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Inspektions- und Lesesystem Blindenschrift-Inspektion auf bedruckten Faltschachteln

| Autor / Redakteur: Sandra Söll, Dr. Helge Moritz, Prof. Hartmut Ernst / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Packungen von Medikamenten sind heute bereits häufig mit Blindenschrift-Punkten (Braille-Code) versehen. Fehlt ein solcher Punkt, so kann dies den Text gefährlich verfälschen. Daher hat der Gesetzgeber entschieden, dass die Prägungen geprüft werden müssen – und zwar so, wie sich die Faltschachtel einem Blinden oder Sehbehinderten präsentiert: von oben, trotz farbiger Aufdrucke. in-situ hat dazu mittels des optischen Messverfahrens „Shape from Shading“ ein industrietaugliches Inspektions- und Lesesystem entwickelt – das robust, schnell, bedienerfreundlich aber auch preiswert ist.

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Blick in die Messkammer von DotScan: vier telezentrische Beleuchtungen sorgen für ein gleichmäßig ausgeleuchtetes Messfeld.
Blick in die Messkammer von DotScan: vier telezentrische Beleuchtungen sorgen für ein gleichmäßig ausgeleuchtetes Messfeld.
( Archiv: Vogel Business Media )

Künstler wie Leonardo da Vinci und Rembrandt haben mit der Hell-Dunkel-Malerei die Illusion von Tiefe in zweidimensionalen Bildern zu hoher Perfektion entwickelt. Das optische Messverfahren „Shape from Shading“ (SfS) kehrt dieses Prinzip um: Wird beispielsweise eine weiße Marmorstatue von einer Seite beleuchtet, so erhalten wir durch die Schattierung, also die formabhängige Helligkeitsverteilung, einen dreidimensionalen Eindruck. Nimmt eine Kamera dieses Shading auf, so lässt sich daraus mit den entsprechenden Algorithmen die 3D-Form (Shape) des Objekts berechnen. So liegt es nahe, solche charakteristischen Helligkeitsverteilungen zur Formbestimmung zu nutzen - zumal mittlerweile schnelle Rechner zur Verfügung stehen, mit denen sich die zwar schon länger bekannten, aber rechenintensiven Algorithmen in annehmbarer Zeit ausführen lassen.

Günstiges Verfahren ohne Mechanik

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Den Anstoß zur Entwicklung von DotScan gab Kroha, ein Hersteller von Faltschachteln für Medizinprodukte. In Zusammenarbeit mit Wenzel Präzision, in-situ, der FH Rosenheim und 3D-Shape wurde dann eine optische Lösung für die Blindenschrift-Inspektion entwickelt – und zwar nach den Kriterien Messgeschwindigkeit, Messunsicherheiten in x-, y- und z-Richtung, einfacher Aufbau, robustes Verfahren und ein konkurrenzfähiger Preis. Nach Prüfung verschiedener 3D-Messverfahren hob sich SfS besonders hevor, weil es ohne scannende Mechanik sowie aufwändige und teure Linienprojektoren auskommt. Auch die Messgeschwindigkeit und die zu erwartende Messungenauigkeit sprachen für SfS.

Das Verfahren zur Formbestimmung arbeitet in zwei Stufen: Zunächst werden aus den detektierten Grauwerten eines Objektes die Gradienten aus der von einer Kamera aufgenommenen Intensität der Oberfläche in x- und y-Richtung ermittelt (vgl. Bild 3). Zur Erhöhung der Messgenauigkeit wird bei DotScan mit vier Aufnahmen gearbeitet. Im zweiten, rechnerisch aufwändigeren Schritt, wird dann durch Integration über die Gradienten eine Höhenkarte erstellt.

Hohe Mess-Sicherheit

Um schließlich daraus ein industrietaugliches Gerät herzustellen, musste der SfS-Algorithmus weiter optimiert und aufwändige Bildvorverarbeitungs-Filter entwickelt werden. Denn bunte Bedruckungen auf den Schachteln ließ optische Verfahren bisher scheitern (vgl. Bild 2). Die vorverarbeiteten Bilder wurden nun dem SfS-Algorithmus zugeführt, der einen 3D-Datensatz errechnet (vgl. Bild 4). Mittels Analyse dieser Punktewolken lässt sich nun 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 Kalibrierung sind die Punkthöhen mit einer Mess-Sicherheit von einigen hundertstel Millimetern bestimmbar.

Im letzten Schritt müssen die Punkte den Braille-Zeichen zugeordnet werden. Hier hat sich der Zeichensatz „Marburg-Medium“ durchgesetzt, der Punkt-, Zeichen- und Zeilenabstand definiert. Jedoch gibt es nicht nur Abweichungen davon, sondern auch in der Punkteform, die sich aber alle erkennen lassen.

Gleichzeitige Aufdruckkontrolle

DotScan ist zwar zur 3D-Erfassung von Braille-Punkten entwickelt worden, aber eine gleichzeitige Aufdruckkontrolle als Software-Erweiterung, ohne die Hardware zu ändern, ist ebenfalls möglich. Zusätzlich können weitere kundenspezifische Anpassungen an dem Basissystem vorgenommen werden, wie Bildfeldgrößen-Anpassungen, höher auflösende oder mehrere Kameras und automatische Prüflingszuführungen. Gut geeignet für dieses Verfahren sind auch andere Prägeschriften oder Schlagzahlen. Einschränkungen gibt es bei steilen Kanten und Hinterschneidungen, die Schatten werfen. Ungünstig sind auch halb- oder transparente Medien und stark spiegelnde Oberflächen. Es zeigte sich jedoch, dass die Blindenschrift auch auf metallischen Patrizen und spiegelnden Faltschachteln gut gelesen wird.

Kurze Aufnahmezeit

DotScan besteht hauptsächlich aus Standard-Komponenten, die in ein kompaktes 19“-Rack integriert sind. Oben ist ein Industrie-PC montiert, unten eine Schublade für die Prüflinge. Diese Schublade könnte auch durch eine Zuführeinheit ersetzt werden, so dass eine automatische Prüfung möglich ist. Dazwischen befindet sich der Messraum mit einer hochauflösenden digitalen Kamera und vier symmetrisch angeordneten, telezentrischen LED-Leuchten. Nacheinander werden vier Bilder aufgenommen und im IPC gespeichert. Bei jeder Aufnahme ist eine LED eingeschaltet. Die Aufnahmezeit ist daher, verglichen mit scannenden Systemen, sehr kurz.

Um spiegelnde Reflexe zu reduzieren, wird blaues Licht verwendet. Die vier Bilder lassen sich nun auswerten. Eine Messung kann einen Bildbereich mit einer Breite bis 150 mm, in einer Auswertezeit von etwa 300 ms erfassen. Die Ergebnisse können in einem Prüfbericht dokumentiert und ausgedruckt oder als pdf-Datei abgespeichert werden. Neben dem deutschen Braille-Schriftsatz lassen sich auch weitere internationale Schriftsätze auswählen.

Außerdem ist diese 3D-Formerfassung auch für andere Aufgaben anwendbar, und zwar immer dann, wenn es um stetige, erhabene Strukturen geht. Möglich sind die Vermessung oder Lesung von Prägeschriften (z.B. Symbole und Schriften auf Reifenwänden) und Schlagzahlen, aber auch exotischere Anwendungen wie die Analyse der Knittermuster von Textilien oder Oberflächentexturen sowie die Beurteilung von Oberflächenfehlern, wie Riefen, Kratzer und Formmerkmale auch auf glänzenden Materialien.

in-situ, Tel. +49(0)8104 648230

DotScan: Die Vorteile auf einen Blick

•Lesen von Blindenschrift;

•Inspektion gegen pdf-Datei oder Klartext;

•Kein Triangulationsverfahren, daher keine Mechanik;

•keine teuren Beleuchtungsprojektoren;

•nur eine Kamera;

•telezentrische LED-Beleuchtung;

•Oberflächenwölbungen sind unkritisch;

•einfache Bedienung;

•robuste Ausführung;

•auf Inline-System erweiterbar;

•erweiterbar auf Aufdruckkontrolle;

•Turn-Key System;

•dokumentierte Produktion.

DotScan: Die Technik

•3D-Algorithmus „Shape from Shading”;

•Unterdrückung der Aufdrucke;

•aufwändige Bildfilter;

•Ermittlung von Position und Höhe von Prägepunkten;

•Lesen der Braille-Schrift;

•beliebige Braille-Schrift-Fonts auswählbar;

•kostengünstiger Einsatz von Standard-Komponenten;

•optimierte LED-Beleuchtung zur Erhöhung der diffusen Reflexion;

•Offline-Messung;

•rotokollierung aller relevanten Daten.

Sandra Söll, Software-Entwicklerin und Helge Moritz, Geschäftsführer und Gesellschafter, in-situ, Hartmut Ernst, Vizepräsident FH Rosenheim, Fachgebiete digitale Bildverarbeitung, Numerik und Informatik.

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