725) 為了示例和說明的目的已經對本發明進行了前面的描述，這不意味著是窮舉的或限制本發明到所公開的精確形式。根據上面的教導修改和變化是可能的。例如，能產生光片的高亮度光源可用於替代雷射器。這樣的光源包括能瞬間且即時產生光片的任何光源，其以類似於雷射輪廓測量產生的光片而產生反射。實施例選擇且描述為最好地說明本發明的原理以及其實際應用，因此能使本領域的技術人員最好地應用本發明在各種實施例中，並且期待適合於特定應用的各種修改。
權利要求
1.一種用於與高速、自動化產品標籤機器一起使用的視覺識別方法，其中傳送帶沿著軸A-A朝著所述標籤機器提供到來的產品項目，其中每個產品項目具有其表面的拱頂部分，其發生在所述傳送帶之上的所述產品項目的表面的最大高度處，所述方法包括下述步驟: 產生來自雷射源或其它高強度光源的光片， 橫向於所述傳送帶的所述軸A-A定向所述光片， 使所述光片周期性地撞擊所述產品項目的表面以產生所述表面的瞬間雷射輪廓， 通過測量所述光片從每個產品項目的表面反射的相對亮度而定位每個產品項目的拱頂， 為所述產品項目的所述拱頂在所述傳動帶上的瞬時位置水平地產生真實世界坐標(X、y)，以及 周期地傳輸所述瞬時真實世界水平(x、y)坐標到所述標籤機器以給所述標籤機器提供關於要貼標籤的每ー個到來產品項目的拱頂的真實世界水平位置U、y坐標)的提前數據。
2.按權利要求1所述的方法包括進ー步的步驟: 通過比較來自所述拱頂的所述光反射的亮度與已知的基準亮度尺度為至少某些所述拱頂產生高度或z坐標，並且 傳輸所述高度或z坐標到標籤機器。
3.按權利要求2所述的方法包括進ー步的步驟: 從所選擇的多個所述高度或z坐標中選擇最大的高度或z坐標，以及 傳輸所述最大的高度或Z坐標到所述標籤機器。
4.按權利要求2所述的方法，其中為所有的所述拱頂產生所述高度或z坐標且傳輸到所述標籤機器。
全文摘要
一種視覺識別系統提供為與高速、自動化產品標籤機器一起使用。該系統採用雷射輪廓測量以橫向地引導光片到產品饋送傳送帶的縱軸。光片周期地撞擊產品項目的表面且產生其雷射輪廓，該產品項目例如為梨子，由傳送帶提供到一個或多個標籤機器。雷射輪廓用於產生進入產品項目的拱頂的真實世界(x、y)坐標，其通過標籤機器或機器。真實世界高度(或z)坐標也可產生且傳到貼標籤機。
文檔編號G01B11/24GK103097856SQ201180043789
公開日2013年5月8日 申請日期2011年9月12日 優先權日2010年9月13日
發明者S.克朗克, J.戴爾, P.霍蘭, R.霍克斯 申請人:辛克萊系統國際公司