用于评价轮胎表面的设备
技术领域
本发明涉及物体的外观检验的领域，其中寻求取得给定物体的图像(通常为数字图像)，从而在分析和处理之后达到将该图像用于检验和控制的目的。这些图像旨在给出以相对于参考表面的起伏(relief)、颜色或灰度、纹理或亮度为例的信息。
更加特别地，本发明涉及获取用于安装至滚动车辆的轮胎的外观图像的领域。这些轮胎通常为黑色，因为使用了碳来增强弹性体混合物，而所述轮胎的生产就是基于所述弹性体混合物。
背景技术
此外，在对于轮胎表面上的光的反射非常敏感的传感器的帮助下获取的图像特别难于进行解译。当对由照相机供给的原始图像进行无辨别的分析的时候，轮胎的起伏、油脂标记、各种标记、黑色阴影的差异或者局部变色所产生的光效应能够轻易地产生混乱。
因此，已经披露了各种图像获取方法，以将尽可能相关的数据供给至数字处理装置，该数字处理装置能够将该图像与参考图像进行比较，以确定待分析的轮胎的一致性或者在该图像中找到在轮胎表面上出现的异常。
公开文献EP 1 120 640提出使用两台分离的照相机，所述照相机分别用于获取关于起伏的数据以及用于获取关于外观的数据，也就是说诸如颜色、灰度或亮度的数据。轮胎的表面被两个光源照亮，每个光源都被分配给一个照相机。为了防止光源之间的干涉，还提出以不同光波长工作，或者使照相机及其光源在圆周方向上产生偏移。
这种方案需要相对较大的装置，也具有如下缺点：需要将相当多的计算装置接合起来以将源自两个获取装置的图像进行叠加。
公开文献EP 1 477 765通过提出一种检验装置而试图克服这个困难，该检验装置包括与狭槽照明相关的矩阵(matrix)类型的单一照相机，以进行单次获取并同时确定待检验的表面的起伏和亮度。亮度的确定基于对以下事实的观察：轮胎表面上显色的差异(例如油脂标记)具有增加或减少反射图像的波长的色散(dispersion)的效果。
然而，这种获取方法具有如下缺点，其仅限于亮度分析，并且其提出使用矩阵照相机，该矩阵照相机的景深难于调节至轮胎的曲率，并且该矩阵照相机的分辨率比线性照相机差。此外，由于被限制为单一光源，诸如雕纹的大型起伏区域的分析留下了产生不准确结果的阴影区域，并且减少了观察角度的选择。
为了解决这个问题，公开文献WO/2005/050131描述了两个选择性的方案。根据第一选择性方案，提出了在狭槽光的帮助下照亮待分析的表面，并且使得两个照相机在相对于入射光的方向形成相反角度的两个方向上定向，其中所述狭槽光基本上垂直于该表面而定向。根据第二选择性方案，提出在放置于两个相对的方向上的两个镜子的帮助下取得反射光。然后，源自这两个镜子的光在单一照相机方向上的一组棱镜的帮助下重新组合。
然而，这些方案并不能消除所有的阴影区域，并且还需要两个图像的重新组合，该重新组合或者在图像源自两个照相机时以数字方式进行，或者通过镜子组的细微调节。此外，如上文所述，矩阵照相机的分辨率仍然较差，并且还结合有与光学链的复杂性相关的动态性能的损失。
发明内容
本发明的目的在于提出一种方案，其能够获取轮胎表面的图像，同时在该表面的起伏非常不规则时避免与阴影区域相关的效果，本发明的目的还在于提供充分的信息，使得图像处理装置能够区分与标记相关、与颜色变化相关以及与待检查的表面上的起伏的效果相关的亮度效果。
为了实现这一点，本发明使用了彩色数字照相机的操作原理。这种类型的照相机包含能够将源自寻求获取其图像的物体的反射光分为一定数量的基色的装置。作为一般的规则，通过自然光或者白光来照亮物体。
这些滤镜可以通过棱镜组来形成，或者通过由具有原色的元件组成的滤镜(更好地称为拜尔(Bayer)滤镜)来形成。它们的功能在于将光分为一定数量的颜色，称为基色或原色。作为一般的规则，这些滤镜将光分为三基色或三原色，即红、绿和蓝。然而，作为一个例子也可能产生包括超过三原色的滤镜，例如能够将光分为包括红、绿、蓝和青的四基色的滤镜。
因此，源自待检查的物体的反射图像被分解为与基色或原色一样多的单色图像。然后这些图像中的每一个都被引向由光敏像点(photosite)的组件形成的特定传感器，例如能够将其接收到的光量转化为电流的CCD或CMOS传感器。然后给出与基色一样多的灰度图像。传感器的最大分辨率是像点的数量的函数，形成最终图像的像素的数量与所述像点的数量相对应。
恢复最终的彩色图像是根据加色合成的已知原理通过每一种基色或原色的单色图像的同时组合而实现的，这些图像中的每一个都能够例如凭借通过相应基色的滤镜的灰度图像的投影而形成。
本发明的目的包括利用这种操作模式的优点，从而获得与待评价的物体相关的特别信息。
根据本发明的用于评价轮胎表面的外观的设备包括：
-彩色线性照相机，所述彩色线性照相机包括用于将光束分为给定波长的至少两种基色的装置，从而将所述光束引至相同数量的传感器，所述传感器能够获得每一基色的灰度基本图像，
-与基色数量相同的照明装置，所述照明装置被定向为以给定角度照亮待评价的表面。
该设备的特征在于，每一照明装置发出与其它照明装置不同的有色光，其波长基本上对应于设计为接收所述颜色的光束的照相机的传感器的最大灵敏度。
虽然在理论上可以使用矩阵照相机，但在使用根据本发明的设备的情况下，为了评价通常为凸面形状的轮胎的表面，线性照相机的选择是优选的。特别地，线性照相机能够以恒定视角并且以恒定的光照入射进行图像的获取。这种类型的照相机也能够实现景深的更加准确的调节并且实现更好的分辨率。
通过这种方式，对于待评价的物体所反射的光的每一灰度图像来说，能够确定光源的来源。在最优调节的情况下，源自由待评价的表面所反射的给定基色的光通过一组棱镜进行过滤，所述一组棱镜放置于照相机的输入口并且朝向与该光的波长相对应的唯一传感器。源自其它光源的光通过所述一组棱镜进行过滤，并且不会到达提到的传感器。
每一照明装置被放置为以给定入射角照亮待评价的物体，这相当于同时获得至少两个不同的图像，对于所述图像的分析能够确定轮胎表面的起伏和亮度。这种方式无需对图像进行叠加，因为图像源自相同光线的同一照相机的获取。并且也不再需要使用一组若干照相机以获得相同的结果。
此外还将会看到，轮胎的图像能够在一次运行中产生，这对于轮胎检验所需要的处理时间来说是一种额外的优点。
与该评价设备相关的一种计算方法使得能够以一种已知方式来计算所获得的图像的每一像素的坐标，并且能够使得这些像素值与待分析的表面的起伏和亮度水平联系起来。
本发明的第一应用在于使用一种设备，其中光束被分为两种颜色。从不同角度取得的两个图像展现出阴影区域和不同的照亮区域，从而能够推断出表面的起伏的本质及其相对于平均表面水平面的定向。
例如，可以通过取得在两个图像上测量的亮度的平均值来获得亮度信息。
然而，本发明的最有价值的应用在于使用能够根据三基色(通常对应于三原色：红、绿和蓝)分离反射光的照相机，并且包括分配给这些原色的每一种颜色的三组传感器。
因此，使用者将会具有三个彩色照明装置，分别为红、绿和蓝，以照亮待评价的轮胎的表面。
根据本发明的这种特别用途，然后将照明装置其中之一布置为以基本上垂直于待评价的表面的方向照亮该表面，从而使得在颜色对应于这种照明的传感器上获得的图像展现了所述表面的起伏的背景。
放置其它两个照明装置以展现起伏，并且与垂直于待检查的表面的方向形成非零角度。
然后，通过在油脂标记和与标识或污损有关的标记之间进行区分，图像的比较分析使得能够准确确定在表面上观察到的标记的本质，这一点将会在下文中进行具体解释。
附图说明
下面的描述基于本发明的优选实施方案，其中，
-图1表示根据本发明的设备的一般示意图，
-图2表示RGB照相机的传感器的灵敏度曲线，
-图3、图4和图5表示对起伏和标记进行分析的模式，
-图6、图7和图8表示在不同照明角度的轮胎的胎面的摄影图。
具体实施方式
图1所示的设备表示装有输入镜头10的照相机1，源自待检查的物体(在这种情况下是轮胎P的胎面)的表面的反射光F穿过该输入镜头10。轮胎P通过机动化的支承轮毂32安装在围绕轴线D旋转的车轮31的轮缘30上。
轮胎的表面被三个光源21、22和23照亮。第一照明装置21发出的光被发送至半反射带20，该半反射带20的放置导致光以基本上垂直于待评价的表面的方向到达所述表面。
第二和第三照明装置放置为相对于垂直于轮胎表面的方向以非零入射角α、β照亮表面。实际上，获得能够展现表面的起伏的掠入射光是有价值的，因此，这些角度α、β有利地大于30°。
照相机1放置为接收在基本上垂直于接收表面的方向上的反射光线F。光线F穿过照相机并且照亮反射棱镜(分别为14、15和16)，所述棱镜将会对光进行分离和反射，从而使得该光朝向放置在照相机中的光度传感器(分别为11、12和13)而定向，所述传感器能够根据精确波长而对光进行过滤。
反射棱镜14将会使得绿色光G通过，从而传感器11形成仅仅对应于反射的绿色光的表面的灰度图像。如图2中所示，布置为使得第一照明装置21发出的光的颜色对应于该传感器11的最大灵敏度，其中照相机对于绿色G的最大灵敏度A例如位于550nm波长附近，对于该波长，该照相机的对于其它两种颜色红和蓝的反应也是最小的。
因此，光传感器11形成的图像基本上对应于与表面形成直角的光所照亮的表面的图像。例如如图6中所示的这种图像41使得能够准确地看见雕纹的底部。
反射棱镜15将会使得红色光R能够通过，从而使得传感器12形成仅仅对应于反射的红色光R的表面的灰度图像。第二照明装置22所发出的光的颜色对应于照相机对于红色的最大灵敏度，大约为690nm，其例如对应于照相机对于绿色和蓝色的最小灵敏度。
因此，传感器12所形成的灰度图像对应于与垂直于表面的方向形成角度α的光所照亮的所述表面的图像。例如如图7中所示，在第二照明装置22照亮表面时，该图像42通过凸显照亮区域和阴影区域而突出显示了轮胎的雕纹的起伏。
最后，反射棱镜16将会使得蓝色光B能够通过，从而使得传感器13形成仅仅对应于反射的蓝色光B的灰度图像。第三照明装置23所发出的光的颜色对应于照相机对于蓝色的最大灵敏度，即450nm，其例如对应于照相机对于绿色和红色的最小灵敏度。
例如在图8中所示，后面的图像43突出显示了阴影区域和第三照明装置23所照亮的区域。
为了限制与对应于近红外线的波长有关的杂散效应(spuriouseffects)，有利地在照相机的镜头上放置一个滤镜，其能够限制波长超过750nm的光线进入。也可以添加其它带通滤镜，从而防止杂散波长的光进入。同样，更加一般地，应该寻求对于波长与所选照明装置所使用的波长不同的光线的通过进行过滤。
然后，这就给出了三个灰度图像，对其进行分析能够确定待评价的表面的起伏和亮度的特征。将会观察到，在用于显示传统彩色图像的屏幕上对这三个图像进行重新组合并不会给出轮胎的表面的彩色图像。特别地，光源不是白光，该光的每一成分都源自具有其自身定向的源。
根据本发明的评价设备还包括分析装置，该分析装置能够计算形成图像的每一像素的坐标。再一次将会观察到，无需将之前获得的三个图像调整为一致，因为它们源自待检查的表面所反射的相同的光线，并且它们是通过相同的照相机获取的。
第一分析在于将各种灰度图像合并，例如通过取得在给定点获得的三个亮度值的平均值。由此获得的灰度图像的优点在于，减小了与表面曲率有关的杂散亮度值。这种简单的操作能够获得具有较低噪声水平的黑白图像。
通过使用简单统计功能而进行的这些图像的合并同样也能够消除与轮胎的曲率有关的影响，并且能够获得更加均匀的获取结果。
第二分析能够通过在具有给定坐标的点处对阴影区域和照亮区域进行解译而对起伏的元素进行区分。“阴影雕刻”类型的算法的使用可以获得对起伏的元素相对于平均表面的定向和尺寸的估计，所述算法的原理本身是已知的，包括将投影阴影的长度和入射光的角度建立联系。
图3能够描述该第二类型的分析。照明装置21所反射的光是微弱的。源自传感器11的起伏元素ρ的图像21ρ是暗图像。源自传感器12的相同起伏ρ的图像22ρ在起伏的被照明装置22所照亮的侧面上将会是亮的，在另一侧面上是暗的。最后，源自传感器13的图像23ρ在起伏的被照明装置23所照亮的侧面上将会是亮的，在另一侧面上是暗的。由此容易通过三角计算推断出起伏的高度和形状。
由设备获得的图像的第三比较分析也能够区分出现在待评价的轮胎的表面上的标记的本质。
特别地，已知的是，通过油脂本质的标记而反射的光根据光的入射角而明显不同，并且能够比作镜子的反射效果。当入射角基本上相当于视角的时候这个值通常是最大的，并且随着这些角度之间的差异的增大而逐渐减小。然后，光几乎完全反射，漫射非常有限。同样，通过将照相机的视轴设置在垂直于表面的方向，通过油脂标记反射的光强度在相同的垂直方向上将会是最大的。
图4描述了这种现象。因此，源自传感器11的标记γ的图像21γ将会是亮的，该标记γ是油脂本质的，在垂直于该标记的表面的方向上被照亮。另一方面，源自传感器12和13的相同标记γ的图像22γ和23γ将会是暗的。
这个现象能够将油脂标记γ和诸如源自粉笔或源自设计为识别轮胎的彩色标识装置的标记的标记μ区分开来。特别地，该标记μ的图像对于照明装置的入射角的变化并不是非常敏感。因此将会看出，该标记μ通过三个传感器11、12和13具有相同的亮度水平21μ、22μ和23μ，如图5所示。与油脂标记不同，光的漫射比反射要大得多。
根据上面描述的本发明的例示性实施例对应于标准照相机的使用，该标准照相机包括用于将光分为三原色红、绿和蓝的装置。
然而，使用具有更多数量的基色的照相机也可以是有价值的，从而增加了源自更多照明装置的图像的数量。通过使用RGBE类型的照相机，能够使得在多个方向上的三个掠入射光源在它们之间形成120°的角度，从而能够更加清楚地在圆周方向上看见起伏元素。
因此，已经被用于支持本说明书的例子并不限制本发明的申请，本发明的原理可以概括为更大数量的照明装置以及试图评价其几何尺寸和外观的各种物体，所述物体具有粗糙表面起伏和接近黑色的均匀颜色，其并不非常适合于展现与起伏有关的阴影区域。