Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen optischen Qualitätskontrolle von flachen, ebenen Produkten mit farbiger und spiegelnder oder teilspiegelnder Ober¬ fläche, insbesondere Fliesen, bei welchem die Oberfläche jedes Produkts durch mindestens eine elektronische Kameras optisch erfaßt wird und die von der Kamera gelieferten elektrischen Bildsignale nach den Verfahren der elektro¬ nischen Bildverarbeitung zur Gewinnung von Qualitätsmaßen ausgewertet werden. Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Unter einer teilspiegelnden Oberfläche wird hier eine Ober¬ fläche verstanden, die im Gegensatz zu einer spiegelnden Oberfläche nicht alle auftreffenden Lichtstrahlen nach dem Reflexionsgesetz reflektiert, sondern einen Teil der auf- treffenden Lichtstrahlen streut oder absorbiert, aber dennoch einen erheblichen Teil der auftreffenden Licht¬ strahlen spiegelnd reflektiert. Die Oberfläche von keramischen Fliesen ist ein typisches Beispiel für eine teilspiegelnde Oberfläche.

Bei keramischen Fliesen und ähnlichen flachen, ebenen Produkten mit farbiger Oberfläche bestehen sowohl hinsicht¬ lich der Farbgebung als auch hinsichtlich der Oberflächen¬ beschaffenheit besonders hohe Qualitätsanforderungen. Da Fliesen nebeneinander an relativ großen Wand- oder Boden¬ flächen angebracht werden, fallen bereits leichte Farb¬ abweichungen zwischen einzelnen Fliesen störend auf. Es ist daher erforderlich, alle produzierten Fliesen in sehr eng tolerierte Farbklassen, sogenannte Farbnuancen, einzuordnen und zu sortieren. Zusammen verkauft werden Lose gleicher Farbnuance. Diese Sortierung nach Farbnuancen ist von be¬ sonderer Wichtigkeit für Hersteller, welche zu unterschied¬ lichen Zeiten den gleichen Fliesentyp nachproduzieren oder welche in unterschiedlichen Werken den gleichen Fliesentyp herstellen. Hier wird nämlich nicht nur eine relative Farb¬ sortierung verlangt, sondern eine Sortierung nach absolut festgelegten Farbnuancen, damit diese Fliesenproduktionen gemischt werden können und auch zu einem späteren Zeitpunkt farbstimmige Nachlieferungen möglich sind.

Dieser Vorgang der Einsortierung von Fliesen in verschiedene Farbnuancen geschieht heute ausschließlich manuell, indem Prüfpersonen am laufenden Band jede Fliese durch visuellen Vergleich mit einem vorliegenden Sortiment nach Nuancen gestufter Fliesen beurteilen und in die am besten passende Farbnuancenklasse einsortieren. Es braucht nicht weiter betont zu werden, daß diese manuelle Sortierung sehr unzuverlässig und fehleranfällig ist; die Ermüdung, die unterschiedliche Tagesform sowie die unterschiedlichen Betrachtungs- und Entscheidungsgewohnheiten verschiedener Prüfer führen dazu, daß diese Sortierung mit einer hohen Streuung versehen ist. Von einer absoluten Farbsortierung kann überhaupt nicht gesprochen werden. Die manuelle Prüfung ist außerdem ein erheblicher Kostenfaktor für Produzenten, die in Hochpreisländern fertigen.

Die gleichen Probleme bestehen bei der außerdem gestellten

Forderung, Fliesen mit Oberflächenfehlern, wie Dellen, Blasen, Lunkern, sowie mit lokalen Farbfehlern auszu¬ sortieren. Auch diese Aussortierung erfolgt heute noch ausschließlich manuell, gewöhnlich durch die gleichen Personen, die auch die Farbnuancensortierung vornehmen.

Es sind andererseits bereits verschiedene Verfahren zur automatischen Qualitätskontrolle und Farbfehlererkennung bekannt, welche auf der Anwendung von elektronischen Farbkameras und der Auswertung der von den Farbkameras gelieferten elektrischen Bildsignale nach den Verfahren der elektronischen Bildverarbeitung beruhen. So ist in der DE 36 39 636 C2 beschrieben, wie bei textilen Oberflächen lokale Farbfehler durch eine bildpunktweise Farbklassifi¬ kation mit Hilfe trainierter Tabellenklassifikatoren ermittelt werden können. Hierzu wird eine aus beliebig vielen Farben bestehende Referenzoberfläche in einer Trainingsphase eingelernt, indem in einem geeignet gewählten Farbraum mehrdimensionale Histogramme der von einer Farb¬ kamera gelieferten Farbvektoren erstellt werden und durch Binarisierung hieraus ein Farbklassifikator für die Zuord¬ nung jedes Bildpunktes zu einer der gelernten Farbklassen gebildet wird. Dieser Klassifikator wird nach einer weiteren Verallgemeinerungsoperation vorzugsweise als Tabelle abge¬ speichert. In der Prüfphase wird der Prüfling ebenfalls mit einer Farbkamera erfaßt. Der Farbvektor jedes Bildpunktes des von dem Prüfling gewonnenen Bildes bildet eine Adresse für den Tabellenklassifikator und liest den unter dieser Adresse gespeicherten Farbklassencode aus. Damit liegt nach der Abarbeitung des gesamten Farbbildes des Prüflings ein neues Bild vor, bei welchem jedem Bildpunkt nicht mehr ein Farbvektor, sondern die Zugehörigkeit zu einer von mehreren gelernten Farbklassen zugeordnet ist, also ein sogenanntes Farbklassenbild.

In der PCT-Veröffentlichung WO 94/23276 ist beschrieben, wie Farbabweichungen durch Vergleich der mehrdimensionalen Farbvektorhistogramme einer Referenz und eines Prüflings

sehr genau mit Hilfe von Farbkameras gemessen werden können, ohne daß diese Histogramme binarisiert werden. In dieser Druckschrift sind auch verschiedene Verfahren zur Bildung solcher Vergleiche beschrieben.

In diesen Druckschriften sind aber keine Verfahren beschrie¬ ben, die es ermöglichen, farbige Oberflächen, insbesondere von Fliesen, automatisch in eine von mehreren vorgegebenen Farbnuancenklassen so einzusortieren, wie es der Sortierung durch einen menschlichen Prüfer entspricht. Auch geben diese Druckschriften keine Verfahren an, mit denen nichtfarbige lokale Oberflächenfehler, wie Dellen, Blasen, Lunker oder Neigungen der Oberfläche erkannt werden können. Einer automatischen Erkennung solcher Oberflächenfehler steht insbesondere die Tatsache entgegen, es sich dabei um lokale Dickenfehler handelt, die nur in spiegelnder Reflexion zu erkennen sind. Ferner sind Fliesen oft durch erhabene oder aufgedruckte, meist sehr kompliziert geformte Strukturmuster gekennzeichnet, welche oft viel ausgeprägter als die Ober¬ flächenfehler sind, die daher von diesen Strukturmustern nicht oder nur sehr schwer unterschieden werden können.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines industriell einsetzbaren Verfahrens, mit welchem keramische Fliesen und ähnliche Produkte automatisch mit gleicher Differenzierung wie durch menschliche Prüfer in Farbnuancenklassen ein¬ sortiert und zugleich auf Oberflächenfehler geprüft werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe enthält ein Verfahren der eingangs angegebenen Art die folgenden Verfahrensschritte: a) - zur Durchführung einer Farbprüfung wird die Oberfläche jedes Produkts unter diffuser Weißlichtbeleuchtung durch wenigstens eine Farbkamera aufgenommen;

- durch bildpunktweise Farbklassifikation des Bildes der Oberfläche des Produkts mit einem Farbklassifikator, welcher an Hand von zuvor gelernten Gut-Referenzen in dem von den Farbvektoren jedes Bildpunktes aufgespannten

Merkmalsraum als Referenzwolke definiert worden ist, sowie von im gleichen Merkmalsraum festgelegten Gebieten, welche den zulässigen Farbnuancenklassen des Produkts entsprechen, wird ein Bild der Oberfläche des Produkts erzeugt, in welchem jedem Bildpunkt eine Farbnuance zugeordnet ist;

- aus der Häufigkeitsverteilung und/oder der geometri¬ schen Form der den Bildpunkten zugeordneten Farbnuancen erfolgt die globale Einstufung des Produkts in eine von mehreren festgelegten Farbnuancenklassen; b) - zur Durchführung einer Oberflächenprufung wird von wenigstens einer weiteren Kamera das an der Produkt¬ oberfläche gespiegelte oder teilgespiegelte Bild eines Beleuchtungsmusters aus abwechselnden Elementen unter¬ schiedlicher Helligkeit oder unterschiedlicher Farbe unter einem solchen Winkel erfaßt, daß die zwischen der Kamera und dem Beleuchtungsmuster verlaufenden, an der spiegelnden oder teilspiegelnden Oberfläche reflektierten optischen Strahlen durch Unebenheiten der Oberfläche auf Musterelemente anderer Helligkeit oder Farbe als bei fehlerfreier Oberfläche abgelenkt werden, so daß lokale Helligkeits- oder Farbänderungen in dem von der Kamera aufgenommenen Bild auftreten;

- durch Auswertung der lokalen Helligkeits- oder Farb¬ änderungen werden die sie verursachenden Oberflächen¬ fehler erkannt; c) - aus den durch die beiden Prüfungen erhaltenen Informa¬ tionen werden automatisch Signale für die Sortierung der Produkte nach Farbnuancen und Qualitätsklassen abge¬ leitet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 das Schema einer Anordnung zur Erkennung der

Farbnuance und lokaler Farbfehler der Oberfläche einer Fliese mit Hilfe eines Tabellenklassifikators,

Fig. 2 das Schema eines Klassifikators zur Einsortierung der Fliese in eine von mehreren vorgegebenen Farbnuancen,

Fig. 3 eine Abänderung des Klassifikators zur Anpassung der erkannten Farbnuancen an den menschlichen visuellen Eindruck,

Fig. 4 das Schema einer Anordnung bekannter Art zur automatischen Erkennung von Oberflächenfehlern bei fehlerfreier Oberfläche,

Fig. 5 die Anordnung von Fig. 4 bei fehlerhafter Oberfläche,

Fig. 6 das Schema einer Anordnung zur Erkennung von Oberflächenfehlern gemäß der Erfindung,

Fig. 7 eine abgeänderte Ausführungsform der Anordnung von Fig. 6

Fig. 8 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Anordnung zur Erkennung von Oberflächenfehlern gemäß der Erfindung und

Fig. 9 eine schematische Stirnansicht der Anordnung von Fig. 8.

Fig. 1 zeigt schematisch die Erkennung von Farbnuancen bei Fliesen. In einer Trainingsphase wird ein Farbklassifikator gelernt, welcher die Farbverteilung einer Referenzfläche wiedergibt. Hierzu wird das Bild der Oberfläche einer

Referenzfliese 10 von einer Farbkamera 11 unter einer von Lichtquellen 12 erzeugten geeigneten diffusen Beleuchtung aufgenommen. Die Farbkamera 11 kann eine Matrixkamera sein, die ein flächenhaftes Bild der Oberfläche der Referenzfliese oder eines Teils dieser Oberfläche aufnimmt, oder sie kann eine Zeilenkamera sein, die das Bild der Oberfläche zeilen¬ weise aufnimmt, während die Referenzfliese 10 in der Pfeil¬ richtung vor der Farbkamera 11 vorbeigeführt wird. Die von der Farbkamera 11 gelieferten Signale der einzelnen Farb¬ komponenten, beim dargestellten Beispiel die RGB-Signale, werden in Analog-Digital-Umsetzern 13 bildpunktweise digi¬ talisiert. Die digitalisierten RGB-Signale jedes Bildpunktes bilden eine Adresse A0, AI, ... An, welche den durch einen Tabellenspeicher 14 gebildeten Farbklassifikator adressie¬ ren. Durch eine Recheneinheit 15 wird in diesem Tabellen- Speicher 14 während der Trainingsphase das Histogramm der Farbvektoren des von der Referenzfliese 10 gewonnenen Farb¬ bildes gebildet, gegebenenfalls verallgemeinert und an¬ schließend binarisiert. Dieses Verfahren ist im einzelnen in den Dokumenten DE 36 39 636 C2 und WO 94/23276 beschrieben.

Nach Beendigung der Trainingsphase ist im Tabellenspeicher 14 eine Region markiert, welche den am häufigsten vor¬ kommenden Farbvektoren der Referenzfliese 10 entspricht. Diese Region bildet in der Regel eine Wolke 16 benachbarter Farbvektoren, die auch unter der englischen Bezeichnung "düster" bekannt ist.

Das bisher beschriebene Verfahren kann in jeder aus den vorgenannten Druckschriften bekannten Weise durchgeführt werden. So ist es insbesondere möglich, die Referenzfliese und die Prüflinge in der aus der DE 36 39 636 C2 bekannten Weise anstatt mit einer Farbkamera mit mehreren Farbkameras aufzunehmen, die parallel nebeneinanderliegende Bereiche aufnehmen. Ferner kann der Farbklassifikator anstatt im RGB- Farbraum auch in einem anderen geeigneten Farbraum erstellt werden, beispielsweise im IHS-Farbraum, in den die von der Farbkamera gelieferten RGB-Signale umgesetzt werden, wie

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gleichfalls aus der DE 36 39 636 C2 bekannt ist.

Mit den bekannten Verfahren ist es jedoch nicht möglich, ein Problem zu lösen, das insbesondere bei der Herstellung von Fliesen besteht. Da Fliesen nebeneinander an relativ großen Wand- oder Bodenflächen angebracht werden, fallen bereits leichte Farbabweichungen zwischen einzelnen Fliesen störend auf. Es ist daher erforderlich, alle produzierten Fliesen in sehr eng tolerierten Farbklassen, sogenannten Farbnuancen, einzuordnen und zu sortieren. Das nachfolgend beschriebene Verfahren ermöglicht eine solche Erkennung von Farbnuancen.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die im Farbklassifikator 14 gebildete Wolke 16 für einen konstanten Wert der Blau¬ komponente B. Die gelernte Referenzfolge 16 ist in dieser zweidimensionalen Darstellung als flächenhaftes Gebiet zu erkennen, das parallel zur RG-Ebene in der Zeichenebene liegt. Der Schwerpunkt dieses Gebiets entspricht dem am häufigsten vorkommenden Farbvektor der Referenzfliese.

Zur Einsortierung in Farbnuancen wird der Tabellenspeicher 14 nach der Trainingsphase mit weiteren, schalenförmig um die Referenzwolke 16 angeordneten Gebieten belegt. Im dar¬ gestellten Beispiel sind vier solcher Schalen 21, 22, 23, 24 außerhalb der Referenzwolke 16 und in wachsender Entfernung von dieser angelegt worden. Im Schnittbild von Fig. 2 er¬ scheinen diese Schalen als vier ringförmige Regionen, die den Querschnitt der Referenzwolke 16 umgeben. Jede Schale entspricht einer Farbnuance, wobei die näher an der Refe¬ renzwolke liegenden Schalen denjenigen Farbnuancen entspre¬ chen, welche sich nur wenig von der Farbe der Referenzfliese unterscheiden. So liegt in Fig. 2 die Farbnuance der Schale 21 noch sehr nahe bei der Farbnuance der Referenzfliese, während die Farbnuance der Schale 24 bereits eine sehr deutliche Abweichung von der Referenzfliese aufweist.

Daß in dem dargestellten Beispiel alle Schalen außerhalb der gelernten Referenzwolke 16 liegen, geschieht nur aus Gründen

der besseren Verständlichkeit der zeichnerischen Darstel¬ lung. Es ist genauso möglich, Schalen festzulegen, welche sich innerhalb der Referenzwolke befinden. Dies entspricht dann Farbnuancen, welche sich dadurch auszeichnen, daß nicht alle in der Referenzfliese vorhandenen Farben im Prüfling vorhanden sind. Desgleichen können Schalen bestimmt werden, die teilweise innerhalb und teilweise außerhalb der Refe¬ renzwolke liegen.

Im einfachsten Fall werden die Schalen 21 bis 24 nach Fig. 2 so festgelegt, daß sie jeweils einen bestimmten konstanten Abstand vom Rand der Referenzwolke 16 und eine konstante Dicke haben. Eine solche Festlegung ist rechnerisch einfach von der Recheneinheit 15 von Fig. 1 durchzuführen. Sie hat aber den Nachteil, daß dadurch nicht berücksichtigt wird, daß der visuelle Farbdifferenzeindruck selten mit dem geo¬ metrischen Abstand der betrachteten Farbvektoren überein¬ stimmt. Insbesondere ist der geometrische Abstand zweier RGB-Farbvektoren kaum mit dem visuellen Farbdifferenzein¬ druck korreliert; die Farbmetrik in RGB-Farbraum entspricht nicht dem visuellen Farbdifferenzeindruck des Menschen.

Vorzugsweise werden daher die jeweils einer Farbnuance zugeordneten Schalen im dreidimensionalen Farbklassifikator so angelegt, daß sie der visuell wahrgenommenen Farbnuance entsprechen. Dies bedeutet, daß die Schalen im RGB-Farbraum nicht konzentrisch und in gleichen Abständen um die gelernte Farbwolke liegen. Insbesondere werden vorzugsweise die Schalen so verformt, daß sie entlang der Intensitätsachse weiter auseinanderliegen als in den anderen Raumrichtungen des Farbraums. Hierdurch wird berücksichtigt, daß viele Farbnuancen hauptsächlich aus einer Änderung der Helligkeit bestehen, die durch eine falsche Dosierung der Pigmente hervorgerufen ist. Sie haben ihren Ursprung nicht so sehr in Farbfehlern der verwendeten Pigmente, welche in der Regel mit hoher Genauigkeit von der Pigmentindustrie angeboten werden, sondern in der Ungenauigkeit der Konzentration der Pigmente.

In Fig. 3 ist zur Verdeutlichung stark übertrieben die Festlegung von vier Farbnuancen 25, 26, 27, 28 als längliche Schalen um die Referenzwolke 16 dargestellt. Die Längsachsen dieser eher eiförmigen Schalen sind entlang der Schwarz- Weiß-Achse ausgerichtet. Der Wechsel von der Farbnuance 25 über die Farbnuancen 26 und 27 zur extremen Farbnuance 28 bedeutet in diesem Beispiel, daß die Fliesen, die diese Farbnuancen aufweisen, zunehmend heller erscheinen als die Referenzfliese.

Die beliebige Verformung und Positionierung der Farbnuancen- schalen bezogen auf die Referenzwolke ermöglicht eine beson¬ ders feinfühlige Einstellung des Farbnuancenklassifikators, um Zuordnungen zu Farbnuancen zu erhalten, wie sie der manuell arbeitende, ausgeruhte und konzentrierte menschliche Prüfer auch durchführen würde. Die Festlegung der genauen Form und Lage dieser Schalen kann iterativ erfolgen, indem diese Parameter so lange variiert werden, bis die Klassifi¬ kationsergebnisse der automatischen Klassifikation den¬ jenigen eines menschlichen Prüfers entsprechen. Die Durch¬ führung solcher Experimente ist in der Farbmetrik geläufig und braucht daher hier nicht näher erläutert zu werden.

Farbvektoren mit einer sehr großen Abweichung von der Refe¬ renz entsprechen so großen Farbabweichungen, daß nicht mehr von einer Farbnuance, sondern von einem lokalen Farbfehler gesprochen werden muß. Solche lokalen Farbfehler kommen bei der Fliesenproduktion häufig vor, beispielsweise durch Be¬ fall mit schwarzen Rußpartikeln, durch ölflecke usw. Sie können mit dem beschriebenen Verfahren gleichzeitig mit der Prüfung der Farbnuancen detektiert werden. In Fig. 3 ist das Gebiet 29, das alle Positionen des Tabellenklassifika¬ tors außerhalb der Farbnuancenschalen umfaßt, mit dem Code "lokaler Farbfehler" belegt.

Nachdem in der Trainingsphase der Tabellenklassifikator in der zuvor beschriebenen Weise mit dem Gebiet der Sollfarben

der Referenzfliese, d.h. mit der Referenzwolke, sowie mit den Schalen, welche den zu erkennenden Farbnuancen entspre¬ chen, belegt worden ist, kann die eigentliche Prüfung der gefertigten Fliesen beginnen. Diese Prüfung läuft in den folgenden Schritten ab:

a) Das Bild des Prüflings wird in gleicher Weise wie zuvor das Bild der Referenzfliese von einer oder mehreren Farb- kameras aufgenommen.

b) Der Farbvektor jedes Bildpunktes des Farbbildes des Prüf¬ lings adressiert den Tabellenklassifikator, wodurch je¬ weils ein Code ausgelesen wird, welcher der adressierten Farbnuance entspricht. Es entsteht somit ein Bild, in welchem jedem Bildpunkt ein Code für die Zugehörigkeit zu einer Farbnuance bzw. zu einem lokalen Farbfehler zuge¬ ordnet ist. Dieses Bild kann als "Farbnuancenklassenbild" bezeichnet werden.

c) Durch statistische und/oder geometrische Auswertung aller Bildpunkte mit ihrer zugehörigen Farbnuance durch die Recheneinheit 15 wird die dominierende Farbnuance des Prüflings bestimmt. Die statistische Auswertung ist im einfachsten Fall eine Mittelwertbildung, sie kann aber genauer auch über die Auswertung der Häufigkeit des Auftretens der verschiedenen Farbnuancen geschehen. Sinnvolle Entscheidungen für die Festlegung der eigent¬ lichen Farbnuance sind neben dem Mittelwert das Maximum des Farbnuancen-Histogramms, d.h. die am häufigsten vorkommende Farbnuance, oder die Farbnuance, welche einen bestimmten Percentil-Wert des Farbnuancen-Histogramms entspricht.

Vorzugsweise bleiben bei diesem Schritt der Festlegung der globalen Farbnuance lokale Farbfehler, welche sich durch starke Ausreißer in Farbnuancen-Histogramm äußern, unberücksichtigt.

Vorzugsweise wird auch die geometrische Verteilung von Bildpunkten mit gleichen Farbnuancen-Klassen berücksich¬ tigt. So kann es bei stark strukturierten Fliesen sinn¬ voll sein, vereinzelte Bildpunkte mit einer von der Umgebung abweichenden Farbnuancenklasse aus der Mittel¬ wertbildung oder der Histogrammauswertung auszuschließen, da sie in der Regel auf der Restunsicherheit des Klassi- fikators beruhen.

d) Bildpunkte mit einem Farbnuancencode außerhalb der defi¬ nierten Farbnuancen werden als lokale Farbfehler erkannt. Sofern diese Gebiete bestimmte, vorgegebene Toleranz¬ schwellen überschreiten, wird die Fehlermeldung "lokaler Farbfehler vorhanden" erzeugt. Hierbei können als Tole¬ ranzen Maße wie die Anzahl benachbarter Bildpunkte mit Farbfehlern (die "Fehlerfläche") , die Signifikanz der Farbabweichung und ähnliche Maße verwendet werden, welche auch den radiometrischen und geometrischen Eigenschaften der Farbfehler aufbauen.

Um das beschriebene Verfahren robust und auch bei Driften der Kameraelektronik, der Beleuchtung, der Außentemperatur usw. absolut konstant zu halten, kann gemäß einer bevorzug¬ ten Ausführungsform in vorgegebenen Zeitabständen eine An¬ ordnung von Farbreferenzen in das Bildfeld der Kamera ge¬ schwenkt und die gesamte Anordnung automatisch rekalibriert werden.

Eine Alternative hierzu besteht darin, daß bei jeder Bild¬ aufnahme im Bildfeld der Kamera neben dem Prüfling gleich¬ zeitig Farbreferenzen erfaßt werden und permanent eine Autokalibration der Farbinspektionseinrichtung durchgeführt wird.

Neben der Erkennung von lokalen Farbfehlern sowie der Ein- sortierung der Fliesen in eine von mehreren vorgegebenen Farbnuancenklassen müssen dreidimensionale Fehler wie Dellen, Lunker, Blasen und ähnliche Fehler, die sich durch

eine lokale Änderung der Dicke oder der Oberflächenneigung ausprägen, sicher erkannt werden. Diese im diffusen Auflicht unsichtbaren Fehler sind insbesondere bei glatten Wandflie¬ sen störend, da diese Fliesen vom Kunden aus großer Nähe und aus sehr unterschiedlichen Blickwinkeln betrachtet werden, so daß die Fehler dem menschlichen Auge sofort auffallen.

Ein häufig angewendetes bekanntes Verfahren zur Detektion von Oberflächenfehlern, beispielsweise bei der Qualitäts¬ kontrolle von Stahlblechen, beruht auf der Betrachtung der Oberfläche im Hellfeld. Dieses bekannte Verfahren ist in den Figuren 4 und 5 scheraatisch am Beispiel der Prüfung der Oberfläche eines Prüflings 30 dargestellt. Die Oberfläche 31 des Prüflings 30 wird mit einer Lichtquelle 32 in einem flachen Winkel beleuchtet. Eine Kamera 33, die vorzugs¬ weise eine Zeilenkamera ist, empfängt das im Reflexions¬ winkel a reflektierte Licht. Wenn die Oberfläche glatt und fehlerfrei ist, reflektiert sie die gesamte Lichtintensität in die Pupille der Kamera 33. Wenn dagegen die Oberfläche 31 einen Fehler in Form einer Vertiefung 34 aufweist, wie in Fig. 5 dargestellt ist, wird an dieser Vertiefung ein Teil der reflektierten Lichtintensität in den Raum gestreut, so daß weniger Licht in die Eintrittspupille der Kamera 33 gelangt. Solche Fehler erscheinen daher als dunkle Stellen im Kamerabild.

Dieses Verfahren der Hellfeldbetrachtung hat mehrere Nach¬ teile:

1. Bei variabler Produktdicke muß das aus Kamera und Beleuchtung bestehende System mechanisch nachgestellt werden, damit die geometrischen Beziehungen erhalten bleiben.

2. Der Prüfling muß sehr ruhig ohne Winkelbewegungen geführt werden.

3. Bei flachen Vertiefungen ist die Lichtabnahme an der

Kamera sehr klein, so daß sich Fehler nur als sehr kontrastarme Helligkeitsunterschiede äußern.

Diese Nachteile bleiben bestehen, wenn dieses bekannte Ver¬ fahren auf die Inspektion der Oberflächen von Fliesen zur Erkennung von Dellen und ähnlichen Fehlern angewendet wird; sie sind in diesem Fall so gravierend, daß ein robuster industrieller Einsatz nicht möglich ist. Entweder werden Fehler nicht erkannt, oder es entstehen unzumutbar viele Fehlalarme, insbesondere wenn Fliesen mit einer gewünschten Oberflächenstruktur geprüft werden sollen.

Anhand von Fig. 6 wird ein neues Verfahren beschrieben, das die Nachteile des Verfahrens von Fig. 4 und 5 nicht auf¬ weist und insbesondere für die Inspektion von Fliesen geeignet ist. Für die folgende Beschreibung der optischen Vorgänge ist es unerheblich, ob der optische Strahl als von der Kamera ausgehend oder von der Beleuchtung ausgehend angenommen wird. Wesentlich sind nur die geometrischen Verhältnisse, insbesondere die Winkelverhältnisse. Aus Gründen der Anschaulichkeit wird nachfolgend die Richtung der optischen Strahlen von der Kamera zur Beleuchtung gewählt.

Fig. 6 zeigt eine zu prüfende Fliese 40, die in der Richtung des Pfeils verschoben wird und deren spiegelnde oder teil¬ spiegelnde Oberfläche 41 von einer Kamera 42 in einem relativ flachen Winkel a beobachtet wird. Die Kamera 42 kann eine Matrixkamera oder eine Zeilenkamera sein, und sie kann eine Schwarz-Weiß-Kamera oder eine Farbkamera sein. In der folgenden Beschreibung wird zunächst angenommen, daß sie eine Schwarz-Weiß-Zeilenkamera ist, die so angeordnet ist, daß die Zeilenrichtung quer zur Vorschubrichtung und parallel zur Oberfläche 41 der Fliese 40 verläuft. Eine Beleuchtungseinrichtung 43 hat eine weiße leuchtende Fläche 44, auf der eine Reihe von schwarzen Streifen 45 angebracht sind, die parallel zur Oberfläche 41 der Fliese 40 ausge¬ richtet sind. Im einfachsten Fall besteht die Beleuchtungs-

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einrichtung 43 aus einem Lichtkasten 47, der im Inneren mehrere Lichtquellen 48 enthält und dessen Vorderseite durch eine lichtdurchlässige Platte oder Folie 44 mit aufgebrach¬ ten lichtundurchlässigen schwarzen Streifen 45 abgedeckt ist, zwischen denen die Platte oder Folie 44 helle Streifen 46 bildet. Die abwechselnden schwarzen und hellen Streifen 45 und 46 bilden somit die Elemente eines Beleuchtungs¬ musters, das die Oberfläche 41 der Fliese 40 beleuchtet.

Die Zeilenkamera 42 sieht eine Zeile des Spiegelbildes des Beleuchtungsmusters, die infolge des Vorschubs der Fliese 40 aufeinanderfolgenden Zeilen des Bildes der Fliesenoberfläche 41 überlagert ist. Wenn die Reflexion an einer fehlerfreien Stelle der Fliesenoberfläche 41 erfolgt, wie in Fig. 6 an der Stelle 49 angedeutet ist, stammt diese Zeile, je nach der Dicke der Fliese und der Winkelanordnung der Zeilen¬ kamera 42 und der Beleuchtungseinrichtung 43, entweder von einem schwarzen Streifen 45 oder von einem dazwischenliegen¬ den hellen Streifen 46 der Leuchtfläche 44. In jedem Fall erzeugt eine glatte Fliesenoberfläche, wenn die Fliese 40 in der Pfeilrichtung an der Zeilenkamera 40 vorbeigeht, ein Bild mit einer homogenen gleichförmigen Helligkeit, das entweder gleichmäßig hell oder gleichmäßig dunkel ist.

Weist jedoch die Oberfläche 41 der Fliese 40 einen Fehler auf, wie den in Fig. 6 dargestellten dellenförmigen Fehler 50, so wird der zwischen der Kamera 42 und der Beleuchtungs¬ einrichtung 43 verlaufende optische Strahl durch die von 0° abweichende lokale Neigung der Oberfläche an der Reflexions¬ stelle 51 von der ursprünglichen Richtung abgelenkt, so daß er auf einen anderen Bereich des Beleuchtungsmusters auf¬ trifft, bei dem in Fig. 6 dargestellten Beispiel auf einen hellen Streifen 46. Somit verursachen Fehler der Oberfläche erhebliche lokale Helligkeitsänderungen in dem von der Zeilenkamera 42 erfaßten Bild, die sich deutlich von dem sonst homogenen Bild abheben. Wenn die Dicke der Fliese 40 nicht bekannt ist, kann von vornherein nicht gesagt werden, ob das homogene Bild bei einer fehlerfreien Oberfläche

konstant hell oder konstant dunkel ist. Dies ist aber auch nicht erforderlich, da sich in jedem Fall Fehler der Ober¬ fläche, die die Form von Vertiefungen oder Erhöhungen haben, in lokalen Helligkeitsänderungen in dem von der Zeilenkamera aufgenommenen Bild äußern.

Wenn die Kamera 42 eine Matrixkamera ist, erfaßt sie nicht nur das Spiegelbild einer Zeile des Beleuchtungsmusters, sondern das Spiegelbild des ganzen Beleuchtungsmusters oder eines Ausschnitts davon. Das aufgenommene Spiegelbild zeigt also bei einer fehlerfreien Oberfläche 41 die abwechselnden dunklen und hellen Streifen 45 und 46 des Beleuchtungs¬ musters. Bei fehlerhafter Oberfläche 41 erscheinen in diesem Spiegelbild wieder lokale Helligkeitsänderungen am Ort jedes Fehlers, also helle Stellen in den dunklen Streifen und dunkle Stellen in den hellen Streifen. Während bei Verwen¬ dung einer Zeilenkamera zur Prüfung der gesamten Oberfläche 41 die Erfassung einer Zeile des Beleuchtungsmusters wieder¬ holt werden muß, bis die gesamte Oberfläche 41 durch die Reflexionsstelle dieser Zeile hindurchgegangen ist, genügt bei Verwendung einer Matrixkamera eine einzige Aufnahme in dem Zeitpunkt, in dem das erfaßte Spiegelbild von der ge¬ samten Oberfläche 41 reflektiert wird. Wenn das Bildfeld der Matrixkamera oder die Größe des Beleuchtungsmusters hierzu nicht ausreicht, können mehrere Aufnahmen des von verschie¬ denen Bereichen der Oberfläche 41 reflektierten Spiegel¬ bildes nacheinander gemacht werden.

Die lokalen Helligkeitsänderungen werden in erster Linie durch die lokalen Änderungen des Neigungswinkels der reflek¬ tierenden Fläche verursacht. Selbst wenn der Fall eintritt, daß der am Boden einer Vertiefung reflektierte optische Strahl wieder auf einen Bereich der Beleuchtungseinrichtung 43 auftrifft, der die gleiche Helligkeit hat wie der Bereich, auf den der an der fehlerfreien Oberfläche reflek¬ tierte optische Strahl auftreffen würde, gibt es doch zwischen diesen Reflexionsstellen eine Übergangszone mit anderen Flächenneigungen, durch die der optische Strahl so

abgelenkt wird, daß er auf der Beleuchtungseinrichtun 43 Bereiche unterschiedlicher Helligkeit überstreicht. Dadurch entstehen in dem von der Kamera 42 aufgenommenen Bild der Oberfläche 41 um den Umfang der Vertiefung verlaufende Rand¬ zonen unterschiedlicher Helligkeit, die deutlich in Erschei¬ nung treten. Desgleichen verursachen Risse oder Rillen lang¬ gestreckte Streifen unterschiedlicher Helligkeit, die den Verlauf des Oberflächenfehlers erkennen lassen.

Solche lokalen Helligkeitsänderungen können mit bekannten Verfahren der Bildverarbeitung, wie Gradientenfilterung, Subtraktion mit Betragsbildung oder dergleichen leicht vom homogenen Hintergrund automatisch unterschieden werden. Diese Verfahren sind dem Fachmann der Bildverarbeitung be¬ kannt. Somit wird durch das beschriebene Verfahren erreicht, daß sich bei gleichbleibender mechanischer Anordnung der Kamera 42 und der Beleuchtungseinrichtung 43 trotz unter¬ schiedlicher Fliesendicke Fehler der Fliesenoberfläche immer durch starken lokalen Helligkeitskontrast äußern.

Die automatische Fehlererkennung erfolgt bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen Bildrechner 52, dem das Ausgangssignal der Kamera 42 über einen Digital- Analog-Umsetzer 53 zugeführt wird und der zur Durchführung der zuvor erwähnten Bildverarbeitung programmiert ist. Der Bildrechner 52 kann einen Bildspeicher enthalten, in dem das von der Kamera 42 aufgenommene Bild abgespeichert und dann ausgewertet wird.

In Fig. 7 ist eine andere Ausführungsform der Anordnung zur Erkennung von Oberflächenfehlern dargestellt. Die Anordnung von Fig. 7 unterscheidet sich von der Anordnung von Fig. 6 nur durch eine andere Ausbildung der Beleuchtungseinrichtung 55, die durch mehrere parallel zueinander und parallel zur Oberfläche 41 der Fliese 40 angeordnete längliche Leucht¬ körper 56 gebildet ist, die sich quer zur Vorschubrichtung der Fliesen erstrecken. Die übrigen Bestandteile der Anord¬ nung von Fig. 7 entsprechen denjenigen der Anordnung von

Fig. 6 und sind mit den gleichen Bezugszeichen wie dort bezeichnet. Die Leuchtkörper 56, die beispielsweise durch Gasentladungsröhren gebildet sein können, wirken als leuchtende Streifen, während die Zwischenräume zwischen den Leuchtkörpern 56 den Effekt der dunklen Streifen 45 der Beleuchtungseinrichtung 43 von Fig. 6 ergeben, so daß die Beleuchtungseinrichtung 55 von Fig. 7 hinsichtlich der Erfassung des Bildes der Fliesenoberfläche 41 durch die Kamera 42 die gleiche Wirkung wie das Streifenmuster der Beleuchtungseinrichtung 43 von Fig. 6 ergibt. In diesem Fall bilden also die Leuchtkörper 56 und die Zwischenräume zwischen den Leuchtkörpern die abwechselnden Elemente des Beleuchtungsmusters. Im Extremfall genügt bei Verwendung einer Zeilenkamera ein einziger Leuchtkörper 56, der so angeordnet ist, daß der an der fehlerfreien Fliesenober¬ fläche 41 reflektierte optische Strahl auf diesen Leucht¬ körper auftrifft.

In den Figuren 8 und 9 ist eine weitere Ausführungsform der Anordnung zur Erfassung von Oberflächenfehlern dargestellt, wobei Fig. 8 eine Seitenansicht und Fig. 9 eine Stirnansicht zeigt. Dies Figuren zeigen wieder eine Fliese 40, die in der Pfeilrichtung vorgeschoben wird und deren Oberfläche 41 mit Hilfe einer Kamera 60 und einer Beleuchtungseinrichtung 61 in spiegelnder Reflexion auf Oberflächenfehler geprüft wird. Im Unterschied zu den Anordnungen von Fig. 6 und 7, bei denen die spiegelnde Reflexion in einem flachen Winkel erfolgt, sind bei der Anordnung von Fig. 8 und 9 die Kamera 60 und die Beleuchtungseinrichtung 61 senkrecht über der Fliese 40 angeordnet, und die spiegelnde Reflexion erfolgt in einem Winkel von nahezu 90°. Bei dem dargestellten Beispiel ist die Kamera 60 eine Zeilenkamera, und die Beleuchtungs¬ einrichtung 61 besteht aus einer Anzahl von punktför igen Lichtquellen 62, die so angeordnet sind, daß bei fehler¬ freier Fliesenoberfläche 41 ein von jeder Lichtquelle 62 kommender Lichtstrahl, der an einem Punkt der von der Zeilenkamera 60 erfaßten Zeile der Fliesenoberfläche 41 reflektiert wird, in die Pupille der Zeilenkamera 60

eintritt. Somit wird die Anordnung der Lichtquellen 62 von der Kamera 60 in dem an der Fliesenoberfläche 41 reflek¬ tierten Spiegelbild beobachtet, und Fehler der Fliesen¬ oberfläche, die zur Ablenkung der reflektierten Licht¬ strahlen führen, verursachen in gleicher Weise wie bei den Anordnungen von Fig. 6 und 7 lokale Helligkeitsänderungen in dem Bild der Fliesenoberfläche, die zur Erkennung der Ober¬ flächenfehler ausgewertet werden können.

Die Ausführungsform von Fig. 8 und 9 ist günstig, wenn es aus räumlichen Gründen nicht möglich ist, die Kamera und die Belauchtungseinrichtung so niedrig über den Fliesen anzuord¬ nen, wie dies bei den Anordnungen von Fig. 7 und 8 erforder¬ lich ist. Auch bei dieser Ausführungsform kann anstelle einer Zeilenkamera eine Matrixkamera verwendet werden, wobei dann anstelle der punktförmigen Lichtquellen 62 längliche Leuchtkörper, beispielsweise Gasentladungsröhren, verwendet werden, die parallel zur Fliesenoberfläche 41 angeordnet werden.

Zur Fehlererkennung aufgrund der beschriebenen lokalen Helligkeitsänderungen genügt es bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen, wenn die verwendeten Kameras Schwarz- Weiß-Kameras sind. Es ist jedoch auch möglich, die Streifen¬ beleuchtung durch eine Anordnung paralleler farbiger Streifen auszubilden und für die beobachtende Kamera eine Farbkamera zu verwenden. Oberflächenfehler, wie Dellen oder dergleichen, führen dann zu lokalen Farbabweichungen gegen¬ über einem sonst homogenen Farbbild, die mit den gleichen Verfahren wie die Farbnuancen und lokalen Farbfehler bei dem anhand der Figuren 1 bis 3 erläuterten Verfahren detektiert werden können.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, das Beleuchtungsmuster anstatt durch parallele Streifen durch eine zweidimensionale Anordnung kontrastreicher Elemente (schwarz-weiß oder farbig) zu gestalten, so daß die Ablenkung der Lichtstrahlen in beiden Raumrichtungen immer

zu einem Helligkeitsunterschied bzw. zu einem Farbunter¬ schied führt. Dies kann beispielhaft durch eine regelmäßige Anordnung von schwarzen oder farbigen Punkten auf einem hellen Hintergrund geschehen.

Das Beleuchtungsmuster kann auch in Abhängigkeit von dem jeweils zu untersuchenden Oberflächentyp wechselnde Struk¬ turen haben, die so gewählt werden, daß die zu erfassenden Oberflächenfehler maximale Helligkeitsänderungen bzw. Farb¬ änderungen in dem von der Kamera aufgenommenen Bild ergeben. Zum Zweck des schnellen Wechsels des Beleuchtungs usters kann vorgesehen werden, daß die Struktur des Beleuchtungs¬ musters rechnergesteuert veränderbar ist. Dies läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, daß das Beleuchtungsmuster auf einer Flüssigkristallanzeige ereugt wird.

Es ist dann auch möglich, zur besseren Erkennung von Oberflächenfehlern von dem gleichen Bereich der Oberfläche mehrere Bilder mit jeweils anderem Beleuchtungsmuster aufzunehmen und die Oberflächenfehler durch Auswertung dieser mehreren Bilder zu ermitteln.

Bei reliefartig strukturierten Fliesen werden vor der Fehlererkennung diejenigen Bereiche der Fliesenoberfläche ausmaskiert, in denen sich diese Strukturen befinden. Das Maskenbild der Strukturen kann dem System elektronisch durch Einlesen der Entwurfsdaten mitgeteilt werden. Es kann aber auch automatisch mit der gleichen Anordnung aufgenommen werden, wie sie gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungs¬ beispielen zur Detektion von Oberflächenfehlern verwendet wird, da diese Strukturen ebenfalls den Lichtstrahl ab¬ lenken. Dellen und ähnliche Fehler werden dann nur in den glatten Bereichen gemeldet. Dies ist zulässig, da solche Fehler in den gewollten reliefartigen Strukturen ohnehin unsichtbar bleiben. Die Wahrscheinlichkeit von Fehlalarmen wird hierdurch erheblich verringert.

Die beiden zuvor beschriebenen optischen Prüfungen der

Fliesen zur Ermittlung von Farbnuancen und Farbfehlern einerseits und zur Ermittlung von Oberflächenfehlern andrerseits können in zwei verschiedenen Zonen durchgeführt werden. Wenn die Fliesen auf einer Fördereinrichtung kontinuierlich vorgeschoben werden, können diese beiden Zonen entlang der Förderstrecke hintereinander liegen. Es ist jedoch auch möglich, die beiden Prüfungen in einer gemeinsamen Zone gleichzeitig durchzuführen. In diesem Fall werden vorzugsweise die Beleuchtungseinrichtung und die Kamera für die Oberflächenprufung für einen Wellenlängenbereich ausgelegt, für den die für die Farbprüfung verwendeten Kameras nicht empfindlich ist. Ein solcher Wellenlängen¬ bereich ist z.B. der Bereich des nahen Infrarot ab etwa 700 nm. Diese Maßnahme ergibt den Vorteil, daß die beiden Systeme in der gleichen Zone installiert werden können und sich trotzdem gegenseitig nicht stören. Dadurch läßt sich eine kompaktere und kostengünstigere Bauweise im Vergleich zu einem System mit zwei getrennten Inspektionszonen erreichen.

Da in diesem Fall die Prüfergebnisse der Farbprüfung und der Oberflächenprufung für jede Fliese gleichzeitig erhalten werden, ist es auf besonders einfache Weise möglich, zur Vermeidung von Fehlalarmen und zur Verbesserung der Fehler¬ erkennung die Informationen der für die Erkennung der Farb¬ nuancen und der lokalen Farbfehler zuständigen Kamera mit den Informationen der für die Detektion von Oberflächen¬ fehlern zuständigen Kamera zu kombinieren. Fehler, die in beiden Systemen nur schlecht erkennbar sind, wie z.B. schmale Risse, werden durch Überlagerung der Feststellungen der beiden nach völlig unterschiedlichen Prinzipien arbei¬ tenden Systeme in ihrem Aussagewert angehoben und damit erkennbar.

Eine solche Verknüpfung der von den beiden Systemen gelie¬ ferten Informationen ist jedoch auch dann möglich, wenn die beiden Prüfungen nacheinander in verschiedenen Zonen durch¬ geführt werden. In diesem Fall werden die Ergebnisse der

ersten Prüfung für jede Fliese gespeichert und dann, wenn die gleiche Fliese der zweiten Prüfung unterzogen wird, mit den Ergebnissen der zweiten Prüfung kombiniert. Dabei spielt es keine Rolle, welche der beiden Prüfungen zuerst durch¬ geführt wird.

Unter einer Kamera im Sinne der vorstehenden Beschreibung ist jeder bildgebende elektronische Sensor zu verstehen, der ein optisch aufgenommenes Bild in elektrische Bildsignale umsetzen kann. Hierzu gehören außer den bereits erwähnten Zeilen- und Matrix-Kameras beispielsweise auch punktweise arbeitende Scanner. Unter einer Schwarz-Weiß-Kamera ist ein monochromer bildgebender Sensor dieser Art zu verstehen, der alle Grauwerte zwischen Schwarz und Weiß erfassen und in Grauwertsignale umsetzen kann.