采用现场可编程门阵列逻辑的容器检查系统

摘要

在一个检查容器的系统中，容器被保持在静止位置上并绕自身轴线旋转。使光线射到旋转容器上，用摄像镜头获得该容器的图象。该容器图象由多个象素数据字节组成，每个字节形成图象的一部分，将该图象连续和顺序地输入可编程逻辑器件；该器件中有一组合构成的硬件逻辑元件阵列，以使阵列中的元件同时和实时地对多个顺序的象素数据字节进行操作。对象素数据分析获得作为容器一个光学特征函数的检查信息。

说明书

本发明涉及采用现场可编程门阵列逻辑的机器观测系统及其方法，更具体地说，涉及一种用于检查容器的商品生产中的变形和几何特征的系统和方法。

大批量生产玻璃或塑料容器的常规技术都包含在多种多样的吹模中形成容器的步骤。在此步骤中，可能发生在该领域称之为“商品生产中的变形”的各种类型的缺陷或龟裂。因此，已有建议提出，采用光学扫描技术来检查容器的这类影响其光传输特性的变形情况。在转让给本申请人的美国专利4378493，4378494和4378495号中，就已经公开了这种方法和设备，其中的玻璃容器是通过多个检查站进行物理和光学检查后被输送出去的。在一个检查站中，玻璃容器被垂直放置并绕其竖直轴转动。一个照明光源将漫射光通过容器侧壁射入。一个包含有多个光敏元件或象素的摄像镜头放置在可以检测通过容器侧壁垂直条的光线的位置上，该摄像镜头内的多个光敏元件或象素排列成与容器竖直轴相平行的线生阵列。按容器旋转增量，对每个象素元件的输出进行采样，当相邻象素元件的信号差大于预定的阈值时，产生相变信号。同时产生一个与相变信号相这应的报废信号，将被报废的容器从运输线上分拣出来。

美国专利4958223号也已转让给本申请人，它公开了一种当容器绕其中的轴转动时，检测该容器面层的设备。一个光源放置在使漫射光射向容器面层的位置上，一个摄像镜头相对容器轴在该光源对过放置。该摄像镜头包括一个CCD图象阵列传感器，该传感器具有一个以行列排列的图象传感元件矩阵，并且还装自移位寄存器和门电路，用于有选择地按行列顺序地读取各传感元件上的图象数据。图象处理电路同阵列连接产生摄像镜头控制信号，用于对图象阵列传感器上的相邻列和/或行的数据进行选择综合，并用于仅将传感器中感兴趣的图象数据区域的数据卸入到图象处理电路中。这种数据压缩不但在进行数据处理时改善了传感器自身的信噪比，而且通过仅从感兴趣的图象区域卸入数据节省了图象处理器的存贮空间。

美国专利5214713号也转让给本申请人，它也公开了一种容器检查系统，在该系统中，由一架摄像镜头获得由多个象素组成的一幅容器图象，每个象素构成图象的一部分，一个存贮器接收并存贮摄像镜头来的图象的象素数据。一个压缩阵列处理器包括多个位式数据处理器，它们构成一个矩形阵列，以及一个微指令控制器，用于控制多个位式数据处理器的工作，使它们并行地同时处理数据。一个与所述压缩阵列处理器分开的数据相关式处理器(data-dependent)，适于对图象/数据进行非顺序的和/或由数据相关式的处理。一个计算机同摄像镜头控制电路，存贮器，压缩阵列处理器和数据相关式处理器相连接。通过控制这些电路的操作，计算机先从摄像镜头中获得象素数据，然后将这些数据的象素为单位存贮在存贮器中，再从存贮器中取出象素数据并以象素为单位将其卸入压缩阵列处理器，以便使多个位式处理器中的每一个都只接收和处理一个字节的象素数据，再将这些数据从压缩阵列处理器这回到存贮器，然后从存贮器中取出象素数据并将其卸入数据相关式处理器，用作非顺序的或数据相关式的图象处理。

上面提到的专利中公开的系统和技术，虽然在预先检查技术领域取得了重大的进步，但仍有必要进行改进。具体地说，在制造过程检查应用中，例如在容器制造控制过程中，制造过程检查容器所采用的机器观测系统，无论在数据被从摄像镜头中读出时，还是在被从存贮器中存贮的供比后进行非实时处理的全部摄像镜头图象数据中识别出来时，对容器的图象数据进行快速和实时的处理都是极其必要的。本发明的总的目的就是要提供一个在该领域已提出需要的机器观测系统及其使用方法。本发明的一个更具体的目的是要提供一个采用可编程逻辑硬件对图象数据进行顺序和实时预处理的系统和方法，其中预处理硬件可以容易地进行重编程，或重设计以便对图象数据进行不同的预处理操作。

一种按照本发明的机器观测系统包括一个摄像镜头，用于获得一幅有多个象素数据组成的图象，其中的每一个都形成图象的一部分；一个预处理器，用于接收摄像镜头来的象素数据并对其进行有选择地预处理操作；以及一个主处理器，用于对从预处理器接收到的预处理过的象素数据进行图象分析。所述的预处理器包括一个可改变构形的硬件逻辑元件阵列，以便按照硬件逻辑元件组合结构所决定的方式对象素数据进行连续和实时地处理。预处理器响应从主处理器来的控制信号，有选择地改变硬件逻辑元件的组合结构，以按照主处理器所控制的预先选定的方式，对从摄像镜头来的象素数据进行预处理。

按本发明目前的最佳实施方式，在容器检查系统内，容器放置在固定的位置上并绕其轴转动。光射向转动的容器，摄像镜头获取一个被光照亮的容器的图象。所述容器图象由多个象素数据字节组成，每个字节形成图象的一部分，该容器图象被连续和顺序送入一个可编程的逻辑器件中，在该逻辑器件中由硬件逻辑元件预先组合成一个阵列，以使阵列中的元件能对多个顺序的象素数据字节同时进行实时处理。对所述象素数据进行分析就可以获得作为容器光学特征函数的检查信息。一个数字存贮器包含用于可编程逻辑器件的预先存贮的组成结构程序。电子电路用于响应主处理器，对存贮器中预存的组合结构程序进行选择，并在可编程逻辑器件中有选择地构成或重新构成硬件逻辑元件的阵列，以便对摄像镜头的图象象素数据进行选定的预处理操作。在本发明的最佳实施例中，摄像镜头和可编程逻辑器件的操作是和容器旋转的增量同步进行的。

从下面的说明，接着的权利要求和附图可以对本发明，以及其特征、优点和目的有更好地理解。在附图中：

图1是按照本发明的一个最佳实施例，用于检查容器底部和跟部的一个系统的的功能方块图；

图2是图1中的预处理器的功能方块图；

图3是图2中的现场可编程门存列(FPGA)的更详细的功能方块图，它被用于在图1的实施例中对容器底部和跟部进行分析；

图4A和3B包括一个对在图1中被检查的容器的底部和跟部的简要图示说明(图4A)和它们产生的电子图象(图4B)；

图5A和5B是对一个具有各种商品生产中的变形的容器的底部和跟部的简要图示说明(图5A)和它们产生的电子图象(图5B)。

下面参照附图对本发明的最佳实施例作详细说明。图1表示按照本发明构成的一个机器观测系统10，用于检查容器12的底部和根部。一个输送设备14，典型地包括有一组星形轮(未示出)和一块滑板16，被布置成与模制容器来源相连接，以便能连续地将容器12携带输送到图1所示的检查工作站的位置上。输送设备14可以是任何适用的型式，例如象美国专利4230219和4378493中所示的那种，典型地应当包括有可转动的星形轮，用来将各容器连续地输送到规定位置并在检查操作期间将容器保持在固定的位置上。一个容器转动装置18，例如一个驱动滚子，位置工作站可与容器12结合的位置上，它使容器围绕自身的中心轴转动。

在目前计论的本发明的这一最佳实施例中，容器12是一个模制的玻璃瓶，它具有瓶体20，一个大体上是圆筒形的瓶颈22，它从瓶体肩24上向上伸出，还有一个瓶底26，它由跟部28同瓶体20连接。如图1所示，检查系统10被设计成用来检查容器12的底部26和跟部28 。然而从下面的讨论可以明了，本发明并不局限于这种具体的实施模式。

一个光源30位于滑板16的下面，光线通过滑板16的开口32，向上射出并透过容器的底部26和跟部28进入容器。一个摄像镜头34放置在容器上方并和滑板的开口32同心或对准，以便当容器被保持在静止位置上或绕其自身中心轴旋转时，可以通过容器的啮朝下观测到容器的底部26和跟28，并能被光源30从下方照亮。这样，摄像镜头34至少可以获得一个容器的被检查部分的图象。摄像镜头34内的透镜36将容器12的被照亮的底部和跟部的图象聚焦到一个CCD线性阵列传感器38上。因而在摄像镜头传感器38上形成容器12底部和跟部的一个线性的或一维的图象，这个图象是由多个象素数据字节组成的，并是从传感器38上连续顺序可读出或可扫描的。摄像镜头34在一个信息处理器40的控制下将图象数据按字节连续地装卸入一个预处理器42。图象数据在预处理器42中按照选定的方式进行处理，然后被馈入信息处理器40，用于获得一个作为容器12光学特征函数的检查信息。信息处理器40的信息可以用来提供一个报废信号，把具有不符合要求或不可接受的裂纹或变形的容器12分离剔除，也可以给显示器44提供容器被检查部分的全部或局部的图象。信息处理器40和预处理器42的操作是与容器旋转的增量同步的，它既可以直接在作为容器实际转动函数的一个编码器45的作用下实现同步，当容器的恒定速度转动时，也可以非直接地在时间增量的作用下同步。

图2是预处理器42的一个功能方块图。一个现场可编程门阵列或FPGA46通过图象缓冲器48按字节连续地接收摄像镜头的图象数据。FPGA46是一个常规的可编程逻辑器件，它包含有一个可改变组合结构的硬件逻辑元件阵列。以便按照硬件逻辑元件组合结构决定的方式对摄像镜头机34的象素数据进行连续和实时地处理。目前最结的可编程逻辑器件或FPGA46是加利福尼亚的圣乔士阿脱拉公司(Altera corp.of san Jose)上市的Flex8000可编程逻辑器件系列。FPGA46同随机存取存贮器PAM50和只读存贮器ROM52连接，所述的这两个存贮器用于接收图形程序的信息和进行图象分析，下文将介绍。FPGA46通过一个可编程的逻辑阵列或PLA54接收从信息处理器40来的输入控制信号，用于有选择地对FPGA进行编程或重编程，并通过一个图象缓冲器56将输出的图象信息提供给信息处理器40。ROM52纱包含一个最好包含多个程序，用于对FPGA46进行选择性地构成，以便对输入的图象象素数据进行不同的预处理操作。这些程序可由信息处理器40依据要执行的检查操作，例如图1中检查底部和跟部的实施，以及依据要求的预处理算法来选定。用于底部和跟部检查的一种预处理算法将结合图3进行详细讨论。PLA54可以配合从信息处理器40来的命令信号进行预先编程，用于命令FPGA46从ROM52中有选择地取出组合结构程序，这既可以在整个系统起动时进行，也可以要求采用不同的预处理算法时，在信息处理器40的控制下通过PLA54选择进行。

图3是图2中的FPGA46对图象象素数据进行预处理的功能方块图，用于实施图1中对底部和跟部的检查。摄像镜头的象素数据在一个处理器时钟62控制下的同步器60处，按象素字节被连续地被接收。该同步器60还驱动一个象素计数器64，跟踪在每次扫描中接收的摄像镜头的象素数据。被同步的象素输入数据通过顺序排列的移位寄存器66，68，70被馈入。同步器60和每个移位寄存器66，68，70的输出被输入多路转换器72相应的输入端。这样在多路转换器72的四个输入端上呈现四个顺序的象素数据字节，它们代表图1中的线性阵列传感器38的四个顺序的元件的输出。一对逻辑门74，76是由编程选择设定的，用于测定一条摄像镜头扫描线内要比较的各象素数据字节之间的间隔(逻辑74)和要比较的各象素数据字节之间扫描线的数目(逻辑76)。在这个实施例中，亦就是通过对一条摄像镜头扫描线内的各象素数据字节的比较，根据逻辑74的编程确定的既可以是相邻的也可以是相隔几个字节的字节进行比较，以及通过对两条扫描线上相同的字节数目的比较，根据逻辑76的编程既可是相邻的也可是相隔的扫描线比较，对被观测部分进行分析。逻辑元件74，76由处理器时钟62驱动。象素计数器64和逻辑元件74连接到减法电路78上，它从每一条扫描线的象素计数中减去逻辑74设定的数。这样产生一个地址并被写入扫描数据RAM80中(是图2中的RAM50的一部分)。减法器78产生该地址的象素部分，另一个减法器84产生该地址的扫描部分。两者合起来能在当前的扫描线上或一条先前的扫描线上产生任何先前象素的地址。当前象素数码不断地被存入扫描数据RAM80，因此，通过对在RAM中合适的位置进行寻址，可以取出到同一条扫描线上的先前象素的象素数据或先前扫描线上的象素数据。

一个(第二)多路转换器86接受从(第一)多路转换器72和扫描数据RAM80输出的信号。这样，该(第二)多路转换器86就能够选择最新输入的象素数据字节或以前的三个紧挨着的象素数据字节中的一个(通过多路转换器72)，以及在同一条扫描线内的或在一条选定的先前的扫描线内的一个预定的先前的象素数据字节(通过扫描数据RAM80)作为输入。多路转换器86的输出被馈入比率计算元件88的一个输入端，该比率元件88接收同步器60来的第二个输入信号，该信号当然是最新的象素数据输入字节。这样，在比率计算元件88上，现行的输入数据字节可同移位寄存器66、68、70上输出的三个紧挨着的先前字节中的任一个进行比较，或者当由减法元件78和扫描数据元件80测定时，与同一扫描线内的任何先前的字节相比较，当由减法元件84和扫描数据元件80测定时，与任何先前的扫描线上的同一象素数据字节比较。比率元件88最好是由ROM52的一部分形成的(图2)，它作为有两个ROM地址输入端的元件用于接收两个输入字节，并提供一个作为其间的输入比率函数的输出信号。当然，这个比率是预先存贮在ROM52中的。

比率元件88的输出被馈入比较器90，该计算比率在比较器90中与预先存贮在RAM50中的一个阈值92比较。每一个象素在RAM50中都存有一个阈值92，由象素计数器64导址该RAM，并读出相应的阈值。当比较表明，图象象素字节在比率元件88上产生的比率超过阈值92时，“命中”计数器94会递增。当连续命中的数目达到预定值时，表明发现了一个“气泡”(blcb)，计算器96将递增。包泡计数器96总是每一串连续命中的末端递增。在比较器90中产生的每一次命中作用都是通过元件98，向输出多路转换器100发生信号，使其将数据传送给光信息处理器40(图1)。在连续命中情况下，输出多路转速器100产生从气泡上计数器96，命中计数器94，比率元件88，同步器60，象素计数器64到扫描计数器82一系列的输出。这样，由图象数据字节比较产生的连续命中将把图象信息有效地装入光信息处理器。光信息处理器根据这些数据的数目和频率能产生质量控制信息。按照这种方式，光处理器不需要处理所有的图象数据，而只需处理同检测到的不可接受的商品生产中的变形有关的数据。当然，另外主处理处40也可以命令卸下RAM50中的全部图象数据，用于处理和/或在显示器44上显示。

图4A画出了一个容器的底部和跟部102，底部具有一个内圈104，一个起始圈106和隆起的耐磨环脊108。在该局部剖视图上还画出了扫描线110，114和116。为了帮助理解，图4A还画出了摄像镜头的传感器38在扫描增量线110观察到的容器底部和跟部102的图象38a。如上面说明的，传感器38在本实施例中是一个线性阵列传感器，它具有多个传感器元件，例如512个传感器元件。这些元件中的6个38b，38c，38d，38e，38f和38g被画在图4A中，它们相应地分别在圈104，容器轴线，圈104，起始圈106和环脊108的内边沿及外边沿上。由于摄像镜头传感器38是在容器转动中进行扫描的，所以将产生一幅如图4B所示的容器底部和跟部的二维电子图象120。环脊108出现在图象120底部，起始圈106紧靠其上，内圈104在起始圈上面，点划线122代表容器中心在内起始106上面。内圈104的图象106’在图的顶部重复出现。110，114和116仍代表局部剖视图中的扫描线，正像图象38a和传感器元件38b-38g在扫描线110上。

图5A和5B表示观测到的一个底部124具有偏心和不透光碎石变形的容器的情况。图5A表示了容器底部124上的碎石粒126，128，130和132，图5B画出了它们相应的图象。需要说明的是，在扫描线134上，分别在容器中的附近和内圈104上再次出现的碎石126和128的图象，是在容器中心122的相反一侧。此外，碎石126的图象图像不清是因为容器中心角速度小的缘故。

本说明书已经公开的方法和系统完全满足了前面提出的目的和要求。尽管本发明的公开是结合对底部和跟部分析的的最结实施方案进行的，然而，可以理解，能够容易地将本发明用于其它类型的容器检查和分析，例如用于美国专利4601395号公开的容器侧壁检查，美国专利4701612中公开的容器面层检查，美国专利4945228中公开的容器密封表面检查，或美国专利4644151中公开的容器压模鉴定。此外，也可以理解，尽管本发明是结合一个数据压缩预处理应用电路说明的，即一个预处理确定商品生产中的变形“命中”指示的位置，然后仅将这些信息传递给光处理器作进一步分析的应用电路，但表征发明特征的可编程逻辑器件可以容易地被用于其它预处理应用中，例如：数据过滤，褶积滤波，FIR滤波，Z变换滤波，腐蚀分析或膨胀分析。事实上，本发明特别重要的优点在于执行任何或所有这些预处理功能的算法都可以被预存贮在ROM52中(图2)，并当需要时按要求由光信息处理器40选择启动(图1)。

按照本发明的图象预处理器在接收摄像镜头的象素数据时，对其进行实时连续地处理操作。这个系统是高度流水作业的，亦即在任何时间点上，预处理器的顺序的元件总是在对象素数据的序列字节进行处理操作。因此该系统能在最慢的信号部分要求的操作时间内完成全部预处理操作，而不是要在全部处理部分要求的时间总和内完成预处理操作。事实上，所有流水线分布的元件对象素数据的处理是并行进行的。当要求进行更多的处理时，可以增加流水线的级数，而不必以任何方式减慢预处理操作。在可编程逻辑器件中，诸如加法器，积分器，计数器，多路转换器和比较器等元件的功能都能实施。乘法器和除法器最好在附加的ROM或RAM中作为查找表形式实施。先前扫描获得的数据被存贮在附加的RAM中并从中取出，诸如阈值之类参数可以存贮在附加RAM的每个象素基本部分中。