INSTALLATION ET PROCEDE POUR LA DETECTION DE GLAÇURES
Objet de l'invention
[0001] La présente invention concerne une installation originale pour détecter les défauts de type glaçure dans la paroi de récipients défilants, transparents ou translucides.
[0002] L'invention concerne également le procédé mis en œuvre dans l'installation.
Arrière-plan technologique et état de la technique
[0003] Dans les chaînes d'embouteillage de boissons, on souhaite de plus en plus utiliser des bouteilles ou flacons en plastique recyclable. Toutefois, ces bouteilles, quand elles sont réutilisées, ou même parfois quand elles sont neuves, peuvent présenter un type de défaut appelé glaçure. Une glaçure est une altération ou cassure dans l'épaisseur de la paroi du récipient, de forme oblongue, d'aspect vitreux, détectable à l'œil nu ou par des moyens optiques. L'extension longitudinale de ces glaçures peut atteindre plusieurs millimètres tandis que leur extension transversale peut aller de quelques micromètres à 1 ou 2 mm. Les flacons affectés de ce type de défaut doivent impérativement être repérés minutieusement et éliminés de la chaîne d'embouteillage, de façon automatique. En effet, ce défaut est notamment dommageable en cas de réutilisation avec des boissons gazeuses .
[0004] Dans l'état de la technique, il est connu d'utiliser un procédé qui consiste à éclairer le flacon
défilant sous différents angles et à enregistrer l'image de la région à inspecter également sous différents angles. [0005] Un traitement classique des images ainsi recueillies, au moyen de filtres numériques, permet alors de distinguer les glaçures parmi les nombreuses sources de reflets émanant du flacon et enregistrées par la caméra sur la même image. Le choix spécifique des filtres est déterminé par une procédure d'apprentissage sur chaque type de flacon à inspecter. [0006] Le procédé décrit ci-dessus permet, en général, au prix d'un traitement informatique lourd, de distinguer les glaçures sur des flacons propres et neufs. S'il s'agit de distinguer les glaçures sur des flacons usagés, couverts éventuellement de gouttelettes et de vapeur, résidus de l'étape préalable de nettoyage sur la chaîne d'embouteillage, ledit procédé conduit à un taux d'erreur tel qu'il devient inutilisable en pratique. En effet, d'une part de « vrais » défauts, les glaçures, peuvent échapper à la détection, ce qui conduit à réutiliser des flacons défectueux. D'autre part, de « faux » défauts peuvent être détectés et conduire au rejet qualitatif de flacons non défectueux. En conclusion, cette méthode d'inspection est liée à des surcoûts importants de fabrication, tant au niveau de l'informatique à mettre en œuvre, qu'au niveau du taux d'erreur de la détection.
Buts de 1 ' invention
[0007] L'invention a pour but d'obtenir un nouveau procédé pour la détection de glaçures, ne présentant pas les inconvénients de l'état de la technique, et en particulier qui permet d'augmenter considérablement la luminosité des seules glaçures sur les images enregistrées. Le contraste entre le signal dû à une glaçure et les signaux parasites doit être tel qu'il devient facile de
distinguer la glaçure recherchée, même sur un flacon abîmé et couvert de gouttelettes et de vapeur. Le procédé de l'invention s'appliquera, a fortiori, à des flacons propres et/ou neufs. [0008] Un but complémentaire de l'invention est d'atteindre un très faible taux de faux rejets, c'est à dire inférieur à 0,5 pour mille, alors que la norme imposée par les procédés de l'état de la technique atteint difficilement 1 pour cent. [0009] Un but particulier de l'invention est une utilisation possible, sans dégradation des performances, sur des flacons usagés, couverts* de gouttelettes ou de buée .
[0010] Un autre but de l'invention est d'obtenir un prix de revient inférieur ou égal à celui correspondant aux procédés de l'état de la technique.
[0011] Enfin, le procédé de l'invention vise à être indépendant, dans une très large mesure, du traitement informatique mis en oeuvre, donc sans apprentissage pour chaque type de flacon.
Principaux éléments caractéristiques de l'invention [0012] La présente invention concerne une installation pour la détection de défauts de type glaçure dans la paroi de flacons soumis à un déplacement défilant, dans une chaîne d'embouteillage ou de fabrication, ladite détection étant réalisée dans une zone de test, comprenant
• une batterie de sources lumineuses de mesure, activées séquentiellement lors du passage dudit flacon à tester, chaque source produisant un faisceau parallèle délimitant une surface à tester sur ledit flacon, appelée zone éclairée, les faisceaux des différentes sources de la batterie étant adjacents ,-
• au moins une caméra d'observation permettant de détecter des objets lumineux, dont l'axe optique fait d'une part un angle compris entre 65° et 95° par rapport à la direction d' éclairement des sources, et d'autre part un angle compris entre 5° et 35° par rapport à la direction de mouvement moyen des flacons, ladite au moins une caméra étant munie d'un détecteur à lecture programmable de sorte qu'une acquisition se fait dans une fenêtre délimitant ladite zone éclairée et suivant ledit flacon dans son déplacement ;
• un système de traitement d'informations permettant de différencier lesdits objets lumineux détectés par ladite au moins une caméra et de rejeter lesdits objets qui ne présentent pas l'aspect ou les propriétés d'une glaçure, notamment un allongement caractéristique ;
• un ensemble de boîtiers étanches et pressurisés destiné à protéger des éléments optiques et électroniques de projections d'eau, des fuites étant organisées devant des éléments optiques externes afin de protéger ceux-ci par un flux d'air propre provenant des boîtiers pressurisés .
[0013] Avantageusement, un dispositif optique détecte le passage de chaque flacon dans la zone de test en vue de produire et contrôler l'allumage séquentiel des sources.
[0014] De préférence, ledit dispositif optique émet un faisceau dont la longueur d'onde est différente de celle des faisceaux des sources de mesure, les interférences entre les deux types de faisceaux étant .éliminées au moyen de filtres optiques.
[0015] Chaque source de mesure comprend de préférence une diode laser, une lentille collimatrice et un diaphragme .
[0016] De manière particulièrement avantageuse, le détecteur de la (des) caméra (s) est un détecteur du type CMOS et le détecteur de la (des) caméra (s) est (sont) incliné (s) par rapport à l'axe optique d'un angle nécessaire à la correction de la mise au point correspondant au déplacement axial desdits flacons.
[0017] L'invention concerne également un procédé pour la détection de défauts de type glaçure dans la paroi de flacons soumis à un déplacement défilant, dans une chaîne d'embouteillage ou de fabrication, ladite détection étant réalisée dans une zone de test, caractérisé en ce que :
• on allume une batterie de sources lumineuses de mesure, activées séquentiellement lors du passage dudit flacon à tester, chaque source produisant un faisceau parallèle délimitant une surface à tester sur ledit flacon, appelée zone éclairée, les faisceaux des différentes sources de la batterie étant adjacents ;
• on détecte des objets lumineux, au moyen d'au moins une caméra d'observation, dont l'axe optique fait d'une part un angle compris entre 65° et 95° par rapport à la direction d' éclairement des sources, et d'autre part un angle compris entre 5° et 35° par rapport à la direction de mouvement moyen des flacons, ladite au moins une caméra étant munie d'un détecteur à lecture programmable de sorte qu'une acquisition se fait dans une fenêtre délimitant ladite zone éclairée et suivant ledit flacon dans son déplacement ;
• on différencie, au moyen d'un système de traitement de l'information, lesdits objets lumineux détectés par ladite au moins une caméra et on rejette lesdits objets qui ne présentent pas l'aspect ou les propriétés d'une glaçure, notamment un allongement caractéristique ;
• on protège, grâce à un ensemble de boîtiers étanches et pressurisés, des éléments optiques et électroniques de projections d'eau, des fuites étant organisées devant des éléments optiques externes afin de protéger ceux-ci par un flux d'air propre provenant des boîtiers pressurisés . [0018] Avantageusement, le processus de traitement de l'information faisant partie du procédé selon l'invention, pour la differentiation des objets lumineux détectés, dont les glaçures, comprend les étapes suivantes :
• un seuillage est effectué de manière à transformer une image en niveaux de gris en une image binaire plus rapide à traiter par la suite ; • sur l'image seuillée, des objets sont détectés, qui sont définis comme un ensemble de pixels de même valeur, adjacents dans une grille octogonale ;
• parmi lesdits objets, ceux qui n'atteignent pas une taille critique définie par calibration et ceux touchant les bords de la fenêtre sont éliminés ;
• pour les objets retenus, une caractérisation est opérée sur base de la surface égale au nombre de pixels contenus, du centre de gravité, des moments d'inertie, de préférence les moments principaux d' inertie et de l'ellipse d'inertie, de préférence son orientation et son rapport d' élongation;
• les glaçures sont identifiées, de préférence sur base des caractéristiques de ladite ellipse d'inertie obtenue après calibration ; • les erreurs sont détectées, de préférence par le fait que les images contenant un trop grand nombre d'objets ayant une surface totale supérieure à un niveau déterminé pendant la calibration du système génèrent un
code d' erreur .
Brève description des dessins
[0019] Les figures l.a (vue en élévation) et l.b (vue en plan) représentent schématiquement la géométrie de détection des glaçures selon le procédé de l'invention.
[0020] La figure 2 représente schématiquement l'installation pour la mise en œuvre du procédé selon
1 ' invention. [0021] La figure 3 représente schématiquement la zone d'acquisition et les types de défauts.
[0022] La figure 4 représente schématiquement le bloc source avec les faisceaux de mesure et de position respectivement .
Description détaillée de l'invention
Défini tion et principe de la mesure [0023] La glaçure est une rupture de la matière dont est constitué le flacon dans toute son épaisseur. La mince couche d'air séparant les deux bords de la rupture permet d'obtenir une réflexion totale de la lumière incidente sous un angle critique à l'intérieur de la paroi. Cette réflexion totale qui n'a lieu que pour les angles critiques renvoie la lumière dans l'angle spéculaire avec une intensité très supérieure à celle de la lumière diffusée par tous les autres défauts ou surfaces réfléchissants dont on veut distinguer la glaçure. Comme la glaçure n'est pas un plan parfait, les conditions de réflexion spéculaire brillante sont remplies dans un cône d'angle suffisant pour rendre le procédé pratique, sinon il faudrait une source et un détecteur pour chaque angle. Le schéma de principe est représenté en vue de profil dans la figure l.a. [0024] La lumière collimatée en provenance de la source 1 touche la glaçure 2 et est renvoyée
préfèrentiellement dans la direction spéculaire, par rapport à la glaçure, où elle est détectée par un détecteur matriciel 3. Dans le même temps, la buée 4 (ou tout autre élément perturbateur) , diffuse la lumière dans toutes les directions et préférentiellement dans la direction spéculaire 5 par rapport à la surface du flacon. Cette diffusion se fera donc très faiblement dans la direction 2,3 puisque la glaçure est perpendiculaire à la surface de la bouteille. [0025] Un choix judicieux de la direction d'éclairage 1,2 et de la direction d'observation 2,3 permet s ' augmenter fortement le contraste entre le signal du à une glaçure et le signal parasite du à la réflexion dans une gouttelette ou encore du à la diffusion sur la buée ou sur les défauts de la bouteille (couture de moulage, rayures, surface dépolie) .
[0026] Un angle de l'ordre de 70° entre le faisceau source et la direction d'observation permet de bien mettre en évidence les glaçures (Figure l.b) . Le déplacement des flacons se fait alors perpendiculairement au faisceau source .
[0027] Les images détectées par le détecteur matriciel 3 comprennent en général une grande variété d'objets parmi lesquels il faut repérer les seules glaçures. Ce repérage est grandement facilité par la méthode de capture destinée à mettre en évidence les objets donnant lieu à une réflexion spéculaire. Il est cependant nécessaire de faire subir un traitement relativement simple et rapide aux données recueillies. Ce traitement consiste à repérer les caractéristiques typiques qui distinguent les glaçures des images parasites : la localisation (fenêtre isolant la région de l'image où les relations angulaires sont favorables à la réflexion spéculaire), l'intensité (seuillage) et la géométrie (élongation et orientation) .
Description d'une installation typique . [0028] Pour détecter une glaçure quelconque sur un flacon défilant, une solution simple est de faire tourner la bouteille sur elle-même d'au moins 360° pendant la mesure. Afin de conserver constant l'angle d'incidence moyen pendant le déplacement du flacon, on utilise de préférence une série de sources qui s'allument séquentiellement lorsque la zone de détection se trouve au bon endroit. L'instant précis où chaque source doit être allumée puis éteinte est déterminé, de préférence par un détecteur de position optique qui détermine quand le flacon entre dans le champ de chaque source. Le système est ainsi rendu indépendant de la régularité du déplacement des flacons.
[0029] Le détecteur est une caméra « intelligente », composée d'un objectif, d'un détecteur matriciel adressable, par exemple de type CMOS, d'un frame grabber, d'une électronique de pilotage et d'un microprocesseur. Ces divers éléments peuvent être inclus dans un seul boîtier ressemblant, dans ce cas, à une caméra classique, ou être constitués de l'assemblage de plusieurs boîtiers. L'axe optique de la caméra est placé à un très petit angle par rapport à la direction de déplacement des flacons de façon à ce que l'angle d'observation varie peu entre les positions extrêmes couvertes par la caméra. Si la distance entre ces deux positions extrêmes n'est pas suffisante pour que le flacon ait fait une rotation d'au moins 360° pendant le temps de passage d'une position extrême à l'autre, on utilisera une seconde caméra qui prendra le relais de la première .
Description d'une forme d'exécution préférée de l'invention [0030] Un exemple de la géométrie générale
d ' éclairement et d'observation est donné à la figure 2. Les flacons sont transportés ici par un carrousel 6 représenté par deux courbes guidant le déplacement. Un même flacon est représenté dans trois positions successives PI, P2 et P3 (flèche 70) . Ce flacon porte une glaçure 2 qui tourne avec le flacon dans le sens indiqué par les flèches 71. Les sources 1 sont placées le long d'une tangente au déplacement et sont allumées et éteintes séquentiellement, dans le sens indiqué par la flèche 72, afin de toujours éclairer, par un faisceau parallèle 11, une zone située à l'arrière du col du flacon, zone où les glaçures doivent être détectées. La figure 2 indique la source qui est en fonction pour les trois positions représentées du flacon. [0031] On voit que le flacon fait un peu plus d'un tour complet sur lui-même avant de sortir de la zone couverte par les sources. Le déplacement total du flacon ayant fait un tour complet sur lui-même est trop grand pour être couvert par le champ d'une seule caméra. On a donc représenté deux caméras 3, désignées par Cl et C2 sur la figure 2, couvrant chacune la moitié du déplacement total avec un recouvrement au centre .
[0032] Le détecteur de chaque caméra 3 est monté avec un angle tel que les flacons restent focalisés correctement pendant tout leur déplacement. Les glaçures sont observables dans un angle a autour de la position idéale. Cet angle est d'environ 25°. La distance entre deux sources 1 voisines doit être inférieure au déplacement du flacon correspondant à l'angle de rotation a pendant lequel une glaçure est détectable. La distance entre les sources, la longueur totale de la séquence et le recouvrement du champ des deux caméras sont calculés en fonction de la rotation et du déplacement des flacons de façon à ce qu'une glaçure située dans un azimut quelconque
ne puisse échapper à l'observation. Dans ce calcul, on tient compte d'un facteur de sécurité compris entre 1,5 et 2.
Détection et traitement des données
[0033] Les caméras sont avantageusement munies d'un détecteur matriciel de type CMOS. Ce type de détecteur peut facilement être programmé de façon à ne lire qu'une partie des pixels du détecteur à chaque acquisition. Dans l'exemple donné, une fenêtre de lecture est programmée pour suivre la zone éclairée par la source lors du déplacement du flacon. Cette fenêtre ne couvrant qu'une fraction correspondant à un quarantième environ du détecteur, la lecture et l'acquisition peuvent se faire à un rythme quarante fois plus grand que si on lisait tout le détecteur à chaque acquisition. Une telle fenêtre est illustrée à la figure 3.
[0034] La fenêtre d'observation est représentée par le rectangle 7 englobant toute la figure. Cette fenêtre se déplace pour suivre le flacon, de sorte qu'elle englobe toujours la zone éclairée par la source active. Cette zone est représentée par la courbe fermée 8. Le frame grabber est programmé de sorte qu' il ne lise que la fenêtre active et dans cette fenêtre que les pixels ou groupes de pixels utiles. Ceux-ci sont déterminés par la résolution spatiale nécessaire pour distinguer les glaçures sans erreur. Dans notre cas, on a déterminé que le plus petit objet détectable correspondait à la fréquence de coupure de Nyquist projetée sur le flacon, soit 0,25 mm si on active un pixel sur deux du détecteur. Cette résolution suffit amplement à distinguer les plus petites glaçures (> 1,5 mm) des gouttelettes d'eau détectées comme un reflet ponctuel de l'ordre de 0,25 mm de diamètre. Les pixels actifs sont représentés sur la figure 3 par un réseau de points.
Divers objets correspondant à des glaçures 21,22 ou à une gouttelette d'eau 23,24 sont représentés sur la même figure. Le traitement d'image comprend les étapes suivantes : - un seuillage est effectué de manière à transformer une image en niveaux de gris en une image binaire plus rapide à traiter par la suite. Au cours de ce seuillage, on peut éliminer les défauts fixes de pixels. Le seuil est aussi choisi de sorte' à éliminer les images diffuses faibles ; sur l'image « seuillée » représentée à la figure 3, on détecte les « objets ». Ceux-ci sont définis comme un ensemble de pixels de même valeur, adjacents dans une grille octogonale. Par exemple, la figure 3 contient trois objets 21, 22 et - 23. Le signal 24 correspondant au reflet d'une gouttelette d'eau a été éliminé par cette étape du traitement. Parmi ces objets sont éliminés ceux qui n'atteignent pas une taille critique définie par calibration, et ceux touchant les bords de la fenêtre ; pour les objets retenus, le traitement procède à une caractérisation : surface égale au nombre de pixels contenus, centre de gravité, moments d'inertie et moments principaux d'inertie, ellipse d'inertie (orientation, rapport d' élongation) ; on identifie les glaçures basée essentiellement sur les caractéristiques de l'ellipse d'inertie après calibration ; on détecte les erreurs par le fait que les images contenant un trop grand nombre d'objets ayant une surface totale supérieure à un niveau déterminé pendant la calibration du système génèrent un code d' erreur.
[0035] Le principe du traitement, qui pourrait d'ailleurs suivre une autre logique, est de minimiser le temps de mise en œuvre en tenant compte du type de détecteur matriciel utilisé. Ainsi, dans le cas illustré, nous avons déjà vu le facteur de gain quarante lié à la lecture d'une fenêtre mobile suivant le flacon. Un facteur quatre est gagné en ne lisant qu'un pixel sur deux. Le seuillage et la détection des objets permettent ensuite de ne traiter que les quelques dizaines de pixels représentant les objets retenus. Les opérations de caractérisation, quoique relativement complexes, ne s'appliquent donc qu'à un nombre extrêmement restreint de données dans chaque image, et le plus souvent à aucune donnée du tout. [0036] Tout le processus d'identification prend ainsi entre 3 et 4 ms, suivant la propreté des flacons, et permet des cadences de l'ordre de 15 flacons par seconde avec les caméras actuelles et un système examinant une bouteille à la fois. Cette cadence pourrait facilement être doublée si nécessaire.
Autres configurations de l 'installation . [0037] La disposition illustrée dans la figure 2. est particulière à l'exemple donné. Le nombre de caméras nécessaires dépend du rapport entre les vitesses de rotation et de déplacement des flacons. Il faudra donc une ou deux caméras 3 suivant que ce rapport est plus ou moins grand, et suivant le facteur de sécurité choisi. Le dispositif décrit peut également être adapté à un déplacement linéaire des flacons. Il n'est donc pas indispensable de faire transiter les flacons par un carrousel .
[0038] L'exemple illustré s'applique tout particulièrement aux glaçures verticales. Il peut être adapté sans modification majeure à la détection des
glaçures horizontales en disposant les sources au-dessus des flacons de façon à reproduire la relation angulaire entre le faisceau source, la glaçure et la direction d' observation.
Synchronisation de 1 'allumage séquentiel des sources . [0039] Le détecteur optique de position qui commande l'allumage séquentiel des sources est avantageusement placé directement au-dessus des sources. On utilise un détecteur par source, ce qui permet de s'affranchir complètement des irrégularités de mouvement des flacons,. telles des variations de vitesse. Une manière simple de réalisation est représentée à la figure 4.
[0040] La source 1 produit le faisceau de mesure collimaté 11 qui couvre la zone 8 à mesurer. La source 10 avantageusement montée dans le même bloc source 13, produit le faisceau de détection de position 12 détecté par le détecteur de position 30. Lorsque le flacon passe, il coupe le faisceau 12 et la diminution du signal est détectée par 30. Il suffit alors d'ajuster le retard entre cette information et le moment où la source 1 doit être allumée pour éclairer la zone 8, afin d'obtenir une synchronisation parfaite des sources 1 avec le déplacement du flacon. Le fait de monter les sources 1 et 10 dans un même bloc 13 augmente la stabilité à long terme entre les deux faisceaux. Les longueurs d'onde des deux sources 1 et 10 sont choisies suffisamment éloignées pour éviter toute interférence, en utilisant des filtres placés devant les caméras et les détecteurs de position.