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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trainieren und
Testen eines automatischen Mustererkennungssystems. Das Mustererkennungssystem
umfasst dabei zumindest eine Erkennungseinheit zum Suchen und Erkennen
von Schlüsselwörtern und einer Datenbank, in welcher
Schlüsselwortvarianten abgespeichert werden können.
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Stand der Technik
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Automatische
Mustererkennung beschäftigt sich mit der Aufgabenstellung,
Muster wie beispielsweise gesprochene Sprache, Gensequenzen, Aktienkurse,
etc. Automaten oder Computersystemen für eine automatische
Datenerfassung zugänglich zu machen. Insbesondere bei der
Erkennung von Sprache gibt es für Mustererkennungssysteme
unterschiedlichste Anwendungsgebiete, wie beispielsweise Spracherkennung,
Erkennen von Gensequenzen oder Aktienkursen, etc. So werden Mustererkennungssysteme
z. B. in Diktiersystemen eingesetzt, bei welchen eine Spracheingabe
mittels Mustererkennung die Verwendung einer Tastatur ersetzt. Diktiersysteme
können einen sehr umfangreichen Wortschatz erkennen, sind
aber daher üblicherweise benutzerspezifisch ausgebildet.
Das bedeutet, dass sie lediglich von einem einzigen Benutzer verwendet werden
können, welcher das Mustererkennungssystem auf seine Aussprache
trainiert hat.
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Ein
weiteres Anwendungsgebiet für Mustererkennungssysteme stellen
automatischen Dialogsysteme – wie beispielsweise automatische
Vermittlungssysteme in Telefonanlagen, Fahrplanauskunftssystemen,
Navigationssystemen oder auch Krankenhausinformationssystemen – dar.
Diese Dialogsysteme weisen dabei üblicherweise einen wesentlich
geringeren Wortschatz auf, da bei ihnen meist nur wenige unterschiedliche
Worte gesprochen werden, um die gewünschte Information
bzw. Verbindung zu erhalten. Derartige Mustererkennungssysteme werden auch
als sprecherunabhängige Spracherkennungssysteme bezeichnet.
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Damit
ein Mustererkennungssystem die Muster, wie z. B. gesprochenen Worte
oder Befehle automatisch erkennen, ist es notwendig, dieses System
zu trainieren. Daher wird für automatische Mustererkennungssysteme,
insbesondere von sprecherunabhängigen Spracherkennungssystemen,
eine so genannte Muster- oder Trainingsdatenbank aufgebaut, durch
welche ein so genannter Zielwortschatz festgelegt und gelernt wird.
Dieser Zielwortschatz besteht üblicherweise aus Schlüsselwörtern
(z. B. gesprochene Worte, Gensequenzen, Aktienkursverläufe,
etc.), welche bei Verwendung von einem Mustererkennungssystem in
verschiedenen Varianten (z. B. Akzent, Dialekt oder Sprechtempo
bei der Spracherkennung etc.) erkannt werden sollen.
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Daher
werden für den Aufbau einer Musterdatenbank, insbesondere
für sprecherunabhängige Spracherkennungssysteme,
Trainingstexte zusammengestellt, welche Äußerungen
beinhalten, die die gewünschten Schlüsselwörter
und/oder Laute des Zielwortschatzes repräsentieren. Diese
Trainingstexte werden z. B. von 100 bis 5000 Sprechern bzw. Testpersonen
gesprochen, um eine repräsentative Verteilung von verschiedenen
Varianten der Schlüsselwörter über Akzent-
bzw. Dialektvielfalt einer Sprache zu erhalten und um Sprechweisen
in verschiedenen Situationen, wie z. B. veränderte Betonung
oder Sprachmelodie von Wörtern beispielsweise in Ausnahmesituationen
zu berücksichtigen.
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Eine
Aufzeichnung der Trainingstexte erfolgt über ein Mikrofon.
Damit liegen die gesprochenen Texte in Form von elektrischen Sprachsignalen
vor, werden dann in der Musterdatenbank abgelegt und über
diese während einer eigenen Trainings- und Testphase dem
Mustererkennungssystem zugeführt. Da der Zielwortschatz
von einer großen Anzahl von Sprechern gesprochen worden
ist, wird durch die Trainings- und Testphase mit der Musterdatenbank erreicht,
dass das Mustererkennungssystem unabhängig von einem einzelnen
bestimmten Sprecher ist.
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Das
Erstellen von speziellen Applikationen (z. B. Informationssystem,
Vermittlungssystems, Auskunftssystem, etc.) mit vorbestimmten Schlüsselwörtern
und das Sprechen der Schlüsselwörter bzw. Trainingstexten
von mehreren Sprechern bzw. Testpersonen, welche oft örtlich
weit entfernt sein können, um die sprecherunabhängige
Datenbank für die Trainingsphase des Mustererkennungssystems
aufzubauen, kann beispielsweise einige Monate oder länger
dauern und ist sehr kostenintensiv. Einen großen Kostenfaktor
stellt dabei das Erstellen bzw. Anpassen der Musterdatenbank dar,
insbesondere wenn diese Datenbank um neue Schlüsselwörter
erweitert werden muss, um das Mustererkennungssystem beispielsweise
an eine Änderung, Erweiterung, etc. der jeweiligen Applikation
entsprechend anzugleichen.
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Beispiele
zur Erstellung von Musterdatenbanken sind in den Schriften
US 5 579 436 A1 und
EP 1 282 897 B1 offenbart,
wobei in beiden Schriften zwischen einem Trainings- und einem Erkennungsmodus
unterschieden wird. In der Schrift
US 5 579 436 A1 wird im Trainingsmodus, dass
Mustererkennungssystem mit einer vorgefertigten Trainingsmusterdatenbank
mit bekannten Worten oder Phrasen verbunden, um Mustererkennung
zu trainieren und eine Fehlerrate bei Erkennen von Sprache aus unbekannten
Musterquellen im Erkennungsmodus zu reduzieren. Ein Problem des
in der Schrift
US 5
579 436 A1 offenbarten Verfahrens besteht darin, dass von
einer vorgefertigten Trainingsmusterdatenbank ausgegangen wird,
welche zum Erlernen von neuen Schlüsselwörter
oder neuen Varianten von Schlüsselwörter kostspielig
erweitert werden muss.
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In
der Schrift
EP 1 282
897 B1 wird ebenfalls in einer Trainingsphase von vorgefertigten
Trainingstexten ausgegangen. Dabei werden verwendeten Texte von
mehreren Sprechern gesprochen, elektronisch aufgezeichnet und dann
in Segmente unterteilt, wobei die Segmente jeweils nur mehr ein
oder mehrere Phone bzw. ausgesprochene Laute umfassen. Diese Segmente
werden dann in einer allgemeinen Datenbank hinterlegt, auf deren
Basis dann applikationsspezifisch Musterdatenbanken für
das jeweilige Mustererkennungssystem erstellt werden. Dabei hat es
sich allerdings als nachteilig erwiesen, dass einerseits für
jede neue Applikation eine neue Musterdatenbank erstellt werden
muss, da die notwendigen Schlüsselwörter aus den
Segmenten der allgemeinen Datenbank zusammengesetzt werden müssen. Andererseits
ist eine für eine Applikation spezifisch erstellte Musterdatenbank
nur mit großem Aufwand erweiterbar, da aus den Segmenten
der allgemeinen Datenbank erst die notwendigen, neuen Schlüsselwörter
zusammengefügt und in die jeweilige Musterdatenbank übertragen
werden müssen.
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Es
besteht daher ein erheblicher Bedarf nach einem Verfahren, mit welchem
ohne großen Aufwand wie z. B. dem Aufbau einer eigenen
speziellen Datenbank für eine Trainings- und Testphase
kostengünstig und schnell ein automatisches Mustererkennungssystem
trainiert und getestet werden kann.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben,
durch welches auf einfache und kostengünstige Weise ein
automatisches Mustererkennungssystem trainiert und getestet werden
kann und bei dem ohne großen, zusätzlichen Aufwand
eine Musterdatenbank aufgebaut, erweitert oder ergänzt
werden kann.
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Die
Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren der eingangs
angegebenen Art, wobei zuerst eine Erkennungseinheit mit Mustern
von zu erkennenden Schlüsselwörtern konfiguriert wird.
Dann werden von der Erkennungseinheit automatisch verschiedene,
elektronische Musterquellen, welche nicht speziell für
Trainingszwecke vorgefertigt worden sind, nach den zu erkennenden
Schlüsselwörtern durchsucht. Wird ein zu erkennendes
Schlüsselwort bei der Suche aufgefunden, so wird eine gefundene
Variante dieses Schlüsselworts in der Datenbank des Mustererkennungssystems
abgelegt. Das Suchen und Abspeichern von zu erkennenden Schlüsselwörtern
wird dabei solange wiederholt, bis ein vorgegebenes Endkriterium
erreicht worden ist.
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Einer
der Hauptaspekte der erfindungsgemäßen Lösung
besteht darin, dass durch einen Einsatz von nicht vorgefertigten
Texten von verschiedenen, verfügbaren elektronischen Musterquellen
(z. B. Radiosendungen, Fernsehaufnahmen, etc.) viele Sprecher und
damit sprachliche Varianten der Schlüsselwörter
zum Trainieren und Testen des Mustererkennungssystems auf einfache
und kostengünstige Weise und ohne großen organisatorischen
Aufwand zugänglich sind. Während des Trainings
und Testens wird die anfänglich nicht befüllte
Datenbank des Mustererkennungssystems laufend durch neue Varianten
der Schlüsselwörter aufgebaut und erweitert. Die
resultierende Datenbank kann damit unter Voraussetzung einer Verwendung
von vielfältigen, verschiedenen elektronischen Musterquellen
nicht nur für Trainings von weiteren Mustererkennungssystemen
eingesetzt, sondern auch als Datenbank selbst verwertet werden.
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Eine
weiterer, wichtiger Aspekt des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht darin, dass die resultierende Datenbank auf einfache
Weise durch neue Schlüsselwörter ergänzt
und erweitert werden kann, indem die zusätzlichen Schlüsselwörter
aus den verschiedenen, elektronischen Musterquellen, welche nicht
auf spezielle Anwendungen und damit Schlüsselwörter
zugeschnitten sind, für eine Erweiterung extrahiert werden.
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Es
ist vorteilhaft, wenn wiederholter und weiterer Suche nach zu Schlüsselwörtern
die bereits gefundene und in der Datenbank abgespeicherte Varianten
dieser Schlüsselwörter zum Auffinden weiterer Varianten
der zu erkennenden Schlüsselwörter in den verschiedenen
Musterquellen herangezogen werden. Damit wird auf einfache Weise
die Erkennungseinheit des Mustererkennungssystems an die Charakteristika
der jeweiligen elektronischen Musterquelle angepasst und die Anzahl
der erkannten Varianten von Schlüsselwörtern wird
damit gesteigert. Mit jeder Wiederholung werden neue Varianten von Schlüsselwörtern
erlernt und damit die Erkennungseinheit des Mustererkennungssystems
auf einfache Weise trainiert.
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Es
ist auch günstig, wenn für eine Konfiguration
der Erkennungseinheit ein Abschnitt einer elektronischen Musterquelle
manuell durchsucht wird und dann als Muster für zu erkennenden
Schlüsselwörter die in dem Abschnitt gefundenen
Schüsselwörter herangezogen werden. Damit ist
auch für die Konfiguration keine kostenintensive und organisatorisch
aufwendige Aufnahme notwendig. Für die Konfiguration wird
auf einfache Weise ein Abschnitt, der von einer der verschiedenen,
elektronischen Musterquellen (z. B. Radiosendung, Fernsehaufnahme,
CD- oder DVD-Aufnahme, etc.) genommen wird, auf gewünschte,
zu erkennende Schlüsselwörter untersucht. Diese
Schlüsselwörter werden dann aus dem Abschnitt
herausgeschnitten und damit die Erkennungseinheit konfiguriert.
Alternativ – beispielsweise wenn keine oder nicht alle
gewünschten Schlüsselwörter im ausgewählten
Abschnitt gefunden werden – können diese auch
von ein oder einigen wenigen Testpersonen ohne großen Zeitaufwand
für die Konfiguration aufgesprochen werden.
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Bei
einer Fortbildung der Erfindung kann als Endkriterium eine zu erreichende
Erkennerleistung eingegeben werden – wie z. B. Verwechslungsrate des
Mustererkennungssystems bei Schlüsselwörter ist
kleiner als 1%. Bei Mustererkennungssystemen, welche mit vorgefertigten
Musterdatenbanken mit Testsprechern trainiert werden, wird eine
vorgegebene Anzahl von sprachlichen Varianten der Schlüsselwörter
aufgenommen.
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Dadurch
wird die Erkennerleistung solcher Systeme durch die Anzahl der aufgenommenen Schlüsselwortvarianten
und der jeweiligen Erkennungseigenschaften des Systems vorgegeben.
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Im
Gegensatz dazu können bei erfindungsgemäßen
Verfahren kostengünstig und einfach solange Varianten von
Schlüsselwörtern aus den verschiedenen, elektronischen
Musterquellen gesammelt werden, bis eine gewünschte Erkennerleistung erreicht
wird.
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Als
Endkriterium kann aber auch in vorteilhafter Weise ein Erreichen
einer vorgegebenen Gesamtzahl an Varianten von Schlüsselwörtern
oder eine Bedingung angegeben werden, dass keine weitere Variante
eines Schlüsselworts in einer der verschiedenen, verwendeten
elektronischen Musterquellen mehr gefunden wird.
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Gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Extraktion
von Schlüsselwörtern bzw. Varianten von Schlüsselwörtern
aus den jeweiligen elektronischen Musterquellen und folgende Abspeicherung
in der Datenbank automatisch, d. h. unüberwacht. Daher
ist es günstig, wenn in der Datenbank gespeicherte Varianten
von Schlüsselwörtern bzw. gespeicherte Schlüsselwörter
manuell bewertet und je nach Verwendungszweck bearbeitet werden
können. Damit können auf einfache Weise z. B.
einzelne Wörter, kontinuierliche Sprache mit Übergängen,
etc. herausgeschnitten, bearbeitet und für weitere Trainings-
und Testzwecke genutzt werden.
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Es
ist besonders günstig, wenn elektronische Musterquellen
elektronische Sprachaufnahmen, insbesondere Radiosendungen, Fernsehübertragungen,
Aufnahmen auf CD sowie DVD und/oder Aufzeichnungen mit einem freien
Mikrofon, herangezogen werden. Vor allem Radiosendungen und Fernsehübertragungen,
aber auch CD- wie DVD-Aufnahmen sind in großer Menge und
Vielfalt verfügbar. Durch eine Verwendung dieser elektronischen
Musterquellen wird insbesondere eine große Anzahl an verschiedenen
Sprechern, welche auch unterschiedliche Akzente, Dialekte oder Betonungen
der jeweiligen zu erkennenden Schlüsselwörter
aufweisen, auf einfache Weise für ein Trainieren und Testen
eines Mustererkennungssystems zugänglich. Durch einen Einsatz
eines so genannten freien Mikrofons, über welches an verschiedenen
Orten Sprache aufgezeichnet bzw. in eine elektrisches Sprachsignal
umgewandelt werden kann, wird in vorteilhafter Weise so genannte
Alltagssprache zum Trainieren und Testen des Mustererkennungssystems
zur Verfügung gestellt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten 1 erläutert. 1 zeigt
in beispielhafter Weise den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Trainieren und Testen eines Mustererkennungssystems.
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Ausführung der Erfindung
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1 zeigt
in beispielhafter und schematischer Weise ein Mustererkennungssystem
ME. Das Mustererkennungssystem ME umfasst dabei zumindest eine Erkennungseinheit
EK zum Suchen und Auffinden von zu erkennenden Schlüsselwörtern
W1, W2 bzw. von sprachlichen Varianten Var1, Var2, VarX der Schlüsselwörter
W1, W2 in Sprachmaterial, welches von einer beispielhaften beliebigen
elektronischen Musterquelle MQ zur Verfügung gestellt wird.
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Von
der Erkennungseinheit EK können aber auch mehrere verschiedene
elektronische Musterquellen MQ für Training und Test genutzt
werden. Als elektronische Musterquellen MQ können beispielsweise
elektronische Sprachaufnahme, insbesondere Radiosendungen, Fernsehübertragungen
oder -aufnahmen, CD- und/oder DVD-Aufnahmen beliebig eingesetzt
werden. Auch Aufzeichnungen mit einem sogenannten freien Mikrofon,
von welchem an verschiedenen Orten Gesprochenes in elektronische
Signale umgesetzt wird, kann als Musterquelle MQ eingesetzt werden.
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Das
Mustererkennungssysteme ME umfasst weiters eine Datenbank DB, in
der Varianten Var1, Var2, VarX der zu erkennenden Schlüsselwörter
W1, W2 im Laufe des Trainings abgelegt und gespeichert werden. Als
Variante Var1, Var2, VarX eines Schlüsselworts W1, W2 wird
dabei eine sprachliche Variante aufgrund von Dialekt, Akzent, Betonung,
unterschiedlicher Aussprache, Sprechtempo, etc. verstanden. Das
Mustererkennungssystem ME weist auch eine Trainings- und Testeinheit
TT auf, welche als eigene Einheit ausgeführt oder in die
Erkennungseinheit EK integriert sein kann. Von der Trainings- und Testeinheit
TT werden einerseits gefundene Varianten Var1, Var2, VarX von zu
erkennenden Schlüsselwörtern W1, W2 in Suchmuster
für die Erkennungseinheit EK umformatiert. Andererseits
wird von der Trainings- und Testeinheit TT geprüft, ob
ein vorgegebenes Endkriterium, durch welches die Suche nach Schlüsselwörtern
W1, W2 in einer elektronischen Musterquelle MQ gestoppt wird, erfüllt
ist oder nicht.
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In
einem ersten Verfahrensschritt 1 wird die Erkennungseinheit
EK mit Mustern KON von zu erkennenden Schlüsselwörtern
W1, W2 für die Suche konfiguriert. Die Muster KON von zu
erkennenden Schlüsselwörtern W1, W2 können
beispielweise aus einem Abschnitt einer elektronischen Musterquelle MQ
(z. B. Ausschnitt einer elektronischen Sprachaufnahme, Ausschnitt
aus einer Radiosendung oder Fernsehaufnahme, etc.) gewonnen werden.
Dabei kann beispielsweise der Abschnitt nach gewünschten
Schlüsselwörtern W1, W2 manuell durchsucht werden.
Werden Schlüsselwörter W1, W2 gefunden, so werden
diese herausgeschnitten und der Erkennungseinheit EK im entsprechenden
Format als Muster KON zugeführt. Werden nicht genügend
oder nicht alle Schlüsselwörter W1, W2 im gewählten
Abschnitt gefunden, so können die fehlenden Schlüsselwörter
W1, W2 auch von einer Testperson aufgesprochen und nach entsprechender
Formatierung der Erkennungseinheit EK zur Verfügung gestellt werden.
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In
einem zweiten Verfahrenschritt 2 wird von der Erkennungseinheit
EK automatisch eine oder mehrere beliebige, elektronische Musterquellen
MQ (z. B. Radiosendung, Fernsehaufnahme, Aufzeichnung mit freiem
Mikrofon, etc.) anhand der Muster KON nach den zu erkennenden Schlüsselwörtern W1,
W2 durchsucht. Wird eine oder mehrere Varianten Var1, Var2 eines
Schlüsselworts W1, W2 gefunden, so werden in einem dritten
Verfahrensschritt 3 die gefundenen Varianten Var1, Var2
des jeweiligen Schlüsselworts W1, W2 in der Datenbank DB
abgelegt und gespeichert.
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In
einem vierten Verfahrensschritt 4 werden dann von der Trainings-
und Testeinheit TT die gefundenen Varianten Var1, Var2 der jeweiligen
Schlüsselworts W1, W2 aufgegriffen und entsprechend umformatiert,
damit von der Erkennungseinheit EK diese Varianten Var1, Var2 der
Schlüsselwörter W1, W2 zur weiteren Suche nach
Schlüsselwörtern W1, W2 genutzt werden können.
Parallel dazu wird von der Trainings- und Testeinheit TT geprüft,
ob das vorgegebene Endkriterium bereits erfüllt ist oder
nicht. Als Endkriterium kann beispielsweise eine zu erreichende Erkennerleistung
(z. B. Verwechslungsrate kleiner als 1%), eine bestimmte Gesamtzahl
an Schlüsselwortvarianten Var1, Var2, VarX oder eine Bedingung, dass
keine neuen Varianten VarX der Schlüsselwörter
W1, W2 in der gerade durchsuchten Musterquelle MQ mehr gefunden
werden, verwendet werden.
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Wird
im vierten Verfahrenschritt 4 festgestellt, dass das vorgegebene
Endkriterium noch nicht erreicht worden ist, so werden in einem
fünften Verfahrensschritt 5 die entsprechend umformatierten
Varianten Var1, Var2 an Schlüsselwörtern W1, W2,
welche bei der Suche im zweiten Verfahrensschritt 2 gefunden
worden sind, an die Erkennungseinheit EK übertragen. Von
der Erkennungseinheit EK wird dann der zweite Verfahrensschritt 2 wiederholt
und die elektronische Musterquelle MQ wieder nach den zu erkennenden
Schlüsselwörtern W1, W2 durchsucht. Dabei werden
allerdings neben den Mustern KON zur Konfiguration auch die bereits
gefundenen Varianten Var1, Var2 der Schlüsselwörter
W1, W2 verwendet. Werden bei der Wiederholung des zweiten Verfahrensschritts 2 weitere
Varianten VarX der Schlüsselwörter W1, W2 gefunden,
so werden in einer Wiederholung des dritten Verfahrensschritts 3 diese
Varianten VarX in der Datenbank DB abgespeichert und wiederum der
vierte Verfahrensschritt 4 ausgeführt.
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Der
zweite, dritte und vierte Verfahrensschritt 2, 3, 4 – also
das Suchen, Abspeichern und Umformatieren von Varianten Var1, Var2,
VarX von Schlüsselwörtern W1, W2 sowie ein Überprüfen
des Endkriterium wird dabei solange ausgeführt, bis das
Endkriterium erfüllt ist. Solange das Endkriterium nicht
erreicht ist, werden auch die umformatierten Varianten Var1, Var2,
VarX der Schlüsselwörter an die Erkennungseinheit
EK weitergeleitet. Erst wenn das Endkriterium erzielt worden ist,
wird die Suche nach Schlüsselwörtern W1, W2 – zumindest
in der gerade durchsuchten Musterquelle MQ – beendet. Es
können aber das Verfahren und damit die angegebenen Verfahrensschritte 2 bis 5 für
beliebige, andere Musterquellen MQ wieder durchlaufen werden, um
weitere Varianten VarX von Schlüsselwörtern W1,
W2 zu finden.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher nicht
nur das Mustererkennungssystem ME trainiert und getestet, sondern
zusätzlich eine umfangreiche Musterdatenbank DB aufgebaut.
Diese Datenbank DB kann z. B. für Trainings von anderen Mustererkennungssystemen
ME eingesetzt werden. Weiters können in dieser Datenbank
DB gespeicherte Schlüsselwortvarianten Var1, Var2, VarX
manuell bewertet und je nach Verwendungszweck bearbeitet bzw. herausgeschnitten
werden. Von der Erkennungseinheit EK wird dabei eine Art Vorselektion
von Schlüsselwortvarianten Var1, Var2, VarX für
die manuelle Bewertung und die Nachbearbeitung ausgeübt,
da die Extraktion aus der jeweiligen elektronischen Musterquelle
MQ durch die Erkennungseinheit EK unüberwacht und automatisch
abläuft.
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Zusätzlich
kann das erfindungsgemäße Verfahren nicht im Bereich
der Spracherkennung eingesetzt werden, sondern auch zum automatischen
Erkennen von z. B. Gensequenzen oder Aktienkursverläufen.
Als Muster KON von zu erkennenden Schlüsselwörtern
W1, W2 werden dabei beispielsweise zu suchende Gensequenzen oder
zu suchende Verläufe von bestimmten Aktien eingegeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5579436
A1 [0008, 0008, 0008]
- - EP 1282897 B1 [0008, 0009]