Die Schattierung erschließen #####

Medikamenten-Packungen sind häufig mit Blindenschriftpunkten versehen. Fehlt nur einer davon, kann dies den Text gefährlich verfälschen. Daher müssen Blindenschriftprägungen von Gesetzes wegen geprüft werden. Eine „Fleißaufgabe“ für optische Messverfahren.

Medikamenten-Packungen sind häufig mit Blindenschriftpunkten versehen. Fehlt nur einer davon, kann dies den Text gefährlich verfälschen. Daher müssen Blindenschriftprägungen von Gesetzes wegen geprüft werden. Eine „Fleißaufgabe“ für optische Messverfahren.

Die Prüfung von Blindenschriftpunkten muss so erfolgen, wie sich die Faltschachtel einem Blinden oder Sehbehinderten präsentiert: von oben. Da berührende Messungen das Messobjekt – den Braille-Punkt – verändern können und zudem viel zu langsam sind, kommen für die Prüfung nur nicht-invasive Verfahren wie etwa das Prinzip „Shape from Shading“ (SfS) in Frage. Dieses Messverfahren kehrt das aus der Kunst bekannte Prinzip der Hell-Dunkel-Malerei und der damit einhergehenden Illusion von Tiefe in zweidimensionalen Bildern um. Ein einfaches Beispiel: Wird eine weiße Marmorstatue von einer Seite beleuchtet, erhält der Betrachter durch die Schattierung – die formabhängige Helligkeitsverteilung (Shading) – einen dreidimensionalen Eindruck. Nimmt man diese Helligkeitsverteilung eines Objektes mit einer Kamera auf, lässt sich daraus mit entsprechenden Algorithmen die 3D-Form (Shape) des Objektes berechnen.

Der SfS-Algorithmus

Das beim Blindenschrift-Inspektionssystem DotScan genutzte Verfahren zur Formbestimmung arbeitet in zwei Stufen: Zunächst werden aus den detektierten Grauwerten eines Objektes die Gradienten der Oberfläche in X- und Y-Richtung ermittelt. Die von einer Kamera aufgenommene Intensität hängt von verschiedenen Parametern ab:

  • der Position der Kamera und deren Lichtempfindlichkeit,
  • der Richtung und der Intensität des eingestrahlten Lichtes,
  • den material- und ortsabhängigen Reflexionskoeffizienten (also dem gegebenenfalls bunten Aufdruck)
  • sowie dem Winkel zwischen dem bekannten Richtungsvektor des einfallenden Lichts und der unbekannten Normalen des betrachteten Oberflächen-Elementes, aus der die gesuchten Gradienten folgen.

Die Flächennormalen sind durch die X- und Y-Gradienten der zugehörigen Objektoberflächen- Elemente definiert, das heißt, die partiellen Ableitungen der Oberfläche z(x,y) nach x und y. Daher lassen sich diese Gradienten aus der aufgenommenen Intensität ermitteln. Zur Berechnung der beiden Gradienten und zur Eliminierung der als Albedo bezeichneten dritten Unbekannten – dem Produkt aus Kamera-Empfindlichkeit, Lichtintensität und Reflexionskoeffizienten für diffuse Reflektion – sind jedoch mindestens drei Aufnahmen mit unterschiedlichen, bekannten Positionen der Lichtquelle erforderlich. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit arbeitet DotScan mit vier Aufnahmen. Im zweiten, rechnerisch aufwendigeren Schritt entsteht durch Integration über die Gradienten eine Höhenkarte.

Der SfS-Algorithmus wurde nicht neu entwickelt, sondern von in-situ in Zusammenarbeit mit der Firma 3D-Shape, einem Spin-off der Uni Erlangen, an die Gegebenheiten angepasst und optimiert. Da die Faltschachteln bedruckt sind – was jedem optischen Verfahren schnell die Grenzen des Möglichen aufzeigt –, war es zudem nötig, spezielle Bildvorverarbeitungs-Filter zu entwickeln. Die vorverarbeiteten Bilder werden dem SfS-Algorithmus zugeführt, der einen 3D-Datensatz errechnet. Durch Analyse der entstehenden Punktewolken lässt sich die Position und Höhe der Braille-Punkte ermitteln. Unter anderem ist dabei eine mögliche Wölbung der Faltschachtel zu erkennen und aus der Analyse zu eliminieren. Über ein Kalibrationsverfahren lassen sich die Punkthöhen mit einer Messgenauigkeit von einigen Hundertstel Millimetern bestimmen.

Im letzten Schritt erfolgt die Zuordnung der Punkte zu den Braille-Zeichen. Hier hat sich der Zeichensatz „Marburg-Medium“ durchgesetzt, der Punkt-, Zeichen- und Zeilen-Abstand definiert. Allerdings kommen in der Praxis nicht nur Abweichungen von diesem Standard, sondern auch hinsichtlich der Punkteform vor: Die Punkte können pyramidenförmig, plateaumäßig abgeflacht oder rund sowie mit verschiedenen Durchmessern ausgeformt sein. Mit Hilfe des SfS-Algorithmus werden alle Punktformen erkannt. Der Braille-Definition gemäß werden die Punkte in einem Raster gesucht, das über die Blindenschrift gelegt wird; dabei kann diese auch leicht schräg präsentiert werden.

Zwar wurde DotScan zur 3D-Erfassung von Braille-Punkten entwickelt, eine gleichzeitige Aufdruckkontrolle ist aber als Software-Erweiterung ohne Änderung der Hardware ebenfalls möglich. Zusätzlich lassen sich weitere kundenspezifische Anpassungen am Basissystem vornehmen – wie zum Beispiel Bildfeld-Größenanpassungen, höher auflösende Kamera, mehrere Kameras oder auch automatische Prüflingszuführungen (Feeder).

DotScan besteht aus einem 19-Zoll-Rack, in das weitgehend Standard-Komponenten integriert sind: Im oberen Bereich des Racks ist ein Industrie-PC montiert, im unteren befindet sich eine Schublade zur Aufnahme der Prüflinge. Dazwischen liegt der Messraum mit einer mittig positionierten hochauflösenden digitalen Kamera und vier symmetrisch angeordneten, telezentrischen LED-Leuchten. Nacheinander werden vier Bilder aufgenommen und im IPC gespeichert. Bei jeder Aufnahme ist eine der Leuchten eingeschaltet. Verglichen mit scannenden Systemen ist die Aufnahmezeit folglich sehr kurz. Zur Reduktion störender spiegelnder Reflexe dient blaues Licht. In einer Messung kann ein Bildbereich mit einer Breite von bis zu 150 mm erfasst werden. Die Auswertezeit variiert mit der Breite des Bildbereichs, typische Werte liegen bei etwa 300 msec.

Die Bedienung der grafischen Oberfläche (GUI) wurde in enger Kooperation mit Vertretern der Faltschachtelindustrie, den Firmen Kroha, Faller und Theis, entwickelt. Im Vordergrund stehen eine möglichst einfache Bedienung sowie die 100-prozentige Detektion fehlerhaft geprägter Blindenschrift-Punkte. Zur Inspektion wird ein Prüfling in das Prüffeld der Schublade eingelegt. Die Prüfung erfolgt im Vergleich mit einer das Sollmuster enthaltenden pdf-Datei oder einem Referenztext. Die Ergebnisse können in einem Prüfbericht dokumentiert und ausgedruckt oder als pdf-Datei abgespeichert werden. Nur den Inhalt des Blindenschrifttextes anzuzeigen ist ebenfalls möglich, auch bei den zur Prägung verwendeten Patrizen. Neben dem deutschen Braille-Schriftsatz sind über einen Menüpunkt weitere internationale Schriftsätze wählbar.

SfS liefert die 3D-Form des betrachteten Objekts, jedoch keine direkten absoluten Abstands- oder Höhenmaße, wie es zum Beispiel Triangulationsverfahren tun. Informationen über die 3D-Form werden aus der Schattierung stetiger Oberflächen, das heißt weicher Konturen, gewonnen. Auf steile Kanten und Hinterschneidungen, die Schatten werfen, ist der SfS-Algorithmus nicht ausgelegt. Braille-Punkte sowie andere Prägeschriften oder Schlagzahlen sind für dieses Verfahren hingegen optimal geeignet.

SfS benötigt wie andere optische Verfahren auch optisch „gutmütige“ Oberflächen. Daher sind transparente oder halbtransparente Medien wie Milchglas sowie stark spiegelnde Oberflächen ungünstig, da SfS nur diffuse Reflektion berücksichtigt. Auf matten metallischen Patrizen und leicht spiegelnden Faltschachteln wird die Blindenschrift jedoch gut gelesen.

Abgesehen von der Blindenschriftprüfung ist die 3D-Form-Erfassung auch für andere Aufgabenstellungen anwendbar – immer dann, wenn es um stetige, erhabene Strukturen geht. Mögliche Einsatzbereiche sind daher die Vermessung oder Lesung von Prägeschriften wie zum Beispiel Symbolen und Schriften auf Reifenwänden sowie Schlagzahlen. Ebenso möglich sind „exotischere“ Anwendungen wie die Analyse der Knittermuster von Textilien oder Oberflächentexturen sowie die Beurteilung von Oberflächenfehlern wie beispielsweise Riefen, Kratzer und Form-Merkmalen.

Nähere Informationen:
www.in-situ.de 

Autoren

Prof. Dr. Hartmut Ernst lehrt an der FH Rosenheim, seine Fachgebiete sind technische Informatik, digitale Bildverarbeitung und Numerik. Er ist zudem Gesellschafter von in-situ.

Dr. Helge Moritz ist Geschäftsführer und Gesellschafter von in-situ.

Sandra Söll ist Software-Entwicklerin bei in-situ, Sauerlach/München.

Inka Meyerholz, Computer&AUTOMATION