Устройство для обнаружения неоднородности тонкого объекта, имеющей резкие границы, и способ его применения
DEVICE FOR DETECTING INHOMOGENEITY WITH SHARP BOUNDARIES OF A THIN OBJECT, AND A METHOD FOR USE THEREOF

Изобретение относится к области техники неразрушающего контроля, а именно неразрушающего контроля тонких объектов. Тонкие объекты, такие как листы, рулонные материалы, ткани, многослойные ламинаты и разнообразные полиграфические изделия, могут иметь однородную либо неоднородную структуру. Для многих тонких объектов, например, пленки, бумаги и ткани, однородность структуры является требованием качества. В других случаях, тонкие объекты при изготовлении получают сложную неоднородную структуру. Примером такого объекта является современная банкнота, являющаяся многослойным ламинатом, где на бумажную основу, обладающую переменной толщиной, ламинируются различные полимерные слои и надпечатываются слои краски. В ходе жизненного цикла тонкого объекта, необходимо контролировать соответствие проектным нормам характеристик его неоднородностей, таких как расположение, границы и толщина неоднородности. Повреждения при износе тонких объектов могут приводить к появлению на них неоднородностей, заключающихся в уменьшении толщины из-за износа либо, напротив, увеличения толщины из-за налипания инородного материала. В этих случаях, контроль неоднородности позволяет определить степень износа объекта.
Во многих случаях, для неразрушающего контроля тонких объектов применяют оптические методы, основанные на измерении отражения или поглощения электромагнитного излучения различными участками объекта. Для оптического контроля используют видимый свет, а также инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Различие в коэффициентах отражения или поглощения между различными участками объекта является признаком неоднородности. Однако для многих видов объектов, таких как полиграфические изделия, различие в поглощении или отражении электромагнитного излучения в поверхностном слое, обусловленное содержанием печатного изображения, оказывается очень сильным и маскирует неоднородности, находящиеся в более глубоких слоях. Поэтому, оптический контроль неоднородности полиграфических изделий обычно оказывается малоэффективным, за исключением непосредственного контроля качества воспроизведения печатного изображения. Оптические методы более эффективны для контроля объектов, не содержащих печатного изображения, например, для обнаружения неоднородностей незапечатанной бумаги.
Оптический контроль неоднородностей наиболее эффективен, когда материал объекта обладает средним уровнем отражения и/или поглощения излучения. В этом случае, для однородного материала коэффициенты отражения и поглощения связаны непрерывной зависимостью с толщиной материала. Таким образом, измеренные коэффициенты поглощения и отражения позволяют судить о толщине материала и выявлять различия участков объекта по толщине. Материалы с высокой прозрачностью часто не только не позволяют измерить толщину объекта, но даже не дают возможности заметить наличие слоя материала. Совершенно непрозрачные материалы не дают возможности измерить толщину материала, так как процессы отражения и поглощения излучения происходят в поверхностном слое и не зависят от толщины.
Одна из сложностей оптического контроля неоднородностей связана с тем, что многие виды неоднородностей не обладают существенным поглощением и отражением в тех диапазонах электромагнитного излучения, которые широко применяются в контрольно-измерительной технике. Например, многие пленки из полимерных материалов, таких как полиэтилен, поликарбонат, полиэтилентерифталат обладают высокой прозрачностью в диапазонах видимого света, ближнего инфракрасного излучения и ультрафиолетового излучения диапазона А. Эти пленки можно обнаружить и определить их толщину при использовании излучения других диапазонов, например, дальнего инфракрасного диапазона. Однако в этих диапазонах как источники излучения, так и его приемники оказываются сложными и дорогими. Поэтому, для обнаружения неоднородностей, состоящих из указанных полимеров, оптические методы применяются нечасто.
Когда оптический контроль неоднородностей затруднен, то применяют устройства и способы контроля, основанные на иных физических принципах. Механический контроль неоднородностей осуществляют, пропуская объект между плотно прижатыми роликами и измеряя при этом, как изменяется их межосевое расстояние по мере движения объекта. По изменению межосевого расстояния судят о наличии неоднородностей. При ультразвуковом контроле облучают тонкий объект ультразвуком с одной стороны и регистрируют ультразвук, вышедший с другой стороны тонкого объекта. В ходе движения объекта, по изменению давления вышедшего ультразвука судят о наличии неоднородностей.
Эти устройствам свойственны определенные недостатки. Так, быстродействие механического контроля ограничено массой ролика, которая сдвигается при изменении толщины объекта. В ультразвуковых устройствах достаточно большой размер апертуры излучателя и приемника ограничивает пространственную разрешающую способность. Кроме того, негативное воздействие на работу ультразвуковых устройств оказывают переотражения ультразвука, снижающие чувствительность обнаружения неоднородностей. Как в механических, так и ультразвуковых устройствах чувствительность снижается за счет вибраций, проникающих из механизма перемещения объекта.
Как правило, для обеспечения высокой производительности, контроль тонких объектов проводится в движении. Чтобы регистрировать место расположения неоднородности, используют многоэлементные датчики, в которых элементы, чувствительные к неоднородностям, располагают вдоль линии, перпендикулярной направлению движения объекта. Каждый датчик вырабатывает отклик, который определяется контролируемым физическим параметром объекта, таким как мощность оптического излучения, толщина или же звуковое давление ультразвука. Отклики всех элементов датчика регистрируют через определенные интервалы смещения объекта. Таким образом, строка за строкой, получают строчно-столбцевой двумерный массив распределения значений контролируемого физического параметра по площади объекта. В этом массиве каждая ячейка соответствует значению физического параметра для определенного элемента датчика и положения тонкого объекта. Неоднородность объекта представляется в виде ячейки или группы соседних ячеек, значения которых существенно отличаются от других ячеек массива. Двумерный массив распределения значений контролируемого физического параметра удобно представлять в виде цифрового изображения, где каждый пиксель соответствует ячейке, а яркость пикселя соответствует значению физического параметра.
Пространственное разрешение такого цифрового изображения зависит от размера зоны чувствительности элемента датчика. Наиболее высокое разрешение имеют цифровые изображения, получаемые с помощью оптического датчика, но в силу упомянутых ранее ограничений оптического контроля такие изображения можно использовать лишь для контроля небольшого класса объектов. Цифровые изображения неоднородностей, получаемых при помощи механических или ультразвуковых датчиков, значительно более информативны, но обладают невысоким пространственным разрешением из-за большого размера зоны контроля элемента датчика.
В данном описании, в качестве примера тонкого объекта рассматривается банкнота, но это не ограничивает применения изобретения к другим видам листовых и рулонных изделий. Банкнота является одним из самых сложных объектов для неразрушающего контроля, поскольку она имеет высококонтрастное печатное изображение на обеих сторонах, но также содержит пленочные аппликации и лаковые слои различной толщины с разной степенью оптической прозрачности. Кроме того, в толщу бумаги внедряются специальные пленочные материалы, обеспечивающие дополнительную степень защиты от подделки. Контроль характеристик неоднородностей банкноты, таких как утолщения или утонения бумажной основы в местах расположения однотоновых водяных знаков, расположение и толщина пленочных и лаковых слоев очень важны для проверки подлинности банкноты.
Неоднородности на банкноте не только создаются в процессе производства, но и возникают при ее износе в обращении. К наиболее часто встречающимся неоднородностям, возникающим при износе банкноты, относятся участки, заклеенные прозрачной клейкой лентой с целью ремонта разрывов. Кроме того, иногда в ходе износа на банкноту попадают капли масла, клея и других бытовых жидкостей, которые впитываются в бумагу и модифицируют ее структуру. Банкноты с подобными неоднородностями необходимо обнаруживать и изымать из оборота.
Значительная часть неоднородностей, имеющихся на тонких объектах, обладают резкими границами. Сюда относятся пленочные элементы, являющиеся частью структуры объекта, слои полиграфического лака или краски, куски клейкой ленты, а также пятна, оставленные застывающими жидкостями. Основной слой объекта, например, бумажная основа с однотоновыми водяными знаками, тоже может состоять из областей различной толщины, которые имеют резкие границы. Толщина неоднородностей, которые необходимо обнаруживать, измеряется десятками микрон.
Листовой объект целиком, с точки зрения его воздействия на датчик, можно рассматривать как предельный случай неоднородности, резкая граница которой совпадает с границей листа.
Очень привлекательным является использование емкостного датчика для контроля неоднородностей тонкого объекта. Для этого, объект пропускают в зазоре между двумя близко расположенными пластинами измерительного конденсатора и по изменению его электрической емкости судят о наличии неоднородностей. Такой способ выгоднее всего применять для контроля тонких объектов, состоящих преимущественно из диэлектрических веществ. Этот класс охватывает большинство тонких объектов, для которых требуется контроль неоднородностей: бумагу и бумажные изделия, полимерные пленки, банкноты и другие подобные ламинаты, ткани. Заявленное изобретение ориентировано именно на названный класс тонких объектов. Емкостные датчики почти не используют для обнаружения неоднородностей тонких объектов с высокой проводимостью, таких как металлические листы. Для контроля проводящих объектов обычно применяют магнитные датчики, например, использующие вихревые токи.
Поскольку емкость конденсатора меняется практически без задержки по отношению к появлению неоднородности в зазоре, то емкостной датчик может обеспечить очень высокое быстродействие, превосходящее быстродействие механических и ультразвуковых датчиков. В отличие от механического датчика, он не содержит движущихся частей. Первые технические решения для контроля толщины банкноты с использованием емкостного датчика известны с начала 1970-х годов. В заявке Швеции SE 355428 (опубл. 16.04.1973 г., МПК G07D 7/00) описан емкостной датчик для контроля неоднородности бумаги в виде водяного знака. Пластины измерительного конденсатора имеют специальную форму, соответствующие форме водяного знака. При точном совмещении водяного знака с пластинами измерительного конденсатора происходит резкое изменение его емкости, что используется в качестве признака обнаружения водяного знака заданной формы и размера.
Известен европейский патент ЕР 0097570 (опубл. 04.01.1984, МПК G01B 7/06), в котором описывается один из наиболее ранних многоэлементных емкостных датчиков для контроля тонкого объекта. В нем используется множество плоских измерительных конденсаторов, расположенных вдоль отрезка прямой линии, перпендикулярного направлению движения банкноты. Путь перемещения банкноты проходит через зазоры измерительных конденсаторов. Изменение емкости конденсатора определяется толщиной участка банкноты, проходящего в зазоре. На передающие пластины конденсаторов, расположенные по одну сторону пути перемещения банкноты, подают возбуждающее напряжение от общего генератора заданной частоты. При этом, регистрируют ток приемных пластин, расположенных по другую сторону пути перемещения, и преобразуют его в значение электрической емкости. Регистрацию проводят через определенные интервалы смещения банкноты. Таким образом, строка за строкой, заполняют строчно-столбцевой двумерный массив распределения значений электрической емкости по площади банкноты, из чего получают распределение толщины. Подобный строчно-столбцевой массив, в соответствии с современной терминологией, допустимо называть емкостным изображением (capacitive image). Указанный термин используется в уровне техники для описания двумерных массивов, получаемых при работе многоэлементных емкостных датчиков, применяемых в сканерах отпечатков пальцев и сенсорных панелях компьютеров. Яркость пикселя емкостного изображения соответствует значению ячейки описанного здесь строчно-столбцевого массива.
В патентной литературе описано множество решений, подобных известному патенту и различающихся тем, каким образом измеряется емкость каждого из измерительных конденсаторов. Например, в патенте США US 10,269,200 (заявка опубл. 15.02.2018, МПК G01B 7/06) применяется генератор, формирующий напряжение передающих пластин, содержащее колебания множества заданных частот. Каждая приемная пластина подключена к отдельному пьезокерамическому фильтру, настроенному на пропускание одной из заданных частот. Выходы фильтров соединены вместе, а сигнал с них через усилитель подается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и далее на процессор цифровой обработки сигналов (DSP). В DSP происходит вычисление амплитуды каждой из множества заданных частот. Каждая из полученных амплитуд пропорциональна емкости соответствующего ей измерительного конденсатора.
Несмотря на то, что многоэлементные емкостные датчики, аналогичные описанным здесь, предлагается применять для обнаружения неоднородностей тонких объектов на протяжении уже более чем 35 лет, данный подход не нашел сколько-нибудь широкого применения на практике. Это обусловлено сочетанием нескольких проблем, которые усложняют практическую реализацию подобных устройств.
Зависимость емкости плоского измерительного конденсатора, в котором пластины размещаются по разные стороны контролируемого тонкого объекта, от толщины объекта h и ширины зазора R между пластинами определяется формулой
Эта формула может быть легко получена из эквивалентной схемы последовательного включения двух плоских конденсаторов и известна, например, из заявки SE 355428. Здесь  обозначает диэлектрическую проницаемость вакуума и практически равна проницаемости воздуха, ε обозначает относительную диэлектрическую проницаемость материала объекта, a S - площадь пластины. Неоднородности могут выражаться как в изменении толщины, так и изменения физических свойств материала объекта. Для тонких объектов, состоящих преимущественно из диэлектрических веществ, изменение свойств материала обычно сопровождается изменением его диэлектрической проницаемости. В соответствии с формулой (1), изменение относительной диэлектрической проницаемости материала ε влияет на емкость измерительного конденсатора С аналогично изменению толщины материала h. Изменение ε можно представить как изменение h, которое вызывает точно такое же изменение емкости С. Поэтому, для сохранения единообразия рассуждений можно говорить об изменении эффективной толщины материала, которая отражает как изменение реальной толщины материала h, так и изменение относительной диэлектрической проницаемости ε. Далее, говоря о толщине объекта h, мы будем подразумевать его эффективную толщину, а диэлектрическую проницаемость ε материала объекта будем считать неизменной.
На практике, приходится выбирать ширину зазора R примерно на порядок больше, чем толщина объекта h, чтобы избежать трения и повреждения тонкого объекта при движении в зазоре. Это соотношение является особенно важным при высокой скорости движения объекта, а также для листовых объектов, у которых есть риск замятия передней кромки. Например, при толщине бумажного листа 100 мкм, для обеспечения надежной работы устройства, зазор должен быть не менее 1 мм. Из формулы (1) с учетом R>>h можно вывести следующее соотношение для приращения емкости за счет изменения эффективной толщины материала Δh:
Таким образом, приращение емкости пропорционально приращению эффективной толщины материала. Типовое значение относительной диэлектрической проницаемости ε для большинства диэлектрических веществ равно 2 и более. В приведенном примере, при входе объекта в зазор Δh≈0,1R, из-за чего перепад емкости С по отношению к ее начальному значению при отсутствии объекта составляет 5-10%. Перепад за счет неоднородности объекта будет еще меньше, поскольку приращение толщины за счет неоднородности обычно не превышает толщину самого объекта. Для устойчивого обнаружения неоднородности необходимо обнаруживать полезный перепад емкости на уровне 1% или менее, что является сложной технической задачей. Это является первой из названных проблем.
Вторая проблема связана с вибрацией пластин измерительного конденсатора. Вибрации возникают, главным образом, из-за работы механизма перемещения объекта и особенно заметны при высокой скорости перемещения. Изменение расстояния R за счет вибрации оказывает большее влияние на емкость измерительного конденсатора С, чем изменение толщины объекта h. Для надежного контроля неоднородности бумажного листа толщиной 100 мкм необходимо иметь изменение расстояния R за счет вибрации, не превышающее 10 мкм. С конструктивной точки зрения, многоэлементный емкостной датчик обычно состоит из двух длинных балок, на каждой из которых размещены пластины измерительных конденсаторов. Балки скрепляются друг с другом по краям, так чтобы обеспечить пространство между пластинами для прохождения объекта. Длина балок определяется максимально возможной шириной объекта и составляет от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров. Чтобы, при такой длине, обеспечить вибрацию середины балок, не превышающую нескольких микрон, необходимо делать балки очень жесткими и материалоемкими. Очень часто достигнуть необходимой жесткости балок нельзя по экономическим или конструктивным причинам. Поэтому влияние вибраций на расстояние между пластинами измерительных конденсаторов в многоэлементном емкостном датчике, как правило, невозможно полностью устранить.
Третья проблема связана с малым общим уровнем емкости измерительного конденсатора. Для обеспечения пространственной разрешающей способности многоэлементного емкостного датчика приходится выбирать достаточно малый размер пластин измерительного конденсатора. Так, для квадратных пластин размером 10 мм, находящихся на расстоянии 1 мм, по формуле (1) емкость измерительного конденсатора будет равна примерно 0,88 пФ. Полезный перепад емкости 1% соответствует абсолютной величине перепада емкости, равной 8,8 фФ. Для обнаружения такого малого перепада требуется высокочувствительная измерительная схема, неизбежно подверженная действию шумов и наводок. Особенно заметным оказывается влияние шумов и помех в широкополосной измерительной схеме, которая требуется для достижения высокого быстродействия при высокой скорости движения объекта.
Решение для первой и второй из названных проблем можно получить за счет использования дифференциального емкостного датчика. В дифференциальном емкостном датчике выходной отклик определяется не емкостью одного измерительного конденсатора, а разностью емкостей дифференциальной пары измерительных конденсаторов. В данном описании, слово «пара» всегда относится к дифференциальной паре.
В патенте РФ RU 2483276 (опубл. 27.05.2013, МПК G01B 7/06), выбранном в качестве прототипа заявленного изобретения, описан многоэлементный емкостной датчик для контроля неоднородностей листа. В нем множество измерительных конденсаторов расположены вдоль отрезка прямой линии, перпендикулярного направлению движения банкноты. Соседние измерительные конденсаторы составляют дифференциальные пары. Отклик от каждой из пар, после обработки измерительной схемой, формируется пропорционально разности емкостей измерительных конденсаторов, составляющих пару. Такой отклик называется дифференциальным. Отклики регистрируются в двумерном строчно-столбцевом массиве по мере движения объекта. Каждая строка массива состоит из значений откликов последовательно расположенных пар датчика при определенном положении объекта. Отклик пары можно считать пропорциональным частной производной эффективной толщины объекта в направлении, перпендикулярном направлению его движения.
Так как начальная емкость обоих измерительных конденсаторов пары одинакова и взаимно компенсируется при вычитании, то отклик пары зависит только от разности емкостей, обусловленной различием эффективной толщины объекта в пределах пары. Этим решается проблема выделения малого полезного перепада емкости на фоне ее большого начального значения.
Для расположенных рядом измерительных конденсаторов, составляющих пару, изменение зазора за счет вибраций происходит синхронно и практически на одинаковую величину. Соответствующие этому изменению изменения емкостей измерительных конденсаторов в паре взаимно компенсируются почти в полной мере. Остаточное влияние вибрации на отклик пары обусловлено некоторым остаточным различием в изменении зазоров измерительных конденсаторов, но это различие составляет лишь малую долю от общего изменения зазора под действием вибрации. Так решается проблема влияния вибраций на емкость измерительного конденсатора.
Сам принцип дифференциального емкостного датчика не обеспечивает дополнительных возможностей для повышения устойчивости к шумам и помехам. Поэтому, при анализе возможности его использования, всегда необходимо учитывать вредное влияние шумов и помех и стараться их минимизировать другими способами, известными в уровне техники.
В прототипе рассматривается важный случай неоднородности, имеющей резкие границы. Для обнаружения такой неоднородности достаточно обнаружить скачок емкости измерительного конденсатора, возникающий на границе неоднородности. Для границ, ориентированных в направлении движения объекта, такой скачок обнаруживается как разность емкостей измерительных конденсаторов в той паре, по которой проходит граница. Таким образом, отклик пары, имеющий большое абсолютное значение, используется как признак границы неоднородности.
К сожалению, для границы неоднородности, направленной перпендикулярно направлению движения объекта, изменения емкости обоих конденсаторов в паре происходят синхронно и компенсируют друг друга. Это не позволяет непосредственно обнаружить границу с такой ориентацией по значению отклика пары. В прототипе предлагается последовательно, проходя вдоль строки массива, суммировать отклики пар для восстановления значения эффективной толщины объекта в месте расположения каждой пары. Теоретически, этот метод численного интегрирования позволяет восстановить толщину объекта как первообразную по значениям частной производной эффективной толщины объекта в направлении, перпендикулярном направлению его движения. На практике, из-за неизбежных погрешностей формирования отклика каждой пары, результат восстановления сильно искажается. Более конкретно, каждая пара имеет индивидуальный коэффициент передачи и некоторое смещение нуля, которые в результате суммирования дают накапливающуюся погрешность эффективной толщины. Кроме того, восстановленная эффективная толщина объекта также включает в себя восстановленную вибрационную компоненту емкости измерительных конденсаторов, что сводит на нет преимущество от использования дифференциального емкостного датчика в условиях вибрации. Таким образом, в прототипе не удается обеспечить надежного способа обнаружения границы неоднородности, направленной перпендикулярно направлению движения объекта. Это снижает достоверность обнаружения неоднородностей.
Работа прототипа оказывается особенно недостоверной при попытке обнаружить неоднородность в форме узкого прямоугольника, длинная сторона которого ориентирована перпендикулярно направлению движения объекта. Короткая сторона такого прямоугольника направлена по направлению движения и дает непосредственный отклик пары, через которую она проходит. Однако из-за малой длины этой стороны отклик наблюдается всего лишь в одной строке либо в нескольких строках и может быть воспринят как шумовой сигнал. Непосредственный отклик пар датчика от длинной стороны отсутствует, а толщина объекта не может быть надежно восстановлена путем суммирования отсчетов пар в строке. В результате, описанная неоднородность может остаться необнаруженной, либо шумовые выбросы в отсчетах отдельных пар могут быть ошибочно приняты за признаки короткой границы прямоугольника.
Понятие емкостного изображения требует некоторого уточнения в применении к дифференциальным датчикам. Отклик дифференциальной пары может быть как положительным, так и отрицательным. Однако значение яркости пикселя обычно может быть только положительным либо нулевым. Для того чтобы отображать дифференциальный отклик пары при помощи пикселя емкостного изображения, необходима специальная договоренность. Можно договориться о том, что яркость может быть как положительной, так и отрицательной. Либо же, можно договориться, что яркость остается всегда положительной, но некоторое нейтральное значение яркости в середине яркостного диапазона принимается за ноль отсчета дифференциального отклика. Выбор той или иной договоренности не влияет на рассуждения, приводимые в данном описании. О пикселах, соответствующих положительному дифференциальному отклику, мы будем говорить как о светлых, а о пикселах, соответствующих отрицательному дифференциальному отклику, мы будем говорить как о темных. Пикселы, соответствующие нулевому отклику, будут называться нейтральными.
Задачей заявленного изобретения является надежное обнаружение резкой границы неоднородности вне зависимости от направления границы. Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении достоверности обнаружения неоднородности тонкого объекта, имеющей резкую границу.
Этот результат достигается тем, что емкостной датчик для обнаружения неоднородности тонкого объекта, имеющей резкие границы, содержит множество измерительных конденсаторов, размещенных один за другим вдоль осевой линии датчика, перпендикулярной направлению движения тонкого объекта, при этом каждый конденсатор содержит первую и вторую пластины, разделенные зазором заранее заданной ширины, с формированием в указанном зазоре пути продвижения тонкого объекта, причем каждые два измерительных конденсатора, расположенные непосредственно рядом друг с другом, образуют дифференциальную пару, а измерительная схема датчика выполнена с возможностью получения дифференциального отклика для каждой дифференциальной пары, определяемого разностью емкостей измерительных конденсаторов, составляющих дифференциальную пару, причем геометрические центры тяжести зон чувствительности измерительных конденсаторов, находящихся непосредственно рядом друг с другом, представляют собой вершины пилообразной ломаной линии, при этом зона чувствительности измерительного конденсатора определяется областью взаимного перекрытия первой и второй пластины.
Электростатическое поле между первой и второй пластиной сконцентрировано в области взаимного перекрытия этих пластин. Силовые линии поля выходят из пластины или входят в пластину по нормали к ее поверхности, так как поверхность пластины является эквипотенциальной. В области взаимного перекрытия силовые линии пересекают зазор по кратчайшему пути, поэтому в этой области развивается наибольшая напряженность поля, равная разности потенциалов пластин, разделенной на ширину зазора. Вне области взаимного перекрытия пластин, где длина силовых линий велика в сравнении с шириной зазора, локализована лишь небольшая часть силовых линий поля. Поэтому наибольшая чувствительность к тонкому объекту достигается при нахождении объекта в зазоре между пластинами, в области перекрытия пластин. Таким образом, область взаимного перекрытия первой и второй пластины можно считать зоной чувствительности измерительного конденсатора.
Для границ неоднородности, направленных в направлении движения объекта, как и в прототипе, возникает отклик тех пар, через которые проходит неоднородность. На емкостном изображении эти границы отображаются соответствующей темной либо светлой полосой, направленной в направлении движения объекта. Противоположные стороны неоднородности, направленные в направлении движения объекта, дают отклик противоположного знака. Поэтому, одна из сторон неоднородности отображается светлой полосой, а другая темной.
Размещение геометрических центров тяжести зон чувствительности измерительных конденсаторов, расположенных непосредственно рядом друг с другом, в вершинах пилообразной ломаной линии, обозначает, что геометрические центры зон чувствительности соседних конденсаторов имеют поочередное смещение в направлении движения объекта и в направлении, противоположном движению объекта.
Изменение емкости измерительного конденсатора при вхождении неоднородности в зону чувствительности происходит пропорционально той доле площади зоны чувствительности, которую в ней занимает неоднородность. Когда резкая прямая граница неоднородности достигает геометрического центра тяжести, то она занимает половину площади зоны чувствительности.
При входе резкой прямой границы неоднородности, перпендикулярной направлению движения объекта, в зоны чувствительности соседних емкостных датчиков, вначале граница достигает центра тяжести зоны чувствительности одного измерительного конденсатора, а затем другого. Соответственно, неоднородность вначале занимает половину зоны чувствительности одного измерительного конденсатора, и только затем другого. Соответственно, емкости измерительных конденсаторов изменяются не одновременно: изменение емкости одного измерительного конденсатора под действием границы неоднородности происходит раньше, чем другого. Через какой-то интервал перемещения объекта, когда граница выходит за пределы зон чувствительности обоих измерительных конденсаторов, их емкости выравниваются. Таким образом, во время прохождения границы через зоны чувствительности возникает отклик пары, составленной из соседних измерительных конденсаторов. Знак этого отклика определяется двумя параметрами: знаком изменения эффективной толщины объекта на границе неоднородности, и тем, центр тяжести зоны чувствительности какого из измерительных конденсаторов смещен в направлении движения объекта. После выхода границы за пределы зон чувствительности обоих измерительных конденсаторов отклик пары исчезает.
Две соседние пары измерительных конденсаторов содержат три измерительных конденсатора, причем один из конденсаторов расположен между двумя другими и относится к обеим парам. Из-за пилообразного смещения центров тяжести зон чувствительности, отклик двух соседних пар при прохождении через них резкой прямой границы неоднородности, перпендикулярной направлению движения объекта, будет противоположен по знаку. Это обозначает, что в емкостном изображении, получаемом с датчика при прохождении через него указанной границы объекта, возникает область, заполненная короткими чередующимися темными и светлыми полосами, ориентированными в направлении движения объекта. Протяженность полос в этой области в направлении движения объекта соответствует общей протяженности зон чувствительности измерительных конденсаторов в этом же направлении. Таким образом, в отличие от прототипа, граница неоднородности, перпендикулярная направлению движения объекта, представляется в емкостном изображении характерным маркером в виде чередующихся темных и светлых полос. Этот маркер характеризуется наличием в указанной области пространственной частоты, направленной в строчном направлении и имеющей период, равный двум пикселям. Такую пространственную частоту мы далее будем называть несущей, в связи с тем, что эта частота несет дополнительную информацию о границе неоднородности. Пример несущей пространственной частоты в уровне техники известен из аналогового цветного телевидения, где строго определенная частота в яркостном изображении несет дополнительную цветовую информацию.
Отметим, что различные порядки чередования полос «темная-светлая-темная-…» или «светлая-темная-светлая-…» получаются в зависимости от того, происходит на границе объекта переход к большей либо же к меньшей эффективной толщине. Таким образом, при прохождении неоднородности, имеющей первую и вторую границы, перпендикулярные направлению движения объекта, в емкостном изображении на местах этих границ будут возникать маркеры с различающимися порядками чередования полос. Тот или иной порядок чередования определяет ту или иную фазу несущей пространственной частоты.
Более сложным случаем является отрезок границы неоднородности, направление которого отличается от направления движения объекта либо же от перпендикулярного ему направления. Такой отрезок можно при помощи проекции разложить на первую компоненту, направленную по направлению движения объекта, и на ортогональную ей вторую компоненту. Отображение отрезка в емкостном изображении является суперпозицией отображений первой и второй компонент отрезка. Первая компонента отображается темной либо светлой полосой в направлении движения объекта, а вторая компонента отображается областью, заполненной короткими чередующимися темными и светлыми полосами. Таким образом, любой отрезок границы неоднородности будет представляться в емкостном изображении некоторым набором полос с яркостью, отличающейся от нейтральной, расположенных в соответствующем этому отрезку месте емкостного изображения.
В отличие от прототипа, заявленное изобретение позволяет отобразить в емкостном изображении всю резкую границу неоднородности целиком, вне зависимости от направления составляющих ее отрезков. Это позволяет повысить достоверность обнаружения неоднородности.
Рассмотренные случаи проявления в емкостном изображении границы с той или иной направленностью можно рассматривать как проявление градиента эффективной толщины тонкого объекта. Двумерный вектор градиента толщины всегда направлен перпендикулярно границе неоднородности. Его координата в направлении движения объекта определяет амплитуду и фазу несущей пространственной частоты. Его координата в направлении, перпендикулярном направлению движения объекта, создает темную либо светлую полосу в емкостном изображении и задает величину отклонения яркости полосы от нейтрального значения.
В одной из реализаций датчика согласно заявленному изобретению, вторые пластины всех измерительных конденсаторов электрически соединены друг с другом. Это позволяет применить упрощенную измерительную схему, в которой используется общий усилитель и преобразователь сигнала для всех измерительных конденсаторов, подключенный к объединенной второй пластине. Такая схема, например, используется в прототипе. Либо же, может использоваться общая схема возбуждения, подключенная ко второй пластине.
Дальнейшее конструктивное упрощение датчика может быть реализовано за счет того, что вторые пластины всех измерительных конденсаторов представляют собой единую пластину, внешние границы которой охватывают общую внешнюю границу первых пластин всех измерительных конденсаторов. Так как внешние границы единой второй пластины охватывают общую внешнюю границу первых пластин, то зона чувствительности каждого из измерительных конденсаторов совпадает по форме и соответствует по расположению первой пластине этого конденсатора.
При этом, первые пластины, дополнительно, могут быть размещены в одной плоскости и иметь форму одинаковых равнобедренных треугольников, основания которых направлены параллельно осевой линии датчика, при этом указанные пластины конденсаторов, образующих одну дифференциальную пару, могут быть размещены в непосредственной близости относительно друг друга и при этом рядом с основанием одного треугольника может находиться вершина другого треугольника, противолежащая его основанию.
Треугольная форма первых пластин с минимальными по ширине разделительными полосами между соседними пластинами позволяет дифференциальной паре реагировать на движение небольшой неоднородности вне зависимости от того, как эта неоднородность расположена по отношению к пластинам. По ходу движения, она так или иначе пересечет разделительную полосу, поскольку эта полоса ориентирована наклонно по отношению к направлению движения объекта. При пересечении разделительной полосы, возникает дифференциальный отклик пары. Для сравнения, когда разделительная полоса ориентирована строго по направлению движения объекта, неоднородность небольшого размера может оказаться расположенной на разделительной полосе, так что по ходу движения она все время в равной степени будет изменять емкость измерительных конденсаторов, составляющих пару. В этом сравнительном примере дифференциальный отклик пары будет отсутствовать. Таким образом, треугольная форма пластин обеспечивает гарантированное обнаружение неоднородности.
Взаимная ориентация треугольных пластин таким образом, чтобы рядом с основанием одного треугольника находилась вершина другого треугольника, противолежащая его основанию, обеспечивает расположение центров тяжести пластин, и, следовательно, центров тяжести зон чувствительности, в вершинах пилообразной ломаной линии. Это связано с тем, что центр тяжести равнобедренного треугольника расположен значительно ближе к его основанию, чем к противолежащей вершине.
В соответствии с приведенным здесь описанием датчика, для достижения технического результата в заявленном изобретении используется способ обнаружения неоднородности тонкого объекта, имеющей резкие границы, в котором выполняют измерения тонкого объекта при помощи емкостного датчика в процессе его движения через указанный датчик, причем датчик содержит множество измерительных конденсаторов, размещенных один за другим вдоль осевой линии датчика, перпендикулярной направлению движения тонкого объекта, при этом каждый конденсатор содержит первую и вторую пластины, разделенные зазором заранее заданной ширины, с формированием в указанном зазоре пути продвижения тонкого объекта, причем каждые два измерительных конденсатора, расположенные непосредственно рядом друг с другом, образуют дифференциальную пару, а измерительная схема датчика выполнена с возможностью получения дифференциального отклика для каждой дифференциальной пары, определяемого разностью емкостей измерительных конденсаторов, составляющих дифференциальную пару, геометрические центры тяжести зон чувствительности измерительных конденсаторов, находящихся непосредственно рядом друг с другом, представляют собой вершины пилообразной ломаной линии, при этом зона чувствительности измерительного конденсатора определяется областью взаимного перекрытия первой и второй пластины, при этом в процессе отдельного измерения получают дифференциальный отклик для всех пар датчика при каждом смещении тонкого объекта на заранее заданный шаг, до тех пор, пока объект находится в зазоре хотя бы одного измерительного конденсатора, формируя таким образом емкостное изображение тонкого объекта, состоящее из строк, где последовательно расположенные пиксели каждой строки соответствуют дифференциальным откликам последовательно расположенных дифференциальных пар датчика, а каждая строка соответствует последовательно произведенному отдельному измерению, и заранее заданным образом анализируют указанное емкостное изображение для обнаружения неоднородности.
В предпочтительной реализации способа выполняют фильтрацию емкостного изображения с получением фильтрованного изображения, причем значение пикселя фильтрованного изображения характеризует наличие неоднородности в тонком объекте, и формируется с использованием заданного фильтра на основе значений пикселей в заданной окрестности соответствующего ему пикселя емкостного изображения, и по заранее заданному критерию анализируют фильтрованное изображение для обнаружения неоднородности.
Емкостное изображение, как было сказано ранее, содержит маркеры для отрезков, составляющих резкую границу неоднородности, ориентированных под любым углом к направлению движения объекта. Однако эти маркеры представляют собой полосы, которые могут быть как темными, так и светлыми. Непосредственное суждение о наличии неоднородности по значению пикселей емкостного изображения не является возможным. Фильтрованное изображение, в отличие от емкостного изображения, с использованием заданного критерия, позволяет судить о наличии неоднородности на основе значения пиксела фильтрованного изображения. Например, повышенная яркость определенного числа пикселей фильтрованного изображения в какой-либо области может считаться признаком наличия неоднородности в этой области.
В одной из реализаций способа для вычисления значения пикселя фильтрованного изображения вычисляют дисперсию значений пикселей емкостного изображения, принадлежащих заданной окрестности. Этот способ обеспечивает повышенную яркость фильтрованного изображения на местах расположения границы неоднородности. Это происходит за счет того, что отклонение от нейтральной яркости пикселя емкостного изображения как в положительную, так и в отрицательную сторону, возникающее в окрестности границы при любой направленности этой границы, приводит к повышению яркости фильтрованного изображения. Однако описанная реализация также оказывается чувствительной к шумам, поскольку повышение яркости может происходить также из-за наличия в емкостном изображении хаотической структуры из темных и светлых пикселей. Поэтому ее применение ограничено случаем, когда датчик обеспечивает высокое соотношение сигнал/шум.
В другой реализации, применяют фильтр, чувствительный к несущей пространственной частоте, то есть пространственной частоте, направленной в строчном направлении и имеющей период, равный двум пикселям. Такой фильтр способен непосредственно выделить границу неоднородности, направленную перпендикулярно направлению перемещения объекта. За счет частотной избирательности, этот фильтр подавляет шумы, пространственная частота которых в строчном направлении имеет период, отличный от двух пикселей. Это позволяет использовать датчик с худшим соотношением сигнал/шум.
Амплитуда и фаза несущей пространственной частоты, как уже было сказано, определяется компонентой градиента эффективной толщины тонкого объекта, которая соответствует направлению движения объекта. Это свойство используется в одной из реализаций способа, в которой применяют фильтр, чувствительный к пространственной частоте, направленной в строчном направлении и имеющей период, равной двум пикселям, для оценки указанной компоненты градиента.
В развитие такой реализации фильтра, предлагается приблизительно вычислять значение фильтра как величину, пропорциональную дивергенции градиента эффективной толщины тонкого объекта. Эта реализация опирается на известную специалистам по обработке изображения теорию фильтрации Марра-Хилдрет (Marr-Hildreth). В теории Марра-Хилдерт рассматривается поиск резких границ в изображении при помощи сочетания размытия изображения и применения к изображению двумерной производной второго порядка  то есть дивергенции градиента скалярного поля, известной как лапласиан. Точки перехода лапласиана через нейтральное нулевое значение соответствуют границам искомого элемента в изображении. В теории Марра-Хилдерт для размытия используется гауссов фильтр. Последующими работами было показано, что зрение животных и птиц для поиска границ реализует схожую обработку изображения, однако при этом фильтр размытия отличается от гауссового. В заявленном изобретении размытие реализуется за счет интегрирования эффективной толщины тонкого объекта по площади зоны чувствительности. Поэтому, переход дивергенции градиента через нейтральное нулевое значение, обнаруживаемый в фильтрованном изображении, в соответствии с теорией Марра-Хилдерт, позволяет найти положение резкой границы неоднородности тонкого объекта.
Приблизительное вычисление градиента и дивергенции может быть выполнено путем свертки значений пикселей емкостного изображения из заданной окрестности с первой либо со второй матрицей, где первая матрица используется для вычисления пикселя фильтрованного изображения, находящегося в четном столбце, а вторая матрица используется для вычисления пикселя фильтрованного изображения, находящегося в нечетном столбце. Свертка пикселей изображения с матрицей широко используется при обработке изображений как один из наиболее быстрых способов реализации фильтра. Использование двух матриц, для четного и нечетного столбцов соответственно, необходимо для учета фазы несущей пространственной частоты, период которой равен двум пикселям.
На Фиг. 1 показана установка датчика в транспортировочном тракте в виде сечения плоскостью, параллельной направлению движения тонкого объекта.
На Фиг. 2 показано сечение датчика плоскостью, перпендикулярной направлению движения тонкого объекта.
На Фиг. 3 показана упрощенная электрическая схема подключения датчика.
На Фиг. 4 показано расположение передающих пластин измерительных конденсаторов датчика и формирование из них дифференциальных пар.
Фиг. 5 иллюстрирует процесс получения и обработки емкостного изображения.
Фиг. 5А показывает расположение передающих пластин измерительных конденсаторов датчика, форма и размещение которых совпадает с формой и размещением зон чувствительности измерительных конденсаторов. На Фиг. 5В показано емкостное изображение прямоугольной неоднородности тонкого объекта. На Фиг. 5С отображен результат фильтрации емкостного изображения, выявляющего расположение границ неоднородности.
На Фиг. 6 показано, каким образом неоднородность влияет на дивергенцию градиента эффективной толщины тонкого объекта.
Практическая реализация датчика предназначена для использования в счетчике банкнот. В соответствии с этим, при рассмотрении практической реализации, тонким объектом является банкнота. Датчик состоит из двух печатных плат 1 и 2, установленных по разные стороны от пути перемещения банкнот 3 на направляющих 4, 5 тракта. Печатная плата 1 содержит блок 23 управления передающими пластинами (на Фиг. 1 и Фиг. 2 не показан), и сами передающие 7 пластины. Печатная плата 1 закреплена на несущей балке 6, обеспечивающей жесткость конструкции. Для уменьшения скорости износа передающих пластин 7 поверх них ламинирован тонкий слой 8 защитного износостойкого полимера.
Печатная плата 2 содержит блок 24 обработки сигнала с приемной пластины (на Фиг. 1 и Фиг. 2 не показан) и саму приемную 10 пластину. Приемная 10 пластина, аналогично передающим 7 пластинам, выполнена металлизацией печатной платы и также ламинирована слоем 8 защитного износостойкого полимера. Печатная плата 2 закреплена на несущей балке 9, обеспечивающей жесткость конструкции.
Передающие 7 пластины являются первыми пластинами измерительных конденсаторов, а внешняя граница единой приемной 10 пластины охватывает общую внешнюю границу передающих 7 пластин, и приемная 10 пластина является второй пластиной измерительных конденсаторов датчика. Путь продвижения банкноты 3 проходит в зазоре 14 измерительных конденсаторов. Зоны чувствительности измерительных конденсаторов совпадают по форме и местоположению с передающими 7 пластинами.
Балки 6 и 9 по краям скреплены стойками 11. Внутри стоек 11 платы 1 и 2 соединены кабелем (на рисунке не показан), по которому передаются напряжение питания блока 24 обработки сигнала, а также опорный и выходной сигналы синхронного детектора. Плата 1 соединена кабелем 12 с контроллером 22 счетчика банкнот (на Фиг. 1 и Фиг. 2 не показан). По кабелю 12 от контроллера подается напряжение питания устройства и, в виде двоичного параллельного кода, номер активируемой пары. По тому же кабелю от устройства к контроллеру подается выходной аналоговый сигнал синхронного детектора. Контроллер содержит аналого-цифровой преобразователь и процессор, которые позволяют проводить математическую обработку этого сигнала для обнаружения неоднородностей банкноты.
Приемная 10 и передающие 7 пластины отделены от внешних полей при помощи заземленных экранирующих 13 электродов, размещенных в плоскости расположения пластин 7 и 10 и во внутреннем слое печатных плат 1 и 2. Экранирующие 13 электроды не позволяют электрическому полю в конденсаторе выходить за пределы зазора 14 между печатными платами 1, 2 и защищают устройство от проникновения внешних полей к приемной 10 пластине. Шестнадцать передающих 7 пластин имеют обозначения Е0-Е15 (см. Фиг. 3 и Фиг. 4). Передающие пластины 7 имеют форму равнобедренных треугольников, длина основания и высота которых равны размерному параметру датчика, обозначаемому L. Соседние четные 25 и нечетные 26 пластины размещены таким образом, что рядом с основанием одного треугольника находится вершина другого треугольника, противолежащая его основанию. Их центры тяжести 27 и 28 находятся в вершинах пилообразной ломаной линии 29. Пластины E(j) и E(j+1) образуют пару P(j), для значений j от 0 до 14. Пары Р0 - Р14 показаны позициями 30 на Фиг. 4.
Размерный параметр L определяет пространственную разрешающую способность датчика, поэтому, его величина должна быть, по возможности, малой. Значение L выбирают, исходя из размера зазора 14 таким образом, чтобы утечки электрического поля за пределы зазора измерительного конденсатора были бы достаточно малы и не вносили существенных отличий в результат измерения в сравнении с формулой (1). Утечки электрического поля также увеличивают паразитное влияние расстояния от поверхности банкноты до пластины на емкость измерительного конденсатора, вносящее случайную погрешность. В соответствии с экспериментами и численным моделированием электростатического поля в датчике, при размере зазора 14, равном 1 мм, параметр L желательно выбирать не менее 6 мм.
Блок 23 управления передающими пластинами содержит кварцевый генератор 15 частотой 50 МГц, счетный триггер 16 с прямым Q и инверсным /Q входами и мультиплексор 17. С выходов триггера 16 поступают противофазные прямоугольные меандры с частотой 25 МГц, равной половине частоты кварцевого генератора 15. По линиям GN0-GN3 на мультиплексор от контроллера счетчика банкнот выдается номер пары измерительных конденсаторов, передающие пластины 7 которых должны возбуждаться в данный момент. Мультиплексор 17 является комбинационной логической схемой, которая, в каждый момент времени разводит сигналы Q и /Q на выходы Е0-Е15, соединенные с одноименными передающими пластинами. Когда на линиях GN0-GN3 контроллером выставлен номер пары j, то мультиплексор выдает на выход E(j) сигнал со своего входа /Q, на выход E(j+1) он выдает сигнал со своего входа Q, а на остальных выходах устанавливается уровень логического 0. Таким образом, на пластины E(j) и E(j+1), образующие пару P(j), подаются противофазные сигналы возбуждающей частоты, равной 25 МГц. Мультиплексор 17 реализован в виде программируемой логической матрицы, изготовленной по технологии CMOS. Сигналы, поступающие на передающие 7 пластины, имеют форму прямоугольных меандров, и размах 3,3 В. Если на передающую пластину не подается сигнал, она соединяется с общим проводом схемы. Платы 1 и 2 установлены с постоянным зазором 14, достаточным для свободного прохождения банкноты, в том числе изношенной, помятой либо слипшейся с другой банкнотой. Передающие 7 пластины Е0-Е15 образуют, совместно с приемной 10 пластиной, ряд измерительных конденсаторов. Емкость паразитного конденсатора, образованного приемным 10 и экранирующими 13 электродами, многократно превышает емкости каждого из измерительных конденсаторов. Блок 24 обработки сигнала с приемной 10 пластины содержит усилитель 18 с резонансной входной цепью 19, настроенной близко к половинной частоте кварцевого генератора 15. С выхода усилителя 18 сигнал подается на балансный смеситель 20. На опорный вход балансного смесителя 20 подается возбуждающий сигнал с выхода Q счетного триггера 16. Балансный смеситель 20 выполняет функцию аналогового перемножения сигналов, поданных на его входы. На выходе балансного смесителя 20 подключен RC-фильтр 21, которым задается постоянная времени интегрирования синхронного детектора. С выхода RC-фильтра выходной сигнал датчика направляется в контроллер 22 счетчика банкнот для проведения аналого-цифрового преобразования и последующей вычислительной обработки.
Входная резонансная цепь 19 обеспечивает преобразование тока приемной 10 пластины во входное напряжение усилителя 18. Так как это напряжение оказывается многократно меньше напряжения возбуждения на передающих пластинах, то при расчете тока приемной пластины через зазор можно считать, что его потенциал равен 0. Резонансный характер входной 19 цепи обеспечивает выделение основной гармоники частоты возбуждения. Наоборот, высшие гармоники частоты возбуждения, а также внешние радиочастотные помехи, подавляются этой цепью. Индуктивность в резонансной цепи 19 позволяет избежать потери сигнала из-за влияния паразитных конденсаторов между приемной 10 пластиной, с одной стороны, экранирующими 13 электродами и неактивированными передающими 7 пластинами, с другой стороны. Сигнал на пути от триггера 16 через мультиплексор 17, передающие пластины 7 и 10, резонансную входную цепь 19 и усилитель 18 приобретает сдвиг по фазе. Для того чтобы обеспечить наиболее эффективное детектирование балансным смесителем 20, этот сдвиг должен быть равен 0 или кратен 180 градусам. Такую величину можно подобрать за счет параметров элементов усилителя 18 и резонансной цепи 19. Постоянная времени RC-фильтра 21 должна быть многократно больше периода возбуждающего сигнала, но существенно меньше времени проведения измерения отклика дифференциальной пары. Это время задается контроллером в виде интервала t, в течение которого на входы GN0-GN3 подается номер определенной пары измерительных конденсаторов. RC-фильтр подавляет пульсации на выходе балансного смесителя и выделяет среднее значение произведения входных сигналов. К концу интервала t проведения измерения на выходе устройства стабилизируется уровень, пропорциональный амплитуде сигнала с приемной пластины и косинусу сдвига фазы между опорным сигналом и сигналом с приемной пластины.
В соответствии с противофазным характером возбуждения пластин, составляющих пару P(j), отклик этой пары пропорционален разности емкостей измерительных конденсаторов, образуемых пластинами E(j+1) и E(j). То есть, этот отклик пропорционален разности между усредненной эффективной толщиной банкноты, находящейся в зазоре над пластиной E(j+1), и усредненной эффективной толщиной банкноты, находящейся в зазоре над пластиной E(j).
Контроллер обеспечивает последовательную регистрацию откликов пар Р0-Р14 и сохранение этих откликов в строке емкостного изображения. Для этого он устанавливает на линиях GN0-GN3 номер пары 0 и, через заданный интервал t времени, необходимый для стабилизации напряжения на выходе RC-фильтра 21, производит аналого-цифровое преобразование. Результат аналого-цифрового преобразования сохраняется как отклик пары Р0 в соответствующем пикселе строки емкостного изображения. Затем, контроллер устанавливает на линиях GN0-GN3 номер пары 1 и, аналогичным образом, сохраняет результат аналого-цифрового преобразования как отклик пары Р1. Эта последовательность выполняется для всех пар вплоть до Р14. На этом, регистрация строки завершается. Каждой паре в емкостном изображении соответствует пиксель шириной L/2.
Регистрация следующей строки емкостного изображения происходит после того, как банкнота сместится на 1/8 величины размерного параметра L. Соответственно, высота каждого пикселя емкостного изображения составляет L/8. Такой выбор частоты дискретизации в направлении движения банкноты обеспечивает общее повышение пространственной разрешающей способности емкостного изображения без уменьшения значения L.
На Фиг. 5В приведен пример отображения в емкостном изображении неоднородности на банкноте, имеющей резкую границу 33 и повышенную толщину. В описываемом примере, эта неоднородность представляет собой слой клейкой ленты. Как уже указывалось, листовой объект, например, банкноту, саму можно рассматривать как предельный случай неоднородности. В соответствии с этим, границы банкноты тоже должны отображаться на емкостном изображении. Однако во избежание загромождения рисунка отображение границ банкноты на Фиг. 5В намеренно не показано, а сам рисунок выполнен таким образом, как если бы границы банкноты находились за его пределами. Более светлые и более темные участки на емкостном изображении передаются при помощи более частого или более редкого размещения знаков + и -, соответственно.
На Фиг. 5А показано размещение передающих пластин 7 датчика для геометрической привязки к ним элементов емкостного изображения, показанных на Фиг. 5В. Стрелка 32 указывает направление движения банкноты. В соответствии с этим направлением, нижняя (по рисунку) кромка границы 33 неоднородности движется вниз и входит сверху (по рисунку) в область размещения передающих пластин 7 датчика. За счет того, что неоднородность достигает сначала центров 27 тяжести четных 25 пластин, а уже затем центров 28 тяжести нечетных 26 пластин, емкость измерительных конденсаторов, соответствующих четным 25 пластинам, по ходу движения увеличивается сильнее, чем емкость измерительных конденсаторов, соответствующих нечетным 26 пластинам. Это приводит к отрицательному отклику нечетных пара и образованию в емкостном изображении темных 36 полос в столбцах, соответствующих нечетным парам. Аналогично, четные пары дают положительный отклик и образуют светлые 37 полос в столбцах, соответствующих четным парам. Когда нижняя кромка неоднородности достигает нижней кромки области размещения передающих пластин 7 датчика, то неоднородность полностью покрывает как четные, так и нечетные пластины, из-за чего отклик пар, находящихся внутри неоднородности, исчезает. Соответствующие этим парам пиксели имеют нейтральное значение.
В точности обратный процесс происходит, когда верхняя (по рисунку) кромка границы 33 неоднородности входит сверху в область размещения передающих пластин 7 датчика. Неоднородность освобождает сначала центры 27 тяжести четных 25 пластин, а уже затем центры 28 тяжести нечетных 26 пластин. Это приводит к образованию в емкостном изображении светлых 38 полос в столбцах, соответствующих нечетным парам, и темных 39 полос в столбцах, соответствующих четным парам.
Протяженность полос 37-39 определяется длительностью продвижения кромки границы 33 через зоны чувствительности емкостных конденсаторов датчика, и потому равна размерному параметру L датчика. Эти полосы создают коридор шириной L вокруг кромки границы 33, направленной перпендикулярно направлению движения банкноты. Коридор характеризуется наличием в нем несущей пространственной частоты. Фаза пространственной частоты определяется знаком перепада эффективной толщины, возникающего на кромке границы 33 неоднородности, окруженной коридором. Амплитуда несущей пространственной частоты определяется величиной перепада эффективной толщины.
Рассмотрим поведение датчика в то время, когда неоднородность покрывает соответствующие передающие пластины 7 от верхней кромки до нижней. На этом интервале, кромки границы 33, направленные по направлению движения банкноты, проходят по оси симметрии пластин Е3 и Е13 и наполовину перекрывают эти пластины. Пластины Е0 - Е2 оказываются неперекрытыми, пластины Е4 - Е12 перекрытыми полностью, а пластины Е14, Е15 также остаются неперекрытыми. Соответственно, емкости всех измерительных конденсаторов, составляющих пары, кроме пар Р2, Р3 и Р12, Р13, оказываются равными. Поэтому, отклик всех пар, кроме пар Р2 и Р13, оказывается нулевым. Пары Р2, Р3 дают положительный отклик и формируют светлые полосы 34, а пары Р12, Р13 дают отрицательный отклик и формируют темные полосы 35. Возможен случай, когда кромка границы 33, направленная по направлению движения банкноты, проходит по двум соседним пластинам, например, по пластинам Е3 и Е4. Тогда, в добавление к положительным откликам пар Р2, Р3, также возникает положительный отклик соседней пары Р4. Таким образом, кромка границы 33, направленная по направлению движения банкноты, вызывает отклик двух либо трех соседних пар, имеющий один и тот же знак. Поэтому, в емкостном изображении кромка границы 33, направленная по направлению движения банкноты, окружена коридором с шириной, равной L или же 1,5L. Все пиксели в этом коридоре имеют один знак яркости и являются либо светлыми, как 34, либо темными, как 35. Знак яркости определяется знаком перепада эффективной толщины, возникающего на кромке границы 33 неоднородности, окруженной коридором. Абсолютное значение яркости определяется величиной перепада эффективной толщины.
В более общем случае наклонного отрезка кромки границы, указанный отрезок также оказывается окружен коридором, заполненным полосами, ширина которого равна или несколько превышает L. Заполнение коридора происходит как результат суперпозиции чередующихся темных и светлых полос, соответствующих проекции отрезка на направление перпендикулярное направлению движения банкноты, и пикселей с одинаковым знаком яркости, соответствующих проекции отрезка на направление движения банкноты.
Емкостное изображение неизбежно оказывается искаженным за счет наличия ряда артефактов, возникающих из-за отклонений в работе датчика от описанного здесь идеального представления. Во-первых, дифференциальные пары Р0 - Р14 имеют индивидуальные значения начального дисбаланса, обусловленный геометрическими погрешностями изготовления датчика и разбросом характеристик элементов блока 23 управления передающими пластинами 7. Начальный дисбаланс дифференциальных пар приводит к появлению в емкостном изображении постоянных индивидуальных смещений яркости столбцов. Смещения яркости столбцов являются неизменными и должны быть компенсированы за счет методов калибровки, известных специалистам в области датчиков изображений. Для калибровки регистрируют пустое емкостное изображение в отсутствии банкноты и далее используют его в качестве опорного. После регистрации емкостного изображения банкноты, из него вычитают опорное изображение и, таким образом, устраняют смещения яркости столбцов. В описываемой практической реализации изобретения калибровку необходимо производить, если указанные артефакты создают существенные помехи обнаружению неоднородностей.
Второй тип артефактов связан с крутильными колебаниями балок 6 и 9, возникающими в результате вибраций механизма перемещения банкноты. Эти крутильные колебания приводят к неравномерности зазора 14, при котором расстояние от соседних четных 25 и нечетных 26 передающих пластин до приемной пластины 10 оказываются неравными. Такая неравномерность зазора приводит к возникновению паразитного рисунка из чередующихся темных и светлых полос в части емкостного изображения. Обычно, частота крутильных колебаний оказывается многократно ниже частоты регистрации строк емкостного изображения, поэтому указанные чередующиеся полосы имеют длину, существенно превышающую 10 пикселей в направлении движения банкноты. В результате, емкостное изображение оказывается покрыто одними участками, где чередующиеся паразитные полосы присутствуют, и другими участками, где они отсутствуют. На участках с паразитными полосами имеется несущая пространственная частота, не связанная с границей неоднородности. Это создает возможность для ложного обнаружения границ неоднородности. В связи с динамическим характером возникновения описанного типа артефактов, его нельзя компенсировать при помощи калибровки.
И, наконец, третий тип артефактов связан с регистрацией датчиком шумов и помех. Эти артефакты возникают в виде случайных отклонений яркости пикселей, которые приводят к созданию шумового изображения, наложенного на емкостное изображение банкноты. Шумовое изображение имеет широкий и равномерный частотный спектр и содержит пространственные частоты как с низкой, так и высокой пространственной частотой, и с произвольной ориентацией.
Второй и третий тип артефактов желательно частично или полностью устранить в ходе фильтрации емкостного изображения. Для этого, в описываемой реализации изобретения применяется фильтрация на основе вычисления дивергенции градиента эффективной толщины банкноты. На Фиг. 5С показано фильтрованное изображение, полученное на основе емкостного изображения, изображенного на Фиг. 5В. Знак яркости на фильтрованном изображении передается при помощи размещения символов + и -.
0
Рассмотрим, каким образом градиент эффективной толщины банкноты отображается в емкостном изображении. Векторы 49 градиента эффективной толщины банкноты всегда направлены по нормали к границе 33 неоднородности. Для простоты рассмотрим сначала одномерный случай, который соответствует изменению эффективной толщины банкноты вдоль оси 52, соответствующей координате Y емкостного изображения. Для положения оси 52, показанного на Фиг. 5, вектор градиента 49 параллелен направлению 32 движения банкноты и целиком представляется своей проекцией на ось 52. Толщина неоднородности равна Δh, при этом переход от толщины банкноты hк толщине неоднородности происходит на границе 33 в течение короткого интервала длины D, как показано при помощи графика 53. Малая длина этого интервала в сравнении с L, собственно, и обозначает, что неоднородность имеет резкую границу.
S
При регистрации емкостного изображения емкость измерительного конденсатора, однако, не может резко измениться на коротком интервале D, так как зона чувствительности имеет большой размер L и эффективная толщина усредняется по всей этой зоне. Соответственно, интервал изменения емкости измерительного конденсатора также равен L. Поэтому, емкостной датчик воспринимает резкую границу неоднородности как более плавный переход, на котором интервал изменения толщины равен L. Это явление показано на Фиг. 6 графиком 54 воспринимаемой толщины h(y). Градиент воспринимаемой толщины, представленный своей компонентой по Y, показан графиком 56. Он отличается от нуля только вблизи границы, а именно в пределах коридора шириной L, где он представляется колоколообразной кривой. Экстремум этой кривой примерно соответствует реальному положению резкой границы 33 неоднородности.
Форма перехода на графике воспринимаемой толщины 54 определяется геометрией передающих пластин 7 и является неизменной, так что график изменяется только по высоте в зависимости от Δh. Соответственно, и форма колокола на графике градиента 56 является неизменной. Экстремальное значение градиента, то есть высота колокола, пропорционально толщине неоднородности Δh и может быть использовано для оценки этой толщины. Если D много меньше L, то экстремальное значение градиента не зависит от величины интервала D.
На основе емкостного изображения, компонента градиента в направлении Y может быть найдена с использованием амплитуды и фазы несущей пространственной частоты. Абсолютное значение указанной компоненты градиента пропорционально амплитуде, а ее знак определяется фазой несущей пространственной частоты.
Аналогичным образом ведет себя градиент для другого одномерного случая, рассматриваемого в направлении оси X, перпендикулярной оси Y. Значение компоненты градиента в направлении X, в соответствии с дифференциальным принципом работы датчика, пропорционально значению емкостного изображения. При этом, однако, это значение емкостного изображения должно быть очищено от мешающего влияния несущей пространственной частоты. Каким образом может быть выполнена эта очистка, будет детально рассмотрено далее.
Вблизи границы 33, по всей ее длине, модуль градиента воспринимаемой толщины достигает экстремального значения, которое пропорционально толщине неоднородности Δh. Поэтому, поиск контура, проходящего через экстремальные точки градиента, позволяет обнаружить границу 33 неоднородности, а модуль экстремальных значений на этом контуре позволяет найти толщину неоднородности Δh. Эти соображения далее используются в практической реализации изобретения, описываемой здесь.
Для поиска контура, на котором модуль градиента достигает экстремального значения, в теории обработки изображения широко применяют вычисление производной градиента. Дивергенция градиента, также известная как лапласиан, для описанного одномерного случая в направлении оси 52 есть просто производная компоненты градиента по Y, так как другая компонента градиента, ортогональная Y, для рассматриваемого положения оси 52 всегда равна 0. Для нас интерес представляет величина параметра границы , отображаемая на графике 55. Как видно по графику, эта величина отлична от нуля только в пределах коридора вокруг границы 33. Она пересекает нулевую ось вблизи реального положения резкой границы 33, больше нуля в пределах неоднородности, и меньше нуля за пределами неоднородности. Форма этого графика определяется формой графика градиента 56 и потому неизменна. Размах графика 55 дивергенции пропорционален Δh, аналогично высоте колокола на графике градиента 56.
Дивергенция градиента ведет себя аналогичным образом и для другого одномерного случая в направлении оси X.
В отличие от известных в уровне техники способов поиска границ при помощи численного усреднения яркости пикселей изображения и вычисления дивергенции градиента усредненной яркости, в заявленном изобретении усреднение и нахождение градиента осуществляются непосредственно в датчике и его измерительной схеме, состоящей из блоков 23 и 24. При этом, компонента градиента в направлении Y кодируется датчиком в виде амплитудной модуляции емкостного изображения при помощи несущей пространственной частоты.
Параметр границы Е может быть, с точностью до постоянного коэффициента, вычислен в качестве результата фильтрации емкостного изображения. Фильтрованное изображение Фиг. 5С, которое можно сопоставить с емкостным изображением на Фиг. 5В, представляет собой пространственное распределение величины, пропорциональной параметру границы Е. Обобщая описанные два случая на двумерное распределение, можно заметить, что на фильтрованном изображении коридор вокруг границы 33 складывается из области 46 положительных значений Е, области 47 отрицательных значений, и области 45 значений Е, близких к нулю.
Непосредственный поиск границы неоднородности как геометрического места точек максимума градиента требует существенных вычислительных затрат, поскольку предполагает возведение в квадрат компонент градиента для каждого пикселя, и их суммирование, а также сортировку пикселей. В то же время, для поиска границы неоднородности, вместо поиска точек, где модуль градиента достигает максимума, достаточно найти точки перехода параметра границы Е через ноль. Эти точки располагаются в области 45. Однако, как известно из опыта применения теории Марра-Хилдрет, при непосредственном использовании признака перехода значения Е через ноль будут обнаруживаться как истинные неоднородности, характеризующиеся большими абсолютными значениями Е, так и ложные неоднородности шумового происхождения, для которых абсолютные значения Е очень малы.
В описании практической реализации используется альтернативный метод, основанный на том, что в области 46, находящейся в пределах неоднородности вблизи границы 33 неоднородности, значение Е>>0. Поэтому, область 46 может быть выделена при помощи бинаризации фильтрованного изображения с использованием слабоположительного порога Т, значение которого выбирается достаточным для подавления влияния шумов. Область, возникающая в результате бинаризации на месте области 46, будет представлять собой обводку неоднородности по внутренней части каймой, имеющей ширину, примерно равную L/2. Площадь этой области примерно пропорциональна периметру неоднородности. Это свойство может быть использовано для избирательного обнаружения лишь тех неоднородностей, которые превышают заданный размер.
Необходимо учитывать, что все рассуждения о производных непрерывной функции, а также и выражения с использованием этих производных, могут быть перенесены на дискретное емкостное изображение лишь приближенно. Для емкостного изображения, как и для любого дискретного изображения, состоящего из пикселей, дифференциалы можно лишь приближенно представить в виде конечных разностей. Кроме того, необходимо заменить дифференциалы геометрических координат по осям X и Y на значения размера пикселя. Поэтому, производные, приближенно вычисляемые как отношения конечных разностей, содержат постоянный коэффициент, определяемый размером пикселя. Форма областей 45-47 подвергается некоторому искажению (на Фиг. 5С не показано) в связи с достаточно грубой пиксельной структурой емкостного и фильтрованного изображений, а также приблизительностью расчета производных. Указанные здесь ограничения хорошо известны специалистам, занимающимся обработкой дискретных изображений.
Фильтрация в описываемой реализации изобретения производится на основе свертки емкостного изображения с квадратными матрицами размерности 3×3. Свертка используется как для выделения несущей пространственной частоты, так и для вычисления дивергенции. Дивергенция двумерной векторной величины F, как следует из ее определения, есть сумма двух частных производных от компонент этой векторной величины:
.
Для приближенного вычисления первого слагаемого
применяется матрица А, а для нахождения пространственной частоты и вычисления второго слагаемого используется матрица В.
Матрица А задается как
.
Первый и последний столбцы матрицы взаимно противоположны, а средний столбец равен нулю, что при свертке обеспечивает вычисление частной производной по X от значений емкостного изображения, то есть величины, пропорциональной . За счет того, что противоположные столбцы разнесены на 2 пиксельных интервала, матрица А нечувствительна к несущей пространственной частоте, которая имеет период, равный двум пикселям. Этим обеспечивается требуемая очистка от влияния несущей пространственной частоты. Увеличенные значения в средней строке по сравнению с верхней и нижней строками обеспечивают малую степень снижения пространственной разрешающей способности при формировании фильтрованного изображения.
Матрица В задается как
.
Верхняя и нижняя строки матрицы состоят из симметрично расположенных знакопеременных элементов, сумма которых равна 0, что при свертке дает высокую корреляцию с несущей пространственной частотой. Отметим, что, для случаев получения пикселей соседних четного и нечетного столбцов фильтрованного изображения свертка с матрицей В дает противоположные знаки, поскольку фаза несущей пространственной частоты в соседних столбцах емкостного изображения изменяется на 180 градусов. Для сохранения знака результата свертки, нужно чередовать знак самой матрицы В при применении ее к четным и нечетным столбцам. При соблюдении указанного чередования, результаты корреляции с верхней и с нижней строками оказываются пропорциональными соответствующей компоненте градиента воспринимаемой толщины .
Верхняя и нижняя строки матрицы В взаимно противоположны, а средняя строка равна нулю, что при свертке обеспечивает вычисление частной производной по Y от значения, пропорционального , то есть величины, пропорциональной . Свойство противоположности строк делает матрицу В нечувствительной к значениям пикселей в столбцах емкостного изображения, которые мало изменяются от строки к строке этого изображения. За счет этого полностью подавляется чувствительность к неизменным смещениям яркости столбцов, и в очень существенной мере подавляются артефакты, связанные с крутильными колебаниями балок 6 и 9. Кроме того, за счет противоположности строк подавляется проникновение ортогональной компоненты, пропорциональной , поскольку эта компонента вызывает изменения значений пикселей между соседними столбцами, но не в пределах одного столбца. Увеличенные значения в среднем столбце матрицы по сравнению с левым и правым столбцами обеспечивают малую степень снижения пространственной разрешающей способности при формировании фильтрованного изображения.
Для получения значения фильтра, пропорционального параметру границ , используются две матрицы, одна из которых применяется к четным столбцам емкостного изображения, а другая - к нечетным. Для четных столбцов, соответствующих четным номерам дифференциальной пары, применяется матрица А+kB, а для нечетных столбцов применяется матрица А - kB. Каждая из этих матриц обеспечивает получение и суммирование слагаемых дивергенции с необходимым знаком. Коэффициент к необходим для компенсации влияния различного размера пикселей в направлениях X и Y. Он численно равен отношению размера пикселя по X к размеру пикселя по Y. Мы будем обозначать обе матрицы одним символом С как С=А±kB, предполагая соответствующий выбор знака в соответствии с четностью столбца.
Структура матриц А и В обеспечивает подавление паразитного влияния друг на друга ортогональных компонент градиента в направлениях X и Y, как уже было показано для каждой из этих матриц в отдельности.
При свертке с матрицей С значение пикселя фильтрованного изображения есть линейная комбинация восьми величин различных пикселей емкостного изображения. За счет этого уменьшается относительный вклад каждого из шумовых артефактов емкостного изображения, рассматриваемых как независимые случайные величины. Кроме того, так как дивергенция является производной векторной величины, то она уменьшает проникновение низкочастотных пространственных частот шумовых артефактов емкостного изображения. Этот фактор дополнительно снижает влияние шумов емкостного изображения, поскольку низкочастотные шумовые пространственные частоты практически не проникают в фильтрованное изображение. Таким образом, применение свертки емкостного изображения с матрицей С в очень существенной степени подавляет артефакты, связанные с крутильными колебаниями балок 6 и 9, а также с пиксельными шумами емкостного изображения.
Дискретность фильтрации с размером матрицы 3×3 приводит к расширению области 47 в наружном направлении на 1 пиксель, и к увеличению области 46 вовнутрь на ту же величину. Этот эффект, однако, не имеет непосредственного влияния на область 45. С другой стороны, область 45 может несколько отклоняться от границы 33 из-за упомянутого здесь влияния дискретности емкостного и фильтрованного изображений.
В соответствии с описанным здесь, свертка емкостного изображения на Фиг. 5В с матрицей С формирует фильтрованное изображение, показанное на Фиг. 5С. Затем, к фильтрованному изображению на Фиг. 5С применяют пороговую бинаризацию, которая выделяет все пиксели, превышающие заранее заданный противошумовой слабоположительный порог Т. Этот порог выбирают экспериментально и по возможности малым по величине, чтобы исключить выделение шумовых областей при бинаризации, а также отклик на неоднородности малой эффективной толщины, которые не требуется обнаруживать. В описываемом примере реализации, практической задачей является обнаружение негодных банкнот, склеенных с использованием клейкой ленты. Область, заклеенная клейкой лентой, имеет резкие границы 33 и обладает толщиной на уровне примерно 35-45% от толщины банкноты. За счет выбора порога Т из рассмотрения исключаются неоднородности меньшей толщины, которые присутствуют в структуре подлинной годной банкноты, но выделяются пиксели неоднородности, образованной слоем клейкой ленты. В результате, при помощи бинаризации выделяют пиксели, относящиеся к положительной области 46.
Далее, для обнаружения неоднородности, подсчитывают количество выделенных пикселей в бинаризованном изображении. Если это количество превышает заранее заданный порог М, то делают вывод о наличии неоднородности в области, содержащейся в емкостном изображении. В противном случае делают вывод об отсутствии неоднородности. Порог М выбирают в соответствии с решаемой практической задачей, так чтобы исключить обнаружение очень малой неоднородности, не имеющей важного значения, а также ложные шумовые срабатывания. Из подсчета пикселей должна быть исключена кайма вдоль края банкноты, имеющая ширину L, поскольку края банкноты определяются датчиком совершенно аналогично границе неоднородности и могут провоцировать ложные обнаружения неоднородности.
Контроллер 22 управляет механизмом транспортировки банкнот, обеспечивая их слистывание из подающего кармана и прохождение в зазоре 14 датчика. Получение данных с емкостного датчика и их вычислительная обработка в описанной реализации заявленного способа, также выполняются контроллером 22 счетчика банкнот. Названные действия включают в себя управление получением емкостного изображения, его фильтрацию с получением фильтрованного изображения, бинаризацию фильтрованного изображения, а также подсчет количества выделенных пикселей по результатам бинаризации с использованием порога Т, сравнение найденного количества с порогом М и вынесение решения о наличии или отсутствии неоднородности на банкноте. На основании вынесенного решения, контроллер выдает команды на исполнительные элементы механизма счетчика банкнот, чтобы направить банкноту с неоднородностью в карман отбраковки. Если сделан вывод об отсутствии неоднородности, банкнота учитывается в результатах счета как годная и направляется в приемный карман.
Описанный здесь критерий обнаружения неоднородности является одним из множества возможных и не ограничивает возможностей реализации заявленного изобретения. При реализации заявленного изобретения могут быть использованы и другие критерии, соответствующие решаемой технической задаче и основанные на свойствах фильтрованного изображения. Например, для исключения из рассмотрения несущественных мелких неоднородностей объекта, имеющих шумовой характер и соответствующих высоким пространственным частотам, может проводиться дополнительная частотная фильтрация фильтрованного изображения. Также, перед проведением бинаризации фильтрованное изображение может быть преобразовано к меньшему размеру пикселя путем интерполяции. Это позволяет повысить точность приближения формы бинаризованного изображения к реальной форме границы неоднородности. Указанные здесь пути улучшения позволяют достигнуть более надежного обнаружения неоднородностей.