Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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WO 2004/016362 PCT/FR2003/002500
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Système d'analyse ou d'inspection automatique d'objets
défilant sur un support
La présente invention concerne le domaine de l'inspection et/ou
de la reconnaissance optique de produits ou d'articles, en particulier en
relation avec un tri de ces objets, et a pour objet un système et un procédé
améliorés pour la reconnaissance et/ou l'inspection d'objets, en particulier
s de contenants, d'emballages ou analogues.
Il existe déjà de nombreux dispositifs, installations et procédés
pour la reconnaissance et/ou l'inspection d'objets dans lesquels les objets
défilent en flux planaire sur un support, tels que par exemple ceux décrits
dans la demande de brevet français n° O1 03700 du 19 mars 2001 (numéro
lo de publication 2 822 235).
Les machines de tri du marché à architecture planaire
fonctionnent avec des tapis convoyeurs noirs, généralement en caoutchouc.
Pour la fiabilité du fonctionnement industriel, ces machines,
notamment celle de la demande précitée, fonctionnent avec un éclairage et
ls un système de détection tous deux placés au-dessus du convoyeur. Elles
utilisent donc la lumière rétro-diffusée par les objets analysés, et non la
lumière transmise à travers les objets.
Il peut s'agir
- de tri dit "couleur" effectué par caméra vidéo fonctionnant
2o dans le domaine visible (400 à 800 nm),
- de tri dit "matière" fonctionnant dans le domaine infra-rouge
proche ou I~IIR (proche infra-rouge : 800 à 2 500 nm).
La lumière rétro-diffusée par les objets est faible, notamment
pour les objets transparents. Si on prend comme référence une feuille de
2s papier blanc (niveau 100 %), un plastique opaque blanc renvoie 60 à 80
dans le NIR, et jusqu' à 100 % dans le visible ; le tapis en caoutchouc noir
renvoie environ 15 %, et un objet transparent lisse comme une bouteille de
soda incolore renvoie 20 % de lumière, dont 15 % provenant du tapis. Dans
le cas d'un objet non lisse, comme une bouteille cannelée, le niveau final
3o est un peu meilleur : 25 à 30 %, dont 15 % provenant toujours du tapis.
Des niveaux aussi faibles expliquent pourquoi ces objets sont
difficiles à détecter. Des caractéristiques très visibles restent
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reconnaissables, par exemple la signature d'un PVC (polychlorure de
vinyle) par rapport à un PET (polyéthylène térephtalate) analysée en NIR.
Par contre, des différences plus fines deviennent difficilement visibles,
telles que
s - distinction entre PET et PET-G (domaine NIR),
- distinction entre objets incolores et objets azurés légers
(domaine visible).
LTne solution rencontrée dans l'industrie consiste à fonctionner
en transmission sans support : on analyse les objets durant leur chute en
lo plaçant de part et d'autre du flux d'objets l'éclairage et le détecteur.
Par
exemple, on place le détecteur au-dessus du flux et l'éclairage en dessous.
Un grave inconvénient de cette approche est qu'au moins un des deux
éléments est rapidement sali par le passage du flux.
La présente invention a pour but de pallier les inconvénients
1s des systèmes et procédés actuels et de surmonter leurs limitations.
L'invention se propose, en outre, d'apporter une solution
pouvant être mise en oeuvre tant dans le cadre de la détection ou du tri
"matière", que dans le cadre de la détection et du tri "couleur".
A cet effet, l'invention a pour objet un système ou dispositif
2o d'analyse ou d'inspection automatique d'objets défilant sur un support,
comprenant au moins un moyen d'éclairage, préférentiellement à large
spectre, et au moins un moyen de détection ou détecteur, tous deux placés
au-dessus du flux d'objets, les objets étant pour une part au moins
transparents, système caractérisé en ce que le support réfléchit de façon
2s diffuse une rilajorité, au moins 50 %, de la lumière reçue dans le domaine
spectral d'intérét.
Avantageusement, le support réfléchit au moins 70 % de la
lumière reçue et, de manière préférée, la surface du support sur laquelle
reposent les objets est de couleur blanche.
3o Le système peut en outre comprendre un moyen ou un poste de
nettoyage du support, notamment au moins de la surface du support portant
les objets, ledit support se présentant sous la forme d'une bande ou d'un
tapis de convoyage sans fin, circulant en boucle.
Ainsi, le principe à la base de l'invention est d'utiliser un
3s support blanc pour éliminer les inconvénients de l'état de la technique
évoqués ci-dessus.
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Le matériau pour la réalisation de tels
supports, sous forme de tapis ou de bande de convoyeur, peut par exemple
être du caoutchouc ou un polymère blanc.
L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci
s après, qui se rapporte à un mode de réalisation préféré, donné à titre
d'exemple non limitatif, et expliqué avec référence au dessin schématique
annexé, dans lequel la figure unique est une représentation schématique
partielle d'un système selon l'invention.
Dans ce qui suit, le support 3 mobile portant les objets 2 à
analyser et à inspecter pourra également être désigné par tapis, convoyeur
ou bande.
Ainsi, conformément à l'invention représentée à la figure
annexée, le système 1 comprend au moins un moyen d'éclairage 4,
préférentiellement à large spectre, et au moins un moyen de détection ou
~s détecteur 5, tous deux placés au-dessus du flux d'objets 2, les objets
étant
pour une part au moins transparents, système caractérisé en ce que le
support 3 réfléchit de façon diffuse une majorité, au moins 50 %, de la
lumière reçue dans le domaine spectral d'intérêt.
Avantageusement, le support 3 réfléchit au moins 70 % de la
20 lumière reçue et de manière préférentielle il est réalisé en ou recouvert
d'un
matériau blanc.
De manière générale, on appelle blanc un objet quand il
réfléchit un pourcentage élevé (au moins 70 %) de toutes les radiations
reçues dans le domaine spectral d'intérêt : ainsi, un tapis qui réfléchit au
2s moins 70 % de l'intensité comprise entre 800 et 2 500 nm est "blanc" dans
le domaine NIR.
Si l'éclairement total reçu par unité de surface est noté E,
fémittance totale du support (dans toutes les directions) est R x E, où R, la
réflectance du support, vaut au moins 70 %.
3o La définition du terme "blanc" dans le cadre de la présente est
plus large, puisqu'il n'est pas nécessaire que R soit identique dans toutes
les
longueurs d'onde : il suffit que les proportions restent élevées et fixes dans
le temps (Par exemple, 82 % à 1 100 nm, 90 % à 1 500 nm, 70 % à
1 700 nm).
3s Dans le cadre d'une mise en oeuvre préférée de l'invention, on
considère un objet 2 partiellement transparent posé sur un support blanc 3 et
éclairé par le haut selon un angle oblique par rapport à la verticale du
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support 3, pour éviter les réflexions spéculaires. Le détecteur 5 recevant
la lumière est également placé au-dessus de l'objet 2, mais pas
nécessairement dans le même alignement que le moyen d'éclairage 4 large
spectre. On choisit simplement la disposition de sorte que les rayons
s spéculaires (en pointillés sur la figure) ne vont pas vers le détecteur 5.
On suppose l'objet 2 parfaitement lisse, de sorte qu'aucun
rayon spéculaire ne touche le détecteur 5.
La lumière L reçue par ce dernier est alors constituée par le
cumul des trois fractions suivantes
lo - la fraction Ds de réflexion diffuse de la couche supérieure 2'
de l'objet 2 ; cette lumière a traversé en partie ladite couche supérieure ;
- la fraction Di de réflexion diffuse de la couche inférieure 2"
de l'objet 2, qui a traversé en partie cette couche inférieure, et a traversé
deux fois complètement la couche supérieure : à l'aller et au retour ;
ls - la fraction T x R réfléchie par la surface du support 3, qui a
traversé complètement quatre épaisseurs de l'objet 2 : les deux couches 2' et
2" de l'objet avant de toucher le support, et ces mêmes deux couches ~' et 2"
lors du retour. Dans cette fraction, R est la réflectance du support et T
représente les pertes liées à la transmission à travers l'objet (voir plus
loin).
2o Le détecteur 5 ne reçoit bien sûr qu'une faible partie de cette
lumière : cette partie est proportionnelle à la taille du pixel observé
(fenêtre
ou zone d'observation élémentaire) et à la dimension de l'optique réceptrice
associée au détecteur 5, l'ensemble étant caractérisé par un coefficient
unique de captage, noté C.
2s On a alors simplement : L = (Ds + Di + T x R) x E x C (1)
Quant à un pixel appartenant au support, il renvoie vers le
détecteur 5 : Ls = R x E x C (2)
Si on fait l'acquisition (par balayage) de l'image d'une bouteille
de verre parfaitement transparent, produit qui n'absorbe pas dans finfra
3o rouge, on a Ds = Di = 0. Par ailleurs, d'après les lois de la réflexion
pour des
matériaux d'indice de réfraction valant environ 1,5 (cas de la bouteille de
verre), on sait que les pertes par réflexion spéculaire à chaque interface
optique (dioptre) sont d'environ 4 % du flux incident dans les conditions de
la figure (incidences non rasantes). Sur la figure l, on compte en tout neuf
3s dioptres (deux pour chacune des quatre couches d'objet traversées, plus un
sur le support).
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Le terme T est alors donné par la formule
suivante, dans le cas précité : T = (1 - 0,04)9 = 0,69, ou 69 % .
En divisant l'une par l'autre les équations ( 1 ) et (2), on trouve
L/Ls = T.
s Dans ce cas, T représente directement le ratio de luminance
mesuré entre l'objet 2 et le support 3 : on mesure effectivement en pratique
une chute d'environ 30 %, ce qui confirme la validité du modèle.
En remplaçant l'objet en verre par un plastique transparent,
deux effets se compensent, à savoir
- des termes Di et Ds non nuls s'ajoutent au signal mesuré ;
- T est diminué de plusieurs façons : pertes par diffusion dans
chaque couche traversée (quatre en tout), et pertes par absorption dans ces
mêmes couches (ces pertes là sont favorables, car ce sont elles qui chargent
T en information utile, à savoir l'absorption sélective du matériau). Nous
ls retiendrons simplement que T est inférieur à sa valeur précédente
T < 69 %.
Un premier avantage du système 1 proposé ci-dessus en
relation avec la figure 1 consiste dans le fait que l'on peut utiliser le
support
3 lui-même comme référence, sans que fon ait besoin d'un objet témoin.
20 (Ce n'est pas possible avec un support noir, car les niveaux de signal sont
trop faibles et pas assez répétitifs pour être exploitables en ce sens. On
utilise donc en lieu et place une plaque amovible en métal).
Le niveau 100 % est alors, par définition, celui du support
blanc 3 vide d'objet, dans les conditions d'éclairage normales. On convertit
2s donc les mesures absolues sur le détecteur en intensités relatives à la
luminance locale du support : I = L/Ls.
En appliquant (1) et (2), on trouve : I = (Di + Ds) / R + T (3)
En d'autres termes, on évalue les luminances des objets 2
relativement au support 3 et non pas relativement à un réflecteur diffus
3o parfait. Cette définition permet des contrôles faciles et fréquents en
ligne, et
permet même une mise à jour fréquente de la référence : il suffit d'acquérir
une image d'une zone du support dëpourvue d'objet et d'en faire une
nouvelle référence, et on inclut ainsi en continu des effets de vieillissement
des lampes, des capteurs, de salissure du support, des vitres de protection,
3s etc, dans le traitement et l'évaluation des signaux récupérés.
Selon l'invention, le procédé de détection ou d'inspection mis
en oeuvre par le système de la figure annexée mesure donc la valeur de Ls
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- en chaque point du support,
- pour chaque capteur (plage de longueur d'ondes, ou "voie"),
- en continu, (en ne retenant que les pixels appartenant au
support pour les mises à jour).
s Un deuxième avantage du système 1 proposé ci-dessus est
qu'on améliore la détection de présence d'un objet 2 transparent sur le
support 3.
La méthode la plus simple pour détecter la présence d'un objet
est de mesurer son écart de luminance avec le support.
On détecte simplement que : I = (Di + Ds) / R + T ~ 1.
Pour un plastique transparent incolore lisse, on mesure des
valeurs Ds + Di ~ 5 à 10 %, T ~ 60 % ; pour un support blanc, on mesure R
80 %. On trouve I ~ 65 à 70 %.
La luminance totale est de 65 à 70 % de celle du support, et
~s dominée par la transmission.
Au contraire sur support noir, on mesure R ~ 15 %, et Di + Ds
est inchangé.
On a alors Im~, = 5/15 + 0,6 = 0,93 et Im~ = 10/15 + 0,6 = 1,27.
La luminance est peu supérieure à celle du support et risque
2o même d'être égale. Donc, la détection de présence est beaucoup plus facile
avec support blanc, car la distinction est beaucoup plus nette.
En résumé, l'effet principal qui améliore la détection sur
support blanc est que la luminance est inférieure au support et non
supérieure, et ce à cause des pertes par réflexion spéculaire à toutes les
2s interfaces.
Il convient toutefois de noter que sur un support blanc, toute
brillance sur l'objet, due à des rayons spéculaires frappant le détecteur à
cause d'orientations inappropriées, peut inverser le résultat : l'objet peut
alors apparaître nettement plus lumineux que le support.
3o Par ailleurs, dans le cas d'objets 2 opaques, T = 0, et seul Ds est
non nul : le support ne joue aucun rôle. On a : I = Ds / R.
Donc, la distinction objet/support peut s'effacer totalement si
Ds = R, c'est-à-dire si l'objet est opaque et blanc comme le support. La
présence d'objets blancs peut alors ne pas être détectée. Toutefois, dans la
3s pratique, ceci se produit rarement avec les bouteilles plastiques en TTIR.
Même une bouteille en PERD blanche est plutôt "grise" en NIR : elle
absorbe 30 à 40 % des radiations.
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En résumé, un support blanc permet une bonne
détection de présence pour tous les objets autres que ceux parfaitement
opaques et blancs.
Un troisième avantage du montage décrit est de détecter les
s objets noirs ou sombres. Cela semble évident avec ce qui précède, mais
cette catégorie d'objets est indétectable sur support noir.
En effet, en cas de tri visuel, le fait que l'objet est noir constitue
la totalité de l'information.
En cas de tri matière, il reste encore à déterminer son spectre,
lo ce qui peut être difficile, avec des niveaux de signal très faibles. Même
si le
spectre n'est pas reconnu, on peut au moins écarter l'objet du flux principal
en tant qu'objet noir, à retrier par un système spécialisé. Cette stratégie
est
adaptée aux emballages, où les objets noirs et sombres sont très
minoritaires.
1 s Un quatrième avantage du système décrit et représenté sur la
figure annexée est d'améliorer le contenu utile de la lumière reçue par le
détecteur 5.
Il convient de rappeler, à ce sujet, que ce sont les absorptions
différentielles entre les différentes voies du système qui donnent
20 l'information utile : un produit apparaît rouge quand il absorbe les
radiations vertes et bleues (plus que les rouges).
Le support lui-même a ses intensités (voir formule 3) égales à 1
pour toutes les voies, alors qu'elles sont variables pour les autres objets.
On dispose donc d'un deuxième moyen pour distinguer l'objet
2s du support, au cas où la luminance moyenne (sur toutes les voies) seraient
très proche de celle du support.
En terme de procédé de détection ou d'inspection, on pouiTa
réaliser la discrimination au niveau de l'appartenance d'un pixel relevé par
le détecteur de la manière suivante
30 - si la luminance moyenne est proche de 1 et si les luminances
de chaque voie sont proches de 1 ;
- alors ledit pixel appartient au support 3 ;
- sinon ledit pixel appartient à un objet 2 ou correspond à un
objet.
3s En pratique, on mesure sur le support des écarts d'intensités
relatives (voir formule (3)) entre voies de 1 à 3 %. Au contraire, pour les
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objets à analyser, les différences entre voies sont comprises entre 5
et 50 %, ce qui permet une bonne distinction.
Ce contenu utile est présent un peu dans le terme Ds (diffusion
dans une couche), nettement plus dans le terme Di (deux couches traversées
s complètement, plus une diffusion), et encore plus dans le terme T (quatre
couches traversées).
Sur support noir, ces trois termes sont d'importance
comparable. De plus, le support noir tend à polluer le signal par sa propre
signature spectrale, qui n'est pas neutre.
lo Sur support blanc, le terme T est nettement dominant : on
bénéficie ainsi de quatre couches d'objet traversées. De plus, si le support
sert de référence, sa propre signature spectrale est neutre, et n'est donc
plus
gênante. Ainsi, en théorie, même si le support est en PVC blanc, et qu'on
pose dessus une bouteille de PVC transparent, il est possible de la
ls distinguer.
Bien sûr, pour un objet opaque, le choix du support ne change
rien au contenu utile, mais les signatures sont généralement déjà très
bonnes.
Un point à noter dans le cadre de la mise en oeuvre pratique de
20 (invention est la contrainte de conserver le support blanc relativement,
voire très propre, en particulier pour la détection couleur.
En effet, la propreté du support est un problème connu dans le
visible, où une saleté colorée sur le support peut déformer les couleurs des
objets transparents posés dessus. Par contre, il est très peu probable qu'une
2s saleté ait une signature proche de celle du matériau à analyser dans le
NIR.
L'application de l'invention se fera donc en priorité pour le tri
matière, et d'abord dans des milieux où le support est lavé relativement
fréquemment, notamment sur des lignes de lavage de bouteilles plastiques.
Si le lavage est suffisant, on pourra envisager d'utiliser un support blanc
3o pour des distinctions couleurs fines d'objets transparents.
Comme le montre la figure annexée, le système pourra
également comprendre un moyen ou un poste 7 de nettoyage du support 3,
notamment au moins de la surface du support portant les objets 2, ledit
support se présentant sous la forme d'une bande ou d'un tapis de convoyage
3s sans fin, circulant en boucle.
Enfin, une unité informatique 8 assurera le pilotage des moyens
4, 4', 5 et/ou 7 et du support 3, ainsi que le traitement des signaux relevés
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par le détecteur 5 et l'évaluation de ce dernier, par exemple en vue d'une
action ultérieure sur les objets 2 analysés ou inspectés.
La réalisation détaillée et le mode de fonctionnement du
système selon l'invention ne seront pas décrits plus avant, ces informations
s étant accessibles à l'homme du métier compte tenu de la pluralité de
systèmes existants.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de
réalisation décrit et représenté au dessin annexé. Des modifications restent
possibles, notamment du point de vue de la constitution des différents
lo éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour
autant du domaine de protection de l'invention.
