用于检测对象的相机设备和方法

本发明涉及根据权利要求1或15的前序部分的用于检测在纵向方向上相对于相机设备移动的对象流中的对象的相机设备和方法。

在工业应用中，相机以各种方式用于自动检测对象属性，例如用于检查或测量对象。在此，记录对象的图像并根据任务通过图像处理方法进行评估。相机的重要应用是读取代码。借助图像传感器检测其上有代码的对象，在这些图像中识别代码区域，然后将其解码。基于相机的读码器可以轻松应对一维条形码以外的其它代码类型，这些代码类型与矩阵码一样也被构造成二维的并提供更多信息。读码器的典型应用领域是超市收银台、自动包裹识别，邮件分拣、机场行李托运和其它物流应用。

常见的检测情况是相机安装在传送带上方。在对象流在传送带上的相对运动期间，相机记录图像并根据所获得的对象属性启动进一步的处理步骤。这些处理步骤例如包括在作用于所输送对象上的机器上对具体对象进行合适的进一步处理，或者包括通过在质量控制的框架内将某些对象从对象流中排除或将对象流分类成多个部分对象流，来改变对象流。如果相机是基于相机的读码器，则根据所附接的代码来识别对象以便进行正确的分类或类似的处理步骤。通常情况下，输送系统通过增量编码器依次提供与路径相关的脉冲，以便任何时刻的对象位置都是已知的，即使输送速度发生变化。

相机的图像传感器可以被设计成线形或矩阵形。待扫描的对象的移动被用于通过排列线或组合单个图像来依次组合图像。在此，从相机的各个视角看，总是只能检测到对象的一个侧面，每增加一个读取面就必须使用一个额外的相机。

图9示出了常规的安装，其中相机100以所谓的顶部读取方式从上方以其视场106记录传送带102上的对象104。对于侧面读取来说，需要在传送带102旁边安装具有相应视场106a-106b的附加相机100a-100b。图10示出了在使用偏转反射镜108的情况下顶部读取的可替代安装。通过这种方式，可以利用安装得更近的相机100使读取通道的结构更加紧凑。然而，这并没有改变相机100只能检测对象的一个侧面，并且对于侧面读取则可能需要两个附加的相机。

可以设想的是，对相机进行定向，使得在输送运动过程中可以依次检测到对象的两个侧面。在US 6 484 066 B1中，一台相机从相应倾斜的视角观察前表面和侧面，而另一台相机观察后表面和另一个侧面。根据上面阐述的图10的原理，各个反射镜在小的安装空间内延长了光路。然而，倾斜的视角会导致失真，这些失真必须进行补偿且会降低图像质量。

DE 20 2013 009 198 U1公开了一种用于偏转和扩展相机视场的设备。其中通过相对于彼此适当倾斜的反射镜来记录更宽的视场，其方式是使相邻的部分区域在图像传感器上叠加成像。在EP 2 624 042 A2中提出了一种用于相应地扩展视场的可替代的反射镜布置。然而，在这两种情况下，对象仍然只有一个视角，仍然必须使用多个相机来检测多个侧面。

EP 0 258 810 A2涉及物品的检查。通过多个反射镜可以用同一台相机检测六个侧面中的五个。众多的反射镜导致调整工作量很大，而且不能与线阵相机(Zeilenkamera)一起使用，而且读码的分辨率也相应地受到限制，其中读码也不是所设置的应用。为了照明，在物品周围布置一整组照明单元。从US 2010 226 114 A1中已知通过反射镜布置从多个侧面检测对象，其中除了类似的缺点外，这里也没有提供对象的移动。

在EP 2 937 810 A1中使用了错列的反射镜，以便多次有效地记录不同距离的对象。由此，对象通过景深范围内的至少一个反射镜位于光路上。在实施方式中，根据输送位置的不同，反射镜被用来检测正面、顶面或背面。但却不能从多个视角同时检测对象，仍然只能用附加的相机记录侧面。

US 2010/0163622 A1在光学读码器中使用单片反射镜结构，以便将图像传感器的视场划分成多个不同的视图。这种反射镜结构复杂且不灵活。

因此，本发明的任务在于实现对在流中运动的对象的改进的检测。

该任务通过根据权利要求1或15的用于检测在纵向方向上相对于相机设备运动的对象流中的对象的相机设备和方法得以实现。相机设备的相机利用图像传感器记录对象的图像，这些对象形成在纵向方向上与相机相对运动的对象流。至少一个第一偏转元件为图像记录提供接收光路的折叠。相机的视场被划分为检测到第一偏转元件的至少一个第一部分视场和没有检测到第一偏转元件的第二部分视场。换句话说，第一偏转元件在第一部分视场中是可见的，而在第二部分视场中则不可见。一般来说，可以依次设置两个以上具有不同配置的单个偏转元件或多个偏转元件的部分视场。可以设想的是，部分视场完全没有偏转地并且因此直接记录对象。优选地，部分视场相互分离，因此对应于图像传感器的不同像素，和/或共同构成图像传感器或相机的整个视场，由此使图像传感器的所有像素都得以利用。

本发明基于以下基本思想，即通过对光路进行不同的折叠来扩展相机的视场，也就是说对于对象产生超出原始视角的不同视角。第一偏转元件通过在第一部分视场中完全提供折叠或在任何情况下都提供不同于第二部分视场中的折叠，创造对于对象的附加视角。通过这种方式，就能够实现用同一台相机从多个视角记录对象。这种记录是从不同的视角同时进行的，而不像EP 2 937 810 A1那样，只能在不同的输送位置上一个接一个地检测正面、顶面或背面。此外，视角基本上可以自由选择，包括侧面检测在内。

这种描述在很多地方都是由具有六个侧面或表面的至少大致为长方体形状的对象的设想驱动的。这也是常见的应用，但本发明并不局限于此，尤其是对于任何几何形状的对象，同样有相应的六个视角。

本发明的优点在于可以利用较少的相机检测多个侧面。相机数量的减少降低了成本和复杂性，并且能够实现更小和更紧凑的机械系统设计。同时，图像传感器的日益可用的高分辨率得以合理地且尽可能完全地利用。

优选地，第二视角是俯视图。因此，从上方的第二视角检测对象流，并记录对象的顶面，在读码器中这也被称为顶部读取。优选地，相机也安装在对象流的上方。相机本身朝下取向，或者从上方的第二视角由相应的偏转元件提供。第一偏转元件不涉及，其位于第二部分视角之外。

优选地，第一视角是来自横向于，特别是垂直于纵向方向的横向方向的侧视图。在该实施方式中的第一侧向视角是由第一偏转元件的偏转产生的。因此，另外检测到对象侧面，例如，除了从第二视角的顶面之外的对象侧面，其中可替代地，第二视角也可以记录正面或背面。

优选地，相机设备包括第二偏转元件，相机的视场具有检测到第二偏转元件的第三部分视场，并且第二偏转元件被布置成使得第三部分视场的第三视角与第一视角和第二视角不同，从而利用图像传感器同时记录对象的三个侧面。与通过第一偏转元件的第一视角类似，因此产生具有第三部分视场和第二偏转元件的第三视角。因此，第二偏转元件在第三部分视场中被精确地检测到，而相应地不在其他部分视场中被检测到，并且第一偏转元件不在第三部分视场中。特别优选地，第三视角是与第一视角相反方向的侧视图。因此，除了第二视角(例如，在顶面)外，还从第一和第三视角记录对象的两个侧面。

优选地，相机固定地安装于在纵向方向上输送对象流的输送设备上。优选的安装位置在传送带的上方，以便将从上方的检测与一个或更多个其他侧面的检测结合起来，特别是与侧向的检测结合起来。然而，也可以设想其他的安装位置，以便结合其他的视角。如果要检测底面，则要在输送设备上采取预防措施，例如视窗。

优选地，相机设备具有第三偏转元件，该第三偏转元件被布置成使得它在第二部分视场中被检测到。因此，接收光路也在第二部分视场或第二视角中被折叠。示例是相机的取向不直接朝向对象，例如至少与纵向方向近似平行或反平行的平面观察方向从上方或从一侧向对象偏转。可以设想的是，通过其他偏转元件使第二视角的光路多次折叠。

优选地，相机设备具有第四偏转元件，该第四偏转元件使通过第一偏转元件折叠的第一视角的接收光路进一步折叠。因此，第一视角的偏转是两级或多级的，例如，首先从安装在上方的对象流旁边的相机偏转，然后偏转到对象上。除了特别紧凑的结构外，至少双重偏转允许至少与待记录的对象表面，特别是其侧面几乎垂直地检测对象。

优选地，相机设备具有第五偏转元件，该第五偏转元件使通过第二偏转元件折叠的第三视角的接收光路进一步折叠。第三视角的第五偏转元件的功能与第一视角的第四偏转元件的功能相对应。

优选地，偏转元件被布置成使得对于公差与相机的景深范围相对应的不同视角而言，相机和对象之间的光路是等长的。通过这种方式，在所有视角都记录到清晰的图像。一种实施方案在于，将第三偏转元件安装在比第一或第二偏转元件距相机更远的地方。由此，最终使第二视角的光路人为地延长，以补偿第一和第三视角所需的绕路。通过这种方式，使得从相机经第三偏转元件到对象(例如，其顶面)的光路与从相机经第一偏转元件和第四偏转元件到对象(例如，其侧面)的光路，或相应地从相机经第二偏转元件和第五偏转元件到对象(例如，其另一侧面)的光路长度大致相同。

优选地，各个偏转元件具有反射镜和用于以预定的布置和相对于对象流的取向进行安装的保持装置。由于是单独的保持装置且作为单独的组件，偏转元件在很大程度上可以随意放置在空间中且随意取向，这与例如根据开头提到的US 2010/0163622 A1的单片反射镜结构的情况完全不同。反射镜可以完成进一步的光学任务，例如，通过弯曲的反射镜表面提供聚焦或散射特性，或通过涂层等提供针对某些光谱的过滤特性。

优选地，图像传感器被设计成线阵传感器。这种线阵传感器提供有非常高的像素分辨率，其中一些对于检测单个对象侧面不再是绝对必要的。根据本发明，附加像素可用于从附加视角记录附加侧面。

优选地，图像传感器的相邻像素区域与部分视场相对应，特别是中央像素区域与第二部分视场相对应，以及侧向像素区域与第一或其他的部分视场相对应。优选地，视场的宽度大于待检测的对象流或传送带的宽度，并且有利地，在一侧或两侧使用侧向余量用于另一视角或另外两个视角。

可替代地，图像传感器的叠加像素区域与部分视场相对应。在这种情况下，图像传感器是矩阵传感器，其叠加的线阵部分被用于不同的视角。为此优选地，偏转元件被构造成具有多个相应倾斜的部分，或者使用附加的偏转元件，以适当地将部分视场布置在矩阵传感器上。

优选地，相机设备具有照明单元，以照亮相机的视场，特别是通过相应的偏转元件照亮部分视场。如果照明单元也使用偏转元件，则单个中央照明单元就足够了，这非常类似于单个图像传感器，根据本发明，该图像传感器可以从多个视角记录。

优选地，相机设备具有控制和评估单元，该控制和评估单元被设计用于在用图像传感器检测的图像数据中寻找代码区域并读取其代码内容。代码内容可以在广义上进行检测，如文本的读取(OCR，光学字符读取)或符号的识别。然而，特别优选地是基于相机的读码器，该读码器读取光学条形码和光学2D代码，并且利用单个相机和单个图像传感器从多个对象侧面同时进行读取。

根据本发明的方法可以用类似的方式进一步发展并同时显示出类似的优点。这种有利的特征在从属于独立权利要求的从属权利要求中示例性地但不详尽地进行描述。

附图说明

下面将示例性地基于实施方式并参考附图对本发明的其他特征和优点进行更详细的阐述。在附图中：

图1示出了安装在带有待检测的对象的传送带上的相机的示意图；

图2示出了光路折叠的相机设备的三维视图，该相机设备用于从上方和侧面同时检测；

图3示出了根据图2的相机设备的前视图；

图4示出了根据图2的相机设备的俯视图；

图5示出了图2中光路的分解，以阐述如何通过所有视角的等长光路将对象保持在景深范围中；

图6示出了光路折叠的相机设备的三维视图，该相机设备用于从上方和两侧同时检测；

图7示出了根据图6的相机设备的前视图；

图8示出了根据图6的相机设备的俯视图；

图9示出了传统相机设备的图示，该相机设备需要三个相机以便从三个侧面进行检测；以及

图10示出了另一传统相机设备的图示，该相机设备借助于水平取向的反射镜从上方检测对象。

图1示出了安装在传送带12上方的相机10，对象14在该传送带12上沿着箭头所示的输送方向16被输送通过相机10的视场18。在优选的实施方式中，对象14在其外表面上携带代码20，这些代码被相机10读取。为此，相机10通过具有图像传感器24的接收光学器件22记录位于视场18中的各个对象14的图像。

评估单元26包括解码单元，该解码单元对图像进行评估。在此，代码区域被识别，并且代码20的代码内容被读出。评估功能也可以至少部分地在相机10的外部实现。优选地，相机10仅被设计成基于相机的读码器。除了读取光学1D或2D代码外，其他可能的图像处理任务是识别符号，特别是识别危险品(HazMat)标签，读取字体(OCR，光学字符读取)，特别是地址，以及其他处理。

相机10可以被设计成具有线形图像传感器24的线阵相机，图像传感器优选地具有高分辨率，例如八千或一万二千像素。可替代地，图像传感器24是矩阵传感器，该矩阵传感器可以具有四百万、八百万或一千二百万像素的总体可比较分辨率。然而，这些像素是分布在平面上的，因此在输送运动过程中用线连续记录图像可能导致明显更高分辨率的图像。在一些应用中，特别是在使用基于机器学习或CNN(卷积神经网络)的图像处理的情况下，较低的像素分辨率也是足够的。利用矩阵传感器，基本上也可以设想没有移动的对象流或传送带12的静态的图像记录。相反，在输送运动的过程中，将利用矩阵传感器记录的图像连续地组合成更大的图像，通常是有意义的。

由相机10和传送带12形成的读取通道可以包括其他传感器，这些传感器由进给传感器28表示，例如测定传送带12的速度或进给的增量编码器。通过这种方式，沿传送带12的某个地方检测到的信息可以转换到沿传送带12的其他位置或者由于已知的进给而等效的其他时间点。其他可设想的传感器是识别对象14进入视场18的触发光栅，或几何传感器，特别是激光扫描仪，其检测传送带12上的对象14的3D轮廓。

相机10的视场18被偏转元件30a-30c，特别是反射镜划分开，相应的接收光路32a-32b也被折叠。稍后将基于图2至图8更好地了解到这一点，并对此进行更详细的阐述。偏转元件30a、30b确保其中一个接收光路32a被折叠到对象14的一侧。通过偏转元件30c，另一个接收光路32b在根据相机10的取向的水平方向上以垂直走向偏转到对象14的顶面。

由此，在对象14的表面和侧面上形成部分视场18a-18b，从而可以同时检测到对象14的两个侧面。图1中的部分视场18a-18b是线形的，用于在输送运动过程中连续地逐行检测对象14，在矩阵传感器作为图像传感器24的情况下，则会形成相应更宽的部分视场。

由于将视场18划分为部分视场18a-18b，也会在图像传感器24上产生待区分的像素区域或图像段。在线阵传感器的情况下，这些图像段优选简单地彼此相邻。因此，检测的中心部分不需要的读取区域的部分区域，必要时还有其照明，被耦合输出(auskoppeln)并通过偏转或折叠用于检测附加的侧面。在矩阵传感器的情况下，部分视场18a-18b也可以彼此相邻布置，但也可以呈条状地叠加布置在图像传感器24上。

相机10的可选的且在图1中未示出的有源照明也可以作为与图像传感器24的同轴照明在偏转元件30a-30c上方折叠。因此，在相机的位置处或集成在相机中的中央照明就足够了，这样各个部分视场18a-18b就被照亮了。

所记录的图像可以在评估单元26中或在下游的图像处理中用与部分视场18a-18b相匹配的参数进行处理。也可以分段(abschnittsweise)调整或控制图像传感器24或照明的参数。通过这种方式，例如调整对比度或亮度。也可以设想特别是通过偏转元件30a-30c相应的涂层进行光束整形或光学过滤。

图2以三维视图再次示出了根据图1的相机设备。补充性地，图3和图4是输送方向上的相关前视图和俯视图。相机10是水平的或平行于传送带，并在其输送方向16上对齐，可替代地，也可以在与输送方向16相反的方向上对齐。侧向接收光路32a通过左上方的偏转元件30a首先向下靠近传送带12，然后通过左下方的偏转元件30b尽可能垂直地引导或折叠到对象14的侧面上。侧向接收光路32a与图2中为清晰起见未具体标出的部分视场18a相对应。可替代地，单独的左上方的偏转元件30a，即没有左下方的偏转元件，也可以偏转到侧面，但随后的光路是斜的且不再是垂直的。中央接收光路32b在中央偏转元件30c处向下偏转到对象14的顶面。中央接收光路32b与这里不再具体标出的部分视场18b相对应。

由于偏转元件30a-30c和相应折叠的接收光路32a-32b，对象14的顶面和左侧可以用相机10从两个不同的视角同时检测。显然，这也可以可替代地转移到右侧。在任何情况下，检测两个侧面对于从侧面的第一视角和从上方的第二视角这种情况是特别有利的，但也可以设想检测对象14的其他两个侧面或表面或从上方和侧面以外的两个视角。

图5再次示出了作为背景的图2的图示，并将接收光路32a-32b划分为它们直线的部分节段A-E。具有接收光学器件22的相机10只有有限的景深范围。因此，特别有利地，不同视角的光路是等长的。通过这种方式，从对象14的同时检测的侧面分别记录到清晰的图像。光路长度的差异，特别是如果这些差异超过了有限景深范围所允许的公差，则反而会导致至少一个侧面或表面的图像模糊。通过巧妙地布置偏转元件30a-30c，可以确保接收光路32a-32b的长度相等，具体而言，满足等式A+B＝C+D+E。为此，与左上方的偏转元件30a相比，中央偏转元件30c布置得离相机10更远，使得A和B被延长，确切地说是正好延长到与通过两次偏转到侧面而具有C、D、E节段的绕路相对应。应该重申的是，在景深范围的延伸范围内，近似相等就足够了。

相机10可以具有可调的焦点或自动对焦，而不是固定焦点。然而，仅凭这一点并不能解决不同视角的模糊问题，因为景深范围只能针对一个视角进行调整。解决聚焦问题的另一个方案是与开头提到的EP 2 937 810 A1的教导相结合。在此，偏转元件30a-30c被不同距离的错列的偏转元件适当替代。记录的图像部分根据错列得以倍增，分别选择图像部分并对其进行进一步处理，该图像部分在景深范围内的适当长的光路下被记录。

图6以三维视图示出了相机设备的另一种实施方式，图7和图8作为输送方向上补充的相关的前视图和俯视图。与根据图2至图5的实施方式不同的是，现在还从附加的第三视角检测对象14的另一侧面。关于各种设计方案，特别是对景深范围内各个记录的光路设计，上述实施方案继续类似地适用。这也特别适用于根据图5的具有等长光路的设计，即优选地，也以等长的光路检测对象14的另一侧面。

为了创造第三视角，也为了检测对象14的第二侧面，在这里指在输送方向16上看到的右侧面，通过右上方的偏转元件30d首先向下靠近传送带12，然后通过右下方的偏转元件30e尽可能垂直于对象14的另一侧面在侧向附加地耦合输出另一侧向接收光路32c。另一个侧向接收光路32c与为清晰起见仅在图7中标出的附加部分视场18c相对应。因此，现在有两个部分视场18a、18c在中央部分视场18b的两侧被耦合输出。由于偏转元件30a-30e和相应折叠的接收光路32a-32c，可以利用相机10从三个不同的视角同时检测对象14的顶面、左侧和右侧。可以设想对于对象14的侧面的其他组合的三个其他视角来代替从上方和两侧进行检测。

如果偏转不像如前所述那样垂直于侧表面，而是在水平面内有一个45°角，即类似在假想的长方体对象14的垂直边缘上，则在输送运动过程中通过各个侧面也可以依次检测到前表面或后表面。在根据图2至图5的实施方式中，必须决定是前表面还是后表面，或者通过适当的倾斜位置经由上方的视角覆盖在任何情况下都未被检测到的表面。在根据图6至图8的实施方式中，可以用前表面来检测其中一侧，用后表面来检测另一侧。然而，在任何情况下，都必须接受不再有垂直于相应对象表面上的视角这一缺点。