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1 Einleitung
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Der
Einsatz von automatischen Sichtprüfungssystemen besitzt
hohe Relevanz für eine effiziente Qualitätsprüfung
innerhalb industrieller Fertigungsprozesse. Abhängig von
der strukturellen Beschaffenheit der zu analysierenden Objektoberflächen
ist es mit gängigen Systemen oftmals nicht möglich,
die erforderliche Informationsmenge anhand einer einzigen Kameraaufnahme
zu erfassen. Diese Tatsache kann die Einhaltung der Realzeitkriterien,
denen das Qualitätsprüfungssystem unterliegt,
erheblich erschweren oder gar verhindern. Die Problematik liegt
im Wesentlichen darin, dass sich die gleichzeitige Erfassung aller
relevanten Oberflächenbereiche nicht immer mit der erforderlichen
Mindestauflösung bzw. dem gewünschten Kontrast durchführen
lässt. Eine entscheidende Rolle spielen die räumlichen
Anordnungen der Beleuchtungsquelle und des optischen Sensors relativ
zur erfassten Oberfläche. Die Richtung der von der Oberflächenstruktur
reflektierten Intensitätsmaxima hängt bei gleichbleibender
Lage des Messobjekts vom räumlichen Einfallswinkel der
Beleuchtung ab. Wenn sich die Struktur innerhalb des zu erfassenden
Bereichs z. B. aufgrund eines Defekts ändert, erfolgt auch
eine Richtungsänderung des reflektierten Lichts (siehe 1).
In diesem Fall ist ein räumlich fest angeordneter Detektor
nicht immer in der Lage, alle informationstragenden Lichtstrahlen,
die über den optischen Sensor zur Erzeugung eines Bildes
mit ausreichendem Kontrast beitragen, zu erfassen. Eine wirksame Lösung
bietet die Erzeugung mehrfacher Aufnahmen innerhalb verschiedener
angepasster Beleuchtungssituationen. Dabei wird die Informationsgewinnung
in den meisten Fällen durch eine Lageänderung
der Lichtquelle im Beleuchtungshalbraum bei feststehender Kamera
vorgenommen. In 2 ist eine solche Aufnahmesituation
veranschaulicht, die Lichtquelle bestrahlt eine Oberfläche
in Richtung b, wobei ein Teil des von der Oberfläche reflektierten
Lichts von einer Kamera in Richtung z aufgenommen wird. Die Richtung
b wird hier durch den Elevationswinkel θ und den Azimutwinkel φ definiert.
Die Menge der bei den unterschiedlichen Aufnahmen erzeugten Bilder wird
als Bilderserie bezeichnet. Jedes der Einzelbilder enthält
Informationen über Teilbereiche der gemessen Oberfläche.
Zur übersichtlichen Auswertung der gewonnenen Nutzinformation,
die auf mehrere Einzelbilder verteilt ist, werden Algorithmen und
Methoden aus dem Bereich der Bildfusion verwendet. Im Wesentlichen
geht es hier um die Zusammenfassung (Fusion) aller merkmalsrelevanten
Bildpartien innerhalb eines Ergebnisbilds.
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Die
Vorteile des beschriebenen Gebiets können in einem breiten
Bereich von Prüfaufgaben des industriellen Umfelds Verwendung
finden. Die Einstellung einer optimalen Aufnahmesituation ist vornehmlich
von der strukturellen Beschaffenheit des zu vermessenden Oberflächenbereichs
abhängig. Entsprechend findet man unterschiedliche Forschungsaktivitäten,
in denen anwendungsorientierte Verfahren und Methoden dieses Bereichs
bearbeitet werden. Wirksame Erkenntnisse werden durch automatische
Vorrichtungen unterstützt, die auf flexible Weise in der
Lage sind, selbsttätig eine Vielzahl von Aufnahmeeinstellungen
zu reproduzieren.
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2 Stand der Technik
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Die
Erfindung gehört zur Familie der Gonioreflektometer. Hiervon
ist eine Vielzahl von Ausführungen veröffentlicht.
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In
der
Veröffentlichung von M. Heizmann and F. Puente
León: "Automated analysis and comparison of striated toolmarks"
des European Meeting for Shoeprint/Toolmark Examiners (SPTM 2001),
das in Berlin im Mai 2001 stattgefunden hat, ist eine Lösung zur
variablen Bildgewinnung durch die Vorrichtung GE/2 des Institutes
für Mess- und Regelungstechnik der Universität
Karlsruhe erwähnt. Die Objektoberfläche wird in
dieser Vorrichtung im mittleren Bereich eines Beleuchtungsfeldes
angebracht. Das Beleuchtungsfeld ist von runder Form und besteht
aus nebeneinander angeordneten monochromatischen LEDs. Das erzeugte
Licht wird durch einen Aufsatz mit einer paraboloidförmigen,
spiegelnden Fläche auf die zu analysierende Oberfläche
fokussiert. Der Anteil des Lichts, der in einem begrenzten Winkel
zur Oberflächennormale vom Messobjekt reflektiert wird,
gelangt über eine kreisförmige Öffnung
in der Mitte der Paraboloidfläche in das optische System
eines Makroskops. Dieses bildet die einfallenden Strahlen auf einen
optoelektronischen Sensor ab. Die unterschiedlichen Beleuchtungswinkel
im Halbraum werden durch gezieltes Aktivieren von zusammenhängenden
Teilemengen des LED-Feldes generiert. Der Systemaufbau begrenzt
die Oberflächengröße auf ca. 1 cm × 1
cm. Desweiteren ist die Einsatzmöglichkeit verschiedener
Detektoren aufgrund der festen Beleuchtungs- und Abbildungseigenschaften
stark begrenzt.
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Aus
der Veröffentlichung von Eusebio de la Fuente López
and Félix Miguel Trespaderne: "Inspection of metallic stamped
Parts using an image fusion technique" des IFAC Workshops (IMS'07),
der im Mai 2007 an der Universität von Alicante-Spanien stattgefunden
hat, ist ein weiteres, gattungsgemäßes System
bekannt, das vom Departamento Ingenieria de Sistemas y Automática
der Escuela Técnica Superior Ingenieros Industriales der
Universität von Valladoid entwickelt wurde. Hierbei handelt
es sich um einen Messkopf, der aus einer Kamera und zwei Beleuchtungen
besteht. Die Richtung der zwei Beleuchtungen ist gegenüber
der optischen Achse der Kamera um einen festen Winkel geneigt. Durch
einen Aufnahmeprozess wird eine Bilderserie generiert, die aus zwei
Einzelbildern besteht und die es erlaubt, Materialdefekte von gestanzten
Metallbauteilen zu detektieren. Der Messkopf kann in der industriellen Umgebung
mittels eines Roboterarms in jeder erreichbaren Umgebung der zu
analysierenden Bauteiloberfläche positioniert werden. Diese
Lösung eignet sich nur für eine bestimmte Klasse
von Oberflächenmerkmalen (z. B. Risse und linienförmige
Verformungen auf Metalloberflächen), da sowohl die Anzahl
als auch die räumliche Lage der Beleuchtungen gegenüber
des Detektors fest ist.
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Aus
der Druckschrift
DE
10139645 C2 ist ein Goniometer zur winkelaufgelösten
ellipsometrischen Untersuchung einer Probe bekannt, bei dem zwei
bewegliche Elemente des Ellipsometers auf konzentrischen Kreisbahnen
um die Probe bewegbar sind.
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Die
Druckschrift
DE 19962407
B4 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum richtungsabhängigen
Erfassen von optischen Eigenschaften reflektierender Objekte, wie
z. B. reflektiv betriebener Flüssigkristall-Zellen mit
einem Deckglas, durch winkelabhängiges Messen der Intensität
einer vom Objekt modulierten und reflektierten, isotrop diffusen
Bestrahlung, wobei die zur Aufnahmerichtung spekularen Strahlen
bestrahlungsseitig abgeschattet werden.
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In
der Patentschrift
DE
10143602 B4 wird eine Einrichtung zur messtechnischen Bewertung
eines diffus beleuchteten, reflektierenden Objekts, insbesondere
einer reflektierenden Anzeige beschrieben, auf dessen Zentrum aus
unterschiedlichen Richtungen über Reflektoren oder über
abbildende Systeme Lichtquellen und eine Anzahl von Empfängern
aus optoelektrischen Wandlern und abbildenden optischen Systemen
fokussiert sind, um nur Reflexionen aus einem kleinen Flächenbereich
im Zentrum der Oberfläche des Objekts für deren
detektorisches Umsetzen in ein auf Raumrichtung bezogenes, helligkeitsabhängiges,
elektrisches Signal zu erfassen, wofür ein Viertelkreisbogen
eines um die Radialachse durch ein Pol verdrehbaren Halbkreisbogens
mit Empfängerlinsen besetzt ist, aber auf dem gegenüberliegenden
Viertelkreisbogen in der jeweiligen Spiegelrichtung bezüglich
der einzelnen Empfänger über das Objekt keine
der Lichtquellen angeordnet, sondern diese winkelmäßig
etwas aus dem Großkreis durch Empfänger heraus
versetzt sind.
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Die
Druckschrift
WO 9633401
A1 betrifft einen Glanzmesser zur Bestimmung des Glanzes
regulär und irregulär geformter Objekte, einschließlich Objekten
mit gekrümmten Oberflächen. In einer möglichen
Ausgestaltungsform wird das Objekt auf einer Grundplatte gelagert
und von einer Lichtquelle beleuchtet, die entlang eines die Grundplatte
umspannenden Kreisbogensegments um einen Elevationswinkel zwischen
0° und 90° bewegbar ist. Die Beleuchtungskreisbögen
sind zueinander in einem Winkel von 90° befestigt. An einem
weiteren Kreisbogensegment sind auf der dem Objekt zugewandten Seite mehrere
photosensitive Elemente zur Erfassung der gestreuten Lichtintensität
angebracht. Um Intensitätsdaten aus verschiedenen Perspektiven
akquirieren zu können, ist entweder die das Objekt tragende Grundplatte
oder das photosensitive, Elemente tragende Kreisbogensegment um
eine vertikale Achse drehbar gelagert.
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3 Aufgabe
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und
ein Verfahren anzugeben, welche gegenüber dem Stand der
Technik eine vollautomatische und eine in hohem Maße flexible Analyse
von einer breiten Fülle an strukturierten Oberflächen
durch dessen effektive Erfassung durch Mehrfachaufnahmen mit Anpassung
der räumlichen Lage von Beleuchtung(en), Detektor(en) und
Messobjekt(en) ermöglichen, und welche sich zudem einfach
realisieren lassen. Mit einer erweiterten Flexibilisierung der Gestaltungsmöglichkeiten
der Aufnahmeszene können die Beschränkungen des
Stands der Technik behoben werden. Damit ist die Einstellung beliebig
vieler und frei wählbarer Systemanordnungen im Beleuchtungshalbraum
gemeint, mit einer im Vergleich zum Stand der Technik geringeren
Anzahl von operativen Schritten im Sinne manueller Veränderungen
der Aufnahmeszene, als der Stand der Technik ermöglicht.
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Ein
vollständig automatisierter Ablauf der Mehrfachaufnahmen
beinhaltet die sukzessive Erfassung beliebiger Oberflächenbereiche
einer Messoberfläche im kompletten Halbraum. Der Halbraum
ist eine Situation mit konstantem Abstand zwischen Messobjektoberflächenbereich
und Kamera und damit konstanten Abbildungsverhältnissen.
Dadurch sind alle Einzelaufnahmen einer Bilderserie unmittelbar
miteinander vergleichbar. Alternativ ist auch eine automatische
Anpassung des Abstandes der Messoberflächen zum Detektor
möglich, sodass die gewonnenen Bildaufnahmen mit bestmöglichem
Kontrast erzeugt werden können. Generell wünschenswert
ist es, gleiche Aufnahmebedingungen zu unterschiedlichen Zeiten
zugunsten der Reproduzierbarkeit von Messergebnissen zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der tragenden Ansprüche
1 und 6 gelöst. Weitere spezielle Ausgestaltungen sind in
den Unteransprüchen wiedergegeben.
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4 Lösung
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Die
Vorrichtung besteht – wie aus 3 ersichtlich – aus
einem tragenden Basiselement 109, das weitere Komponenten
des Aufbaus und deren mechanischen Belastungen aufnimmt und über
vier Füße 110 ableitet. Alle dem Messhalbraum
zugewandten Elemente sind soweit wie möglich mit rauen und
optisch stark absorbierenden Oberflächen ausgestattet.
Fest mit 109 verbunden sind: eine Platte 107 und
zwei elektrische Antriebe 111 und 112. Die Platte 107 ist
ihrerseits mit dem Bogen 104 verschraubt. Die Platte 107 und
der Bogen 104 sind somit feste Komponenten der Vorrichtung.
Die Platte 108 ist über eine Lagerung mit 109 drehbar
verbunden. Der Bogen 103 ist mit 108 verschraubt. 103 und 108 können
unter Berücksichtigung der Kabelzuführung gegenüber 107 und 109 um
360° um die z-Achse rotieren. Zentrisch zu den Platten
befindet sich eine weitere kleine Platte 106. Diese ist
mit einem mechanischen Aufnahmesystem 105 zur Fixierung des
Messobjekts verschraubt. Die Platten 108 und 106 werden
jeweils durch die Antriebe 111 und 112 bewegt. 106 wird über
eine zentral gelagerte Welle durch den Antrieb 112 mittels
eines nicht näher dargestellten Planetengetriebes 112 bewegt.
Der Antrieb 112 kann durch die Untersetzung seines Planetengetriebes
hohe Drehmomente liefern. Dadurch können auch schwergewichtige
Messobjekte präzise bewegt werden. Zu diesem Zweck ist
außerdem die mechanische Aufnahme durch Schrägkugellager
gelagert. Wie aus 4 ersichtlich, besteht das Aufnahmesystem 105 aus
den Verschiebeelementen 206 und 207 mit den Antrieben 209 und 210,
den Verbindungsplatten 204, einem Hubelement mit Antrieb 212,
einer Aufnahme platte 203 und zwei Aufnahmebacken 201.
Eine Bewegung der mechanischen Aufnahme 105 in der xy-Ebene
wird über die Verschiebeelemente 206 und 207,
die jeweils durch die Antriebe 209 und 210 bewegt
werden, ermöglicht. 105 wird in z-Richtung über
das Hubelement 212 durch den Antrieb 208 bewegt.
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Die
Platten 107 bis 109 sind von runder Form. Die
Platte 108 und der Bogen 103 werden über ein
Riemen-Getriebe durch den Antrieb mit Planetengetriebe 111 bewegt.
Das Riemengetriebe besteht, wie in 5 dargestellt,
aus einer kleinen Riemenscheibe 303, einer großen
Riemenscheibe 311 und einenm Zahnriemen 302. Der
Antrieb 111 ist über die Welle 306 fest
mit der Riemenscheibe 303 verbunden. Die Welle 306 ist
fest mit dem Antrieb 111 verbunden. Die Riemenscheibe 311 ist
fest mit der Platte 108 verbunden. Der Antrieb 112 bewegt über
die Welle 307 ausschließlich die Platte 106.
Die Welle 307 wird gelagert durch die Platten 107 bis 109 geführt.
Zur Steuerung der Bewegungsabläufe der Vorrichtung sind
an den Wellen 306 und 307 die Scheiben 304 und 312 angebracht,
die optisch transparente Muster beinhalten. Diese Muster befähigen über eine
entsprechende Teilung die optischen Sensoren 308 und 305 zur
Lagebestimmung der Wellen 306 und 307 und somit
der Platten 106 und 108. Zur Lageinitialisierung
der Platte 108 sind zwei optische Sensoren 309 und 310 fest
an der Platte 109 angebracht. Der geometrische Nullpunkt
zur Initialisierung ist durch die Position der Spiegel 300 und 301 festgelegt.
Die Spiegel 300 und 301 sind fest an der Platte 108 befestigt.
Beide Bögen 103 und 104 sind zur visuellen
Lagekontrolle der Laufelemente 100 mit einer Teilung von
0,25° markiert. Alle Bögen verlaufen um einen
Elevationswinkel θ von –90° bis 90°.
Die Laufelemente 100 dienen zur wahlweisen Befestigung von
Beleuchtung(en) und/oder Detektor(en), und werden durch die Antriebe 102 positioniert.
Die Antriebe 102, 111, 112, 208, 209 und 210 werden
jeweils über die Mikroschritt-Endstufen 101, 313, 314, 202, 205 und 210 gesteuert.
Zur Steuerung und Regelung der automatischen Funktionsabläufe,
sowie zur Datenerfassung und -verarbeitung innerhalb des Goniometers
wird ein handelsüblicher, mit den erforderlichen Schnittstellen
bestückter Personal Computer verwendet. Hierbei wird ein
eigens erstelltes Programm verwendet, das Funktionen sowohl für
die Initialisierung als auch die Ablaufsteuerung und -regelung von
Messvorgängen an der Vorrichtung bewerkstelligt.
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Bei
elektrischer Aktivierung der Vorrichtung wird zunächst
eine Initialisierungsphase eingeleitet. Diese besteht aus einer
Funktionsprüfung der Elemente 101, 111, 112, 202, 205, 211, 305, 308, 309, 310, 313 und 314.
Falls die Laufelemente 100 sich noch nicht in der 0°-Position
der Bögen befinden, werden diese durch eine Stromsteuerung
in diese gebracht. Falls eine gekennzeichnete Ecke der mechanischen
Aufnahme 105 nicht mit der Mitte der Scheibe 106 überlappt,
und das angetriebene Hubelement 212 nicht vollständig
eingefahren ist, werden diese durch eine Ansteuerung der Antriebe 208, 209 und 210 in
die genannten Positionen verfahren. Falls die Scheibe 108 sich
noch nicht in der Position mit einem Azimuthwinkel θ von
0° befindet, wird diese durch das Zusammenwirken der Elemente 300, 301, 309 und 310 in
diese gedreht. Falls der Tisch sich noch nicht in der Position mit
einem Azimuthwinkel φ von 0° befindet, wird er
mit Hilfe einer ausgewählten Markierung an der Scheibe 312 zur
gewünschten Position gedreht. Das zu analysierende Messobjekt
wird derart in die Aufnahme 105 eingespannt, dass die Messoberfläche
in Richtung der Bögen frei zugänglich ist. Hierbei
können Messoberflächen von bis zu 20 cm × 20
cm vollständig abgetastet werden. Dazu kann zunächst
zwischen einem voreingestellten Modus PRE und einem selbst zu parametrierenden Messmodus
PAR gewählt werden. Im voreingestellten Modus PRE werden
die Lagen aller Messpunkte durch Speicherung einer bestimmten Kombinationsmenge
von Elevations- und Azimutwinkeln, in welchen die Detektor(en) und
die Beleuchtung(en) positioniert werden müssen, aus einer
vorab erstellten Datei gelesen. Eine Steuerung verfährt
sukzessive die Elemente 100, 106 und 108 in
die vorgegeben Positionen, und zwar für alle Teilbereiche
der Oberfläche. Die Mittelpunkte der einzelnen Oberflächenbereiche
werden bei Wechsel des Oberflächensegments automatisch
durch Positionssteuerung der Elemente 206 und 207 und
einem Programm zur Detektion des Randbereiches der Messoberfläche
in die Mitte des Tisches 106 positioniert. Dieses Programm analysiert
die gemessenen Detektorsignale mit Hilfe von morphologischen Signalverarbeitungsverfahren und/oder
linearen Filterungsalgorithmen auf Randbereiche, die sich zwischen
Messoberfläche und Messvorichtung befinden. Die automatische
Positionierung der mechanischen Aufnahme erfolgt über die Verschiebungselemente 206 und 207,
die durch die Antriebe 209 und 210 in der xy-Ebene
positioniert werden. Für alle angefahrenen Teilbereiche
der Objektoberfläche kann, falls erwünscht, der
Abstand zum Detektor zur Erlangung des maximalen Kontrasts justiert
werden. Dazu wird eine relative Kontrastmessung angewandt, die auf
einer Bewertung der Frequenzverteilung von einer Reihe von Detektorsignalen
basiert, die bei unterschiedlichen Abständen eines Oberflächenteilbereichs
zu den Detektoren erfasst wurden. Die Einstellung mit dem bestmöglichsten
Kontrast ist gegeben, wenn in Relation zu den restlichen Einstellungen
der höchste Anteil an hohen Frequenzen innerhalb der gemessenen
Detektorsignale erreicht wurde.
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Dies
wird über die Positionierung der Messoberfläche
in z-Richtung durch das geregelt angetriebene Hubelement 212 bewerkstelligt.
Bei Veränderung der z-Position der Oberfläche
kann auch eine automatische Anpassung der Beleuchtungsintensität vorgenommen
werden. Einstellungen zu den Kameraparametern, der Bildvisualisierung
und der Bildspeicherung werden aus einer Datei gelesen. In einem
weiteren Modus ist es möglich, eine beliebige Einstellung
aller Aufnahmenparameter einzugeben und anschließend als
Datei zu speichern, die auch im PRE-Modus verwendet werden kann.
Weitere Einstellungen können in den zulässigen
Bereichen Parameter zur Kamerakonfiguration, wie z. B. Signalverstärkungen,
Integrationszeiten, Blendeneinstellungen und Gammakorrekturen, beinhalten.
Zur Einstellung der Positionen von Kamera(s) und Beleuchtung(en)
gibt es zwei Möglichkeiten. Einerseits kann eine Gleichverteilung
der Aufnahmepunkte im Beleuchtungshalbraum durch Teilung der gesamten Winkelbereiche
durch eine feste Zahl, die der Anzahl von gewünschten Aufnahmepunkten
entspricht, eingestellt werden. Andererseits können beliebige
Orte auf einer Halbkugel des Beleuchtungshalbraums angegeben werden
und in einer Datei gespeichert werden. Die Abtastung der Oberfläche
kann auf sukzessive Weise für die gesamte Messoberfläche
oder nur für Teilbereiche automatisch erfolgen, wobei die
geometrischen Eigenschaften der Oberflächen zugunsten der
Reproduzierbarkeit gespeichert werden können. Es ist alternativ
auch möglich, a priori Maße der Oberfläche
einzugeben und dauerhaft zu speichern. Desweiteren sind unterschiedliche
Einstellungen zur Bildspeicherung und Bildvisualisierung möglich.
Gespeichert werden kann in einem eigens festgelegten Ort des sekundären
Speichers. Die Gesamteinstellungen zu den Aufnahmeszenen werden
automatisch in ein Dokumentenfile abgelegt. Dabei werden außer gängigen,
unkomprimierten Dateiformaten wie BMP und PNG auch Formate mit hohem
Dynamikbereich (HDR) erzeugt, falls die Bildinformation mit einer
Dynamik mit höher als 8 bit pro Kanal erzeugt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10139645
C2 [0006]
- - DE 19962407 B4 [0007]
- - DE 10143602 B4 [0008]
- - WO 9633401 A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Veröffentlichung
von M. Heizmann and F. Puente León: "Automated analysis
and comparison of striated toolmarks" des European Meeting for Shoeprint/Toolmark
Examiners (SPTM 2001) [0004]
- - Veröffentlichung von Eusebio de la Fuente López
and Félix Miguel Trespaderne: "Inspection of metallic stamped
Parts using an image fusion technique" des IFAC Workshops (IMS'07) [0005]