专利名称：用于产品贴标签的视觉识别系统的制作方法
技术领域：
本发明属于自动化、高速产品标签机器。特别是，本发明提供増加标签速度的同时保持高效率操作的技术。操作效率包括标签在产品项目上的适当设置以及设置标签在自动标签机器出现的所有产品上。对于高速标签系统具有不断的需求，其中标签施加效率在高速下不减小。作为背景，这样的自动标签机器典型地每个标签头每分钟施加720个标签到产品项目，产品项目以每分钟约75米的速度接近标签机。
背景技术：
先前已经努力尝试扫描进入的产品项目以提供关于传送带上这些项目的位置的〃提前数据〃到自动贴标签机。申请人已经知晓的所有这样的现有系统对诸如产品的种类、产品的顔色、托盘衬垫的颜色和托盘衬垫材料顔色的颜色变化敏感且扫描的结果受其影响。顔色变化严重影响系统的性能，并且限制这些系统的速度和效率。本发明提供一种系统，其中产品项目、载运托盘和诸如偶尔出现在托盘中的稻草的各种项目的顔色变化不影响系统的性能。

发明内容
就申请人所知的第一次，本发明利用激光轮廓测量系统(laser prof i I ingsystem)反复扫描在以高速朝向标签机器运动的传送带上移动的产品项目。激光轮廓测量系统给标签机器提供关于快速运动产品项目的位置以及还优选的是提供关于尺寸(或高度)的"提前数据"。该"提前数据"由标签机器瞬时使用，以预测何时以及在何处在这些产品项目上设置标签。本发明采用激光(或其它高强度光源)轮廓测量识别产品项目接近贴标签机时在托盘中或在传送带上的水平或U、y)位置。在优选实施例中，本发明还采用激光轮廓测量识别广品项目(在z轴上)的尺寸或闻度。广品项目的闻度涉及图像的売度，如下所述。激光轮廓测量以高频率且瞬时地产生被传到贴标签机的〃真实世界〃(x、y、z)坐标。我们已经发现，实际上，对于输送诸如梨子的多个产品项目的给定托盘，仅被传到贴标签机的z或高度坐标是给定托盘的最大高度的坐标。作为选择，所有的z或高度坐标可被传到贴标签机；然后，贴标签机可以被编程从而仅响应于给定托盘中的最大高度或者响应于任何给定托盘中的两个或多个不同的高度。一旦贴标签机知道了接近产品项目的坐标，贴标签速度可増加而不损失贴标签效率。如上所述，本系统与申请人已经知晓的现有技术的区别在于它对任何要扫描的物体中的颜色改变或颜色变化不敏感或受其负面影响，其中任何要扫描的物体即产品项目、运送托盘和这些托盘中的碎片。本发明的ー个目标是提供激光(或其它高强度光源)轮廓测量系统以在产品项目接近自动高速标签机器时提供定位产品项目的拱顶的瞬时位置的真实世界水平U、y)坐标。本发明的另ー个目标是利用激光轮廓測量系统当产品项目接近自动、高速标签机器时提供定位产品项目的拱顶瞬时位置和高度的真实世界(X、1、Z)坐标，其系统不受产品项目、运送托盘和运送托盘中碎片中发生的颜色变化的影响。本发明的进一步目标是提闻自动化广品标签机器的速度而在精确施加标签中保持这些机器的高效率。


图1是示出激光轮廓測量技术如何可用于获得各种物体的高度(或z轴)信息的示意图；图2是示出激光轮廓測量如何用在本发明中获得诸如梨子的一行产品项目的瞬时高度(或深度)信息的示意图；图3是向下看一盘梨子的瞬时图像，其中反射光的亮度对应于高度；图4示出了用于将图像位置转换成真实世界(x、y、z)坐标的校准目标；图5示出了在本发明的校准期间被测量到的径向透镜变形以及在处理期间的补偿；以及图6A和6B是在〃拱顶〃运算法应用之前和之后〃深度地图〃的图像，其中图6B清楚地定位产品项目的〃拱顶〃或最高点。
具体实施例方式如图1所示，激光轮廓测量涉及来自激光器10 (通常为平面)的光图案以已知的角度投射到物体12、13和14上。该技术用在获得尺寸信息和用来成像的机器视觉。光图案通过将光束展开成平面光片(sheet-of-light)ll而产生。当光片11与物体交叉时，可在物体的表面上看见光的亮线。通过用相机20以一定的角度观察光的亮线，可将线中所观察到的变形转换成高度变化19显示在监视器25上。图2是三个梨子31-33的瞬时单ー激光轮廓图像的示例。图2所示的图像包括激光轮廓线15，其表示激光〃光片〃(见图1，项11)与三个梨子31-33表面的交叉，其轮廓在图2中示出为虚影(或点线)。在图2中，激光〃光片〃11瞬时交叉梨子31-33的侧翼或侧部，并且在梨子31-33上分別形成亮线15a、15b和15c。轮廓线15的垂直位置h表示在〃光片"交叉梨子表面的特定点处梨子表面在传动带表面之上的高度。"光片"输出11周期进行，并且以频繁间隔撞击产品项目的表面以产生这些表面的瞬时激光轮廓。每个产品项目的表面其上设置标签的最希望的部分是每个产品项目的最高区域或"拱顶〃。"拱顶"是最平坦的表面，其最容易接受粘合剂标签，并且其反射的光片11大于梨子表面的任何其它部分。〃拱顶〃也是最高的表面，这对于标签机器头施加任何给定的标签来说要求最小的行程(和最少的时间)。如图2所示，传送带90具有平坦的上表面91，在其上产品托盘(图2中没有示出)朝着高速贴标签机运载产品项目的阵列。为了清楚起见图2中没有示出产品托盘。梨子31-33的每ー个分别具有其表面31a_33a的拱顶部分，其发生在所述梨子在传送带90的上表面91之上的最大高度处。图3是ニ维图像，示出了运载在托盘98中的总体上由130示出的21个梨子〃的真实世界〃水平或(x、y)坐标,托盘98具有总体上由97表示的24个托架(receptacles)。梨子130沿着传送带90的纵轴A-A朝着标签机器99运动。传送带90具有平坦表面91。托架97容纳每个梨子130。摇架(cradles)97a、97b和97c是空的并且没有运载梨子。为了清楚起见没有示出激光器和相机。将描述単一梨子131。梨子131的拱顶131a为总体上平坦的和光滑的表面，其由总体上卵形环131b界定。环131b、131c和131d基本上为示出梨子131上半部分形状的轮廓或地形环。应特别注意，环131b和131c之间的区域反射很少的光，并且呈现为比拱顶131a暗。同样，环131c和131d之间的区域反射更少的光，并且呈现为更暗。从每个梨子表面的不同部分反射光的相对亮度被用于定位每个梨子的拱顶并且产生每个拱顶的(x、y)坐标。本发明的重要方面是利用激光轮廓測量技术定位到来的产品项目的"拱顶"的位置并且将这些〃拱顶〃的真实世界坐标的〃提前通知〃给标签机器。图3中示意性地示出了激光器110和相机120。由激光器110产生的光片(为了清楚起见没有不出)优选定向为垂直于轴A-A,但是可利用横向于轴A-A的其它方向。激光器110和相机120可直接安装在传送带90上方，或者偏移到传送带90的侧面，如图3所示。相机的透镜、传感器的分辨度和观看点被优化从而以足够的高度分辨度成像堆叠至三倍高的产品托盘，以恢复坐标至典型地〈3_的精度内。传感器的灵敏度和激光的亮度被优化从而保证对于非常暗的且对红色激光不反射的水果的操作。每个激光轮廓图像(图2)为通过托盘的単一线条提供位置信息。随着托盘沿着传送带前行，以非常高的帧率连续地摄取图像以便建立托盘的完整深度地图。图3是产生的深度地图，并且是2-D图像，其中高度编码成相対的灰度亮度，每个拱顶具有最大亮度，并且每个梨子的表面区域在拱顶下越远就具有越低的相对亮度。水果的位置和空置托盘的位置可从深度图像上測量，因为水果具有特定的〃拱顶〃高度外形，如图3所示。深度图像产生的结果相对不受与传统成像相关的典型问题的影响。本系统中的深度图像相对不受下面因素的影响:-水果和托盘之间缺乏颜色对比度(例如，在緑色托盘上的緑色苹果)-在水果和托盘之间缺乏光亮/亮度对比度(例如，黒色托盘上的黒色李子)-有问题的托盘材料(反射和半透明托盘等)-用诸如稻草或其它碎片的材料包装的托盘。为了产生有用的高度或z坐标，该系统必须校准以转换深度图像中的位置为标签系统可用的真实世界(X、1、z)坐标。首先，被检测水果在图像中的位置必须转换成世界坐标。这涉及像素位置(X、y)和灰度亮度(g)转换成相对于检测托盘的位置的世界(X、y>z)毫米。图4A和4B示出了校准目标60，其由设置成3x3图案的九个圆柱钉子61-69组成，其中三行逐渐增加高度，钉子61-63具有最小高度，钉子67-69具有最大高度。从钉子67-69反射的相对亮度大于从钉子64-66反射的相对亮度，并且对应于梨子或其它产品项目的表面区域的给定高度，而从钉子64-66反射的相对亮度大于从钉子61-63反射的相对亮度。校准目标60提供已知的基准亮度尺度，并且用于保证从产品表面反射的相对亮度对应于真实世界高度尺度和坐标。突出的校准用于将图像位置和灰度(x、g)之间的变换校准成世界(x、z)坐标。下传送带尺度(down-conveyor scale)是固定因素并且在皮带上由编码器保持不变，保证每毫米不变数量的轮廓由传感器曝光。图5示出了如何为系统实现透镜校准。对于系统中采用“C”装配透镜来说出现小量的径向透镜变形。该作用引入可见曲率(图5)到成像时的优选直线激光光片线，其必须在校准期间测量且在校准和使用期间补偿。霍夫变换(Hough Transform)(修正)用于检测图3的深度地像中的梨子(或其它产品项目)。霍夫变换描述在E.R.Davies’ Machine Vision:Theory, Algorithms, Practice’，Academic Pressl99 7, ISBN:0-12-206092_x中，其内容通过引用结合于此。霍夫变换通过旁通通常的边缘检测阶段且在图像上取代结合所有的正梯度信息而修正。当在深度图像中使用时，这变为从圆形检测器变为“拱顶”检测器。该运算法则的应用在图像中増加了任何正的、接近圆形的拱顶。该技术在所有的水果试验上工作良好。变换图像中的峰值通过阈值和斑点分析阶段检測，计算它们的质心，然后采用校准信息转换到世界(X、1、z)坐标。然后，应用框架将该坐标信息传送到标签子系统(或标签机器)。图6A和6B示意性地示出了在修正的霍夫变换应用之前(图6A)和之后(图6B) —托盘梨子的图像质量上的差別。如图6A所示，梨子图像相对混乱，而且没有清楚地表示每个梨子的拱顶的所处位置。图6B示出了总体上由231表示的拱顶。已经增加了加重标记232来表示每个拱顶231在应用修正的霍夫变换之后的加强亮度。图6B所示的加强拱顶图像的坐标被传送到标签机器。在该系统的优选实施例中，水平或U、y)坐标与任何给定托盘或产品项目阵列中的最大高度或z坐标一起被传送到标签机器。较少优选实施例将水平或(x、y)坐标简单地传送到标签机器。进ー步的实施例将所有的高度或z坐标传送到标签机器。本发明可与已知的标签机器一起使用，该标签机器示出且描述或引自美国专利N0.7，168，472和7，837，823，其通过引用结合于此。本发明也可与其它已知的标签机器一起使用，该标签机器来自位于美国加利福尼亚州弗雷斯诺南柳大街3115号邮政编码93725的辛克莱国际有限责任公司(Sinclair Systems International, LLC located at3115S.Willow Avenue, Fresno, CA93725) 为了示例和说明的目的已经对本发明进行了前面的描述，这不意味着是穷举的或限制本发明到所公开的精确形式。根据上面的教导修改和变化是可能的。例如，能产生光片的高亮度光源可用于替代激光器。这样的光源包括能瞬间且即时产生光片的任何光源，其以类似于激光轮廓测量产生的光片而产生反射。实施例选择且描述为最好地说明本发明的原理以及其实际应用，因此能使本领域的技术人员最好地应用本发明在各种实施例中，并且期待适合于特定应用的各种修改。
权利要求
1.一种用于与高速、自动化产品标签机器一起使用的视觉识别方法，其中传送带沿着轴A-A朝着所述标签机器提供到来的产品项目，其中每个产品项目具有其表面的拱顶部分，其发生在所述传送带之上的所述产品项目的表面的最大高度处，所述方法包括下述步骤: 产生来自激光源或其它高强度光源的光片， 横向于所述传送带的所述轴A-A定向所述光片， 使所述光片周期性地撞击所述产品项目的表面以产生所述表面的瞬间激光轮廓， 通过测量所述光片从每个产品项目的表面反射的相对亮度而定位每个产品项目的拱顶， 为所述产品项目的所述拱顶在所述传动带上的瞬时位置水平地产生真实世界坐标(X、y)，以及 周期地传输所述瞬时真实世界水平(x、y)坐标到所述标签机器以给所述标签机器提供关于要贴标签的每ー个到来产品项目的拱顶的真实世界水平位置U、y坐标)的提前数据。
2.按权利要求1所述的方法包括进ー步的步骤: 通过比较来自所述拱顶的所述光反射的亮度与已知的基准亮度尺度为至少某些所述拱顶产生高度或z坐标，并且 传输所述高度或z坐标到标签机器。
3.按权利要求2所述的方法包括进ー步的步骤: 从所选择的多个所述高度或z坐标中选择最大的高度或z坐标，以及 传输所述最大的高度或Z坐标到所述标签机器。
4.按权利要求2所述的方法，其中为所有的所述拱顶产生所述高度或z坐标且传输到所述标签机器。
全文摘要
一种视觉识别系统提供为与高速、自动化产品标签机器一起使用。该系统采用激光轮廓测量以横向地引导光片到产品馈送传送带的纵轴。光片周期地撞击产品项目的表面且产生其激光轮廓，该产品项目例如为梨子，由传送带提供到一个或多个标签机器。激光轮廓用于产生进入产品项目的拱顶的真实世界(x、y)坐标，其通过标签机器或机器。真实世界高度(或z)坐标也可产生且传到贴标签机。
文档编号G01B11/24GK103097856SQ201180043789
公开日2013年5月8日 申请日期2011年9月12日 优先权日2010年9月13日
发明者S.克朗克, J.戴尔, P.霍兰, R.霍克斯 申请人:辛克莱系统国际公司