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Stand der Technik
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Bei einer Vielzahl von technischen Prozessen und Vorrichtungen ist es erforderlich, einzelne Elemente in mehreren Dimensionen in eine zueinander wohldefinierte Lage zu bringen und/oder eine solche Lage zu kontrollieren. Einen typischen Anwendungsfall für eine solche Aufgabe innerhalb einer Ebene stellt beispielsweise eine Vermessung und Steuerung eines Registers oder Passers in einer Druckmaschine dar, aber auch die Positionierung von Leiterplatten in der Elektroindustrie während einzelner Herstellungsschritte oder andere automatische Montageaufgaben in anderen Industriezweigen erfordern es, eine solche Aufgabe zu lösen.
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Sehr häufig erfolgt dies mit Hilfe von Markierungen, die auf einzelne Elemente jeweils aufgebracht werden oder aufgebracht worden sind und deren Positionierung dann als repräsentativ für die aktuelle Lage des betreffenden Elementes bestimmt und ggf. auch gesteuert oder geregelt verändert wird.
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Der im Folgenden diskutierte Stand der Technik orientiert sich im Wesentlichen an Anwendungen aus dem Feld der Vermessung und Regelung eines Registers im Druckprozess, da die hier bestehenden Aufgabenstellungen höchste und komplexeste Anforderungen hervorbringen und daher auch hier die leistungsfähigsten und fortgeschrittensten Lösungen zur praktischen Anwendung zu finden sind.
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In Druckmaschinen wird ein Bedruckstoff als Bahn oder Bogen nacheinander durch mehrere hintereinander angeordnete Druckwerke bewegt, wobei vorzugsweise in jedem der Druckwerke ein Teildruckbild in einer speziellen Druckfarbe auf den Bedruckstoff aufgetragen wird. Durch das Übereinanderdrucken mehrerer solcher Teildruckbilder wird das gewünschte, mehrfarbige Druckbild auf dem Bedruckstoff erzeugt. Im Falle eines autotypischen Zusammendrucks wird der Bedruckstoff vorzugsweise durch mindestens zwei hintereinander angeordnete Druckwerke bewegt, wobei in jedem der Druckwerke ein Teildruckbild in den am Gesamtbild beteiligten Druckfarben auf den Bedruckstoff aufgetragen wird. Beim Drucken mehrfarbiger Druckbilder müssen demnach verschiedene Teildruckbilder miteinander zur Deckung gebracht werden, wobei die Lagegenauigkeit der Teildruckbilder auf dem Bedruckstoff zueinander als Farbregister bzw. als Passer bezeichnet wird.
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Um die in den unterschiedlichen Druckwerken zu druckenden Teildruckbilder auf den Bedruckstoff positionsrichtig auftragen zu können, verfügt nach dem Stand der Technik eine Druckmaschine über eine sogenannte Farbregistersteuerung oder eine automatische Registerregelung, die dazu dient, eine infolge des sequentiellen Aufbringens an verschiedenen Orten entstehende Verschiebung der Teildruckbilder in Achsrichtung und senkrecht dazu auszugleichen. In einer Vielzahl von Fällen werden zusätzlich auch noch Schrägregisterverstelleinrichtungen eingesetzt, um Drehfehllagen der Teildruckbilder zu kompensieren. Um eine solche Kompensation vornehmen zu können, ist es erforderlich, eine solche Verschiebung mittels Messungen zu erfassen. Dabei werden grundsätzlich Messungen innerhalb der Produktionsanlage Druckmaschine (online) oder außerhalb der Druckmaschine am fertigen Produkt (offline) unterschieden. Für Offlinemessungen, bei denen ein fertiges Exemplar aus dem Produktionsvorgang herausgenommen wird, ist es zusätzlich zur Bestimmung der Lage der Teildruckbilder sehr vorteilhaft, zusätzliche Informationen zur Herkunft eines Messwertes aus der Messung selbst zu gewinnen bzw. zu registrieren, da mit einer Entnahme eines fertigen Druckes am Ende einer Produktionslinie die genaue Zuordnung zu einem einzelnen Prozessschritt innerhalb der Herstellung des Druckes oder zu einem Ort, an dem die Messung erfolgt ist, verloren gegangen ist. Als Beispiel sei hier nur erwähnt, dass es bedeutungsvoll sein kann, ob es sich bei dem vermessenen Druck um einen auf die Vorderseite oder die Rückseite eines Exemplars aufgebrachten Druck handelt.
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In der
WO 2008/014874 A1 wird eine Registerregelung zur exakten Vermessung des Registers einer Druckmaschine vorgeschlagen. Das dabei verwendete Messelement umfasst mindestens zwei übereinander gedruckte Teilmesselemente, wobei jedes Teilmesselement mit einem individuellen Druckwerk erzeugt wird, wobei jedes Teilmesselement ein zumindest eindimensionales Muster aus sich wiederholenden Bereichen unterschiedlicher optischer Dichte bzw. unterschiedlicher Flächendeckung aufweist, und wobei der Übereinanderdruck dieser Teilmesselemente eine Interferenz erzeugt, die als Messgröße für das Farbregister dient. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die verwendeten Markierungen recht groß ausfallen müssen und so stets deutlich sichtbar bleiben und immer nur 2 Farben miteinander vermessen werden können.
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In der
US 5 018 213 A wird ein Verfahren beschrieben, bei dem mittels einer Digitalkamera ein Bild aus Markierungen in verschiedenen Farben aufgezeichnet wird, die auf einem festen und vorgegebenen Muster auf der Papierbahn gedruckt werden. Aus den derart aufgezeichneten Bildern wird die wechselseitige Lage der Markierungen in den verschiedenen Farben bestimmt. Das dabei verwendete Markierungsmuster ist so aufgebaut, dass von jeder Druckeinheit zwei Punkte mit bekanntem Abstand voneinander eine in ihrer Winkellage zu einer Bezugsrichtung bekannte Gerade bilden. Da sich im Prozess weder Abstand noch Winkellage eines von einer Druckeinheit gedruckten Paares signifikant ändern, wird es möglich, diesem Muster als zusätzliche Information ein Herkunftsmerkmal zu entnehmen. Auch ist dieses Muster gegen das Übereinanderdrucken von zwei Punkten tolerant.
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Nachteilig an diesem Verfahren bleibt, dass eine Messmarke neben der Positionsinformation nur eine einzige zusätzliche Information liefern kann, nämlich die, aus welchem Druckwerk sie stammt. Wird außerdem ein Punkt einer Markierung nicht oder für die Erfassung zu schwach gedruckt, so versagt das Verfahren. Des Weiteren ist die Zahl der Druckwerke, deren Register mit einem solchen Markenmuster vermessen werden kann, begrenzt, da Winkellagen und Abstände in jedem Falle noch gut unterscheidbar bleiben müssen. Auch bleibt die Messgenauigkeit des Verfahrens hinter dem der erstgenannten Applikation deutlich zurück, da nur 2 relativ kleine Punkte maßgebend herangezogen werden können.
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Die
EP 0850763 B1 beschreibt ein Verfahren, bei dem von jedem Druckwerk mehrere (2) punktförmige Marken gedruckt werden. Dabei sind die Marken eines Druckwerkes jeweils entlang unterschiedlich großer Quadrate bekannter Größe an deren Eckpunkten bzw. den Mitten der Seiten angeordnet. Die gedruckte Markierung wird von einer Kamera erfasst und aus der Kenntnis der Größe des Quadrates und der vordefinierten Position von Punktelementen auf dem Eckpunkt oder der Mitte einer Umfangslinie wird dann die Position der von jedem Druckwerk gedruckten Markierung ermittelt. Damit können Markierungen auch übereinandergedruckt werden. Aus der Vorkenntnis der Anordnung, wie sie von einem Druckwerk erzeugt wird, kann die Position eindeutig rekonstruiert und eine eineindeutige Zuordnung getroffen werden.
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Nachteilig an diesem Verfahren bleibt ebenfalls die Genauigkeit der Messung die nicht den Anforderungen einer hochgenauen Analyse des Druckergebnisses, wie es insbesondere bei sehr empfindlichen Halbtonvorlagen aber auch bei Maschinenabnahmen erforderlich wird, genügen kann. Auch bleibt die Zahl der erfassbaren übereinander gedruckten Teilbilder begrenzt und bei unvollständig gedrucktem Markenfeld ist eine Messung nur noch bedingt möglich.
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Die
DE 10023813 C2 schlägt daher ein spezielles Muster eines zweidimensionalen Messelements vor, bei dem Strukturen, bestehend aus einer Vielzahl von unterschiedlich langen parallelen Liniensegmenten, die in einer Vorzugsrichtung und der Richtung senkrecht dazu aufgedruckt werden. Die Markierungen werden mit einer Kamera erfasst und mit einer Recheineinheit ausgewertet. Die Längen der aufeinander folgenden Teilabschnitte sind so gewählt, dass ein beliebiges Teilfeld mit einer Aufeinanderfolge von vier Teilabschnitten in beiden Achsrichtungen die Lage und Richtung des gesamten Messfeldes definiert, wobei die Daten der Teilfelder in einer Tabelle eines elektronischen Speichers abgelegt sind. Die Linien bestehen aus einer Vielzahl von senkrecht aufeinander stehenden, jeweils ein Rechteck zumindest teilweise begrenzenden Teilabschnitten. Hierdurch werden die einzelnen Rechtecke mit geringst möglichem Aufwand definiert, indem jedes Rechteck auf zwei gegenüberliegenden Kanten durch Teilabschnitte der Linien vollständig und an den zwei übrigen einander gegenüberliegenden Kanten teilweise durch Teilabschnitte der Linien begrenzt wird. In einer weiteren Fortführung dieser Konstruktion sind die Abmessungen der in beiden Koordinatenrichtungen einander folgenden Rechtecke oder geometrischen Strukturen unterschiedlich und so gewählt, dass ein beliebiges Teilfeld z. B. aus 4 × 4 Rechtecken die Lage und Richtung des gesamten Messfeldes eindeutig definiert. Damit wird eine erheblich verbesserte Messgenauigkeit erzielt. Nachteilig ist hier der erhebliche Platzbedarf und dass damit nur 1 Druckwerk und eine Kante miteinander in einem Messfeld verglichen werden können sowie die fehlende Möglichkeit, weitere Informationen aus der Messung der Markierung wie beispielsweise die Seite, auf der die Markierung gedruckt worden ist, gewinnen zu können. Die
DE 37 09 858 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Bestimmung des Registerfehlers im Mehrfarbendruck mit einem Messkopf, der zur Ausführung der Messung vorzugsweise eine Abtastbewegung ausführt. Weiterhin beschreibt er eine dafür entworfene Passermarke, die aus mehreren Winkeln mit jeweils 2 unter 90° zueinander geneigten Schenkeln, die in regelmäßigen Abständen im Kreis um einen Kreuzmittelpunkt angeordnet sind, und einem Kreuz besteht. Es wird beschrieben, daß diese Winkel auch bei idealer Lage nicht miteinander zur Deckung kommen und frei stehen. Zwar ermöglicht diese Anordnung durchaus eine Messung des Registers, allerdings wird es nicht möglich, aus dem von einem Druckwerk gedruckten Teil der Passermarke und deren Vermessung mehr als deren Position und ggf noch mittels einer Erkennung der Farbe das erzeugende Druckwerk zu lesen. Eine Erkennung weiterer Merkmale gleichzeitig mit der Messung, wie beispielsweise. der Position der Marke auf dem Druckbogen an der Greiferkante oder am Druckende, oder ob die Marke im Schön- oder Widerdruck gedruckt wurde, ist technologisch in
DE 37 09 858 A1 von 1987 weder vorgesehen noch möglich. Gerade solche Informationen sind aber sehr wichtig, will man z. B. einen Diagonalregisterfehler in einer Druckmaschine weitestgehend automatisiert ermitteln und ggf. korrigieren. Dazu sind üblicherweise mindestens 2 Marken auf einunddemselben Druckbogen zu vermessen. Weiterhin ist bekannt, daß bei schwachem Kontrast, eine Messung wie die dort vorgeschlagene immer ungenauer wird und damit diese Lösung für hochpräzise Aufgaben bei kontrastarmen Farben wie beispielsweise bei Gelb nachteilig ist. Darüber hinaus wird es bei der dort vorgeschlagenen Abtastung durch einen rotierenden Sensor erforderlich, die Länge der Winkelarme der zu erwartenden zu messenden Abweichung anzupassen, was bei größeren Abweichungen automatisch zu einer größeren Passermarke führen muß. Auch wenn die gedruckten Strichelemente mit einer Breite von 0,1 mm relativ klein sein können, bleiben sie doch noch immer deutlich sichtbar, was häufig ebenfalls unerwünscht sein kann. Es bleibt festzustellen, daß für eine weitgehend automatisierte Vermessung und Auswertung von Passermarken und deren Informationsgehalt, wie sie heute insbesondere für Maschinenuntersuchungen häufig gefordert wird, es notwendig macht, an einer großen Zahl von Druckexemplaren Messungen vornehmen zu können und dabei zusätzlich erheblich mehr Informationen als nur Passerabweichung und ggf. Druckwerkszuordnung direkt aus einer Druckmarke lesen zu können. Dazu erweisen sich das Verfahren und die Passermarke nach
DE 37 09 858 A1 als nicht geeignet.
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Hiervon ausgehend besteht zur Beseitigung der vorgenannten Mängel die Aufgabe der Erfindung darin, ein Messelement zu schaffen, mit dem in einem Messfeld von möglichst geringer Ausdehnung eine Vielzahl von Teilelementen in ihrer Lage zueinander vermessen werden kann, eine höhere Messgenauigkeit als in den vorbekannten Verfahren erreicht wird und weitere zusätzliche Informationen gewonnen werden können, das Messelement möglichst gering wahrnehmbar und klein bleibt und sowohl für Messungen im offline als auch im online Betrieb innerhalb einer Positionssteuerung oder -regelung, vorzugsweise der Regelung oder Steuerung des Registers einer Druckmaschine, verwendet werden kann.
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Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Durch die Verwendung von nach geeigneten Bildungsvorschriften gebildeten Markierungen, die sich wiederum aus einer Mehrzahl von Subelementen zusammensetzen und durch diese bestimmt sind, wird erreicht, dass mittels eines für eine Markierung gewählten Bildungsgesetzes charakteristische Informationen in diese Markierung eineindeutig implementiert werden. Durch eine Verwendung einer die Geometrie der Markierung überbestimmende Anzahl an Subelementen wird zusätzlich erreicht, dass für eine geometrische Bestimmung der Lage einer Markierung eine Mehrzahl an Lagedaten zur Verfügung steht, die unabhängig voneinander zur Lagebestimmung herangezogen werden und somit eine gültige Lageangabe aus einer Mehrzahl von Bestimmungen ermittelt werden kann. Damit wird die Genauigkeit der Lagebestimmung deutlich verbessert. Die Größe der Subelemente kann dabei so klein gehalten werden, dass sie mit dem bloßen Auge praktisch nicht wahrnehmbar bleiben. Die geometrischen Lageinformationen können allein, in vorteilhafter Weise aber zusammen mit den zusätzlichen Messinformationen sowohl für Messungen im offline als auch im online Betrieb innerhalb einer Positionssteuerung oder -regelung, vorzugsweise der Regelung oder Steuerung des Registers einer Druckmaschine verwendet werden.
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Im Folgenden soll das Verfahren an Beispielen einer Ausführung zur Vermessung des Registers in einer Druckmaschine beschrieben werden. Unter einem Register soll die relative Lage von einzelnen übereinander gedruckten Farbauszügen verstanden werden, aus denen ein mehrfarbiges Druckbild bei seiner Herstellung mittels einer Druckmaschine zusammengesetzt wird, wobei die einzelnen Farbauszüge nacheinander aufgebracht werden. Sinngleich soll weiterhin unter Register auch die Lage einer Markierung zu einem anderen signifikanten Bestimmungsstück eines Gesamtobjektes verstanden werden, wie beispielsweise die Lage eines Druckbildes zu einer Kante einer Papierbahn oder der eines Loches.
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Dazu wird jedem Druckwerk eine Druckmarke als Element, das eine für dieses Druckwerk charakteristische Markierung trägt, zugeordnet. Erfindungsgemäß besteht dieses Element wiederum selbst aus einer Anzahl von Subelementen, für die ein durch eine Bildungsvorschrift vorbestimmtes und damit bekanntes Anordnungsmuster innerhalb der Markierung für das Druckwerk gewählt wird. Solche Markierungen, hier auch Druckmarken genannt, werden dann als ein Messfeld gedruckt, das aus allen oder auch nur aus ausgewählten Druckmarken der am Druck beteiligten Druckwerke besteht. Dabei können die Marken im Messfeld nebeneinander oder auch übereinandergedruckt werden. Das Messfeld wird von einer Kamera oder einem anderen bildgebenden Sensor erfasst und ausgewertet. Dabei ist darauf zu achten, dass möglichst alle Druckmarken innerhalb eines vom Sensor erfassten Beobachtungsfeldes liegen, mindestens jedoch immer 2 davon. Gelingt es nicht, alle Druckmarken in einem Bild zu erfassen, so wird es notwendig, weitere Bildaufnahmen zu tätigen, in denen stets mindestens 2 vollständig enthalten sind
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Im hier angeführten Beispiel soll die Bildungsvorschrift für eine einzelne Druckmarke, die eine Markierung darstellt, einen Bestandteil aufweisen, der erfindungsgemäß vorschreibt, dass die Druckmarke eine Vielzahl von Punktelementen aufweist, die die Subelemente der Markierung darstellen und die von so geringer Größe sind, dass sie mit unbewaffnetem Auge kaum wahrnehmbar, von einer aufnehmenden Kamera aber noch hinreichend gut auflösbar sind. Alle diese Punkte sollen auf einem Kreis von an sich bekanntem Durchmesser angeordnet sein. Ein solcher Kreis ist nach den geläufigen Regeln der analytischen Geometrie durch 3 Punkte eindeutig bestimmt. Damit kann also aus 3 auf seinem Umfang liegenden Punkten auch sein Mittelpunkt bestimmt werden, der dann als geometrischer Ort der einzelnen Markierung auf dem Druck gelten soll. Dies erfolgt üblicherweise durch die Errichtung der Mittelsenkrechten auf 2 Verbindungslinien zwischen mindestens 3 dem Kreis zugehörigen Punkten und der Ermittlung des Schnittpunktes der beiden Mittelsenkrechten als Mittelpunkt des Kreises. Somit wird mit drei Punkten eine kreisförmige Druckmarke in Ihrer Position eindeutig vermessbar.
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Erfindungsgemäß werden im vorliegenden Beispiel nun mehr als drei vorbestimmte Punkte auf diesem Kreisumfang angeordnet. Diese mathematische Überbestimmtheit wird im beschriebenen Beispiel auch dazu genutzt, die Messunsicherheit bei einer Ermittlung des Mittelpunktes des Kreises erheblich zu senken. Bei Verwendung von beispielsweise 4 Punkten lassen sich bereits 6 Verbindungslinien zwischen den Punkten finden, von denen aus jeweils 2 von ihnen wiederum durch Errichten von Mittelsenkrechten und finden des Schnittpunktes dieser Mittelsenkrechten ein Kreismittelpunkt ermittelt werden kann. Durch eine Kombination von jeweils 2 solcher Verbindungslinien erfolgt eine Mehrfachbestimmung des Kreismittelpunktes, wobei alle ermittelten Mittelpunkte als zum gleichen Kreis gehörig behandelt werden. Aus dieser Vielzahl von Ergebnissen der Mittelpunktsbestimmung kann mittels geläufiger statistischer Betrachtungen ein wahrer Mittelpunkt bestimmt und aus den Abweichungen der Einzelergebnisse ein Maß für die Unsicherheit des auf diese Weise gefundenen Wertes ermittelt werden.
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Im vorstehenden Beispiel entstehen bei einer Anordnung von 4 Punkten auf dem Kreisumfang bereits 6 Verbindungslinien, aus denen den Regeln der Kombinatorik folgend 2 aus 6 Möglichkeiten für die Ermittlung eines Mittelpunktes eines durch die 4 Punkte repräsentierten Kreises entstehen. Dies sind 6!/(2!·4!) = 15 Kombinationen, deren Ergebnisse allerdings nicht völlig unabhängig voneinander sind, da sie durch nur 4 Punkte originär beschrieben sind und in den Kombinationen jeder Punkt mehrfach herangezogen wird.
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Eine Auswertung kann auch so geführt werden, dass redundante Kombinationen unberücksichtigt bleiben. So ergeben sich im betrachteten Beispiel mit den 4 Punkten A, B, C, D als mögliche eine Strecke beschreibende Kombinationen für eine solche verkürzte Auswertung (AB und BD), (BD und CD), (CD und AC), (AC und AB), (AD und BC), (AC und BD), (AB und CD). Eine weitere Verkürzung wäre es, nur die Kombinationen aus Verbindungsgeraden zu berücksichtigen, die alle Punkte A, B, C, D enthalten. Solche plausible Verkürzungen vermindern den Rechenaufwand und damit die Auswertezeit. In jedem Fall entsteht aber eine deutliche Verbesserung der Messgenauigkeit.
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Werden mehrere Markierungen übereinandergedruckt, d. h. sind außer den zur betrachteten Markierung gehörigen Punkten (Subelementen) weitere Punkte vorhanden, die nicht a priori als zu einer anderen Markierung gehörig erkannt sind, so wird in diesem Falle ein weiterer Punkt zu einer eineindeutigen Beschreibung der betrachteten Markierung erforderlich. Solange mindestens ein solches Subelement einer Markierung mit bekannter Position diesem Kreis eindeutig zugeordnet werden kann, ist die Lageposition der Markierung stets ermittelbar. Mit dem beschriebenen, erfindungsgemäßen Vorgehen bleiben auch schlechte Ausdrucke oder übereinanderliegende Subelemente verschiedener Marken genau messbar, solange die vorstehend genannte Bedingung erfüllt bleibt. Dies wäre z. B. der Fall, wenn von 9 Punkten auf dem in Rede stehenden Kreis 5 nicht gedruckt oder von einem anderen Druck überdeckt worden wären.
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Aus dem Vorstehenden geht weiter hervor, dass für jedes Messergebnis auch eine Messunsicherheit bewertet werden kann. Je mehr Subelemente für eine Messung zur Verfügung stehen oder erkannt worden sind, desto höher ist auch die Sicherheit der Messung zu bewerten. Im Falle einer Verwendung der gewonnenen Positionsdaten in einer Registerregelung, die sich einer Vermessung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bedient, kann beispielsweise eine Messunsicherheit als eine Wichtung in die Regelstrategie einfließen, um damit eine hohe Unsicherheit eines Messwertes in seinem Einfluss auf das Regelverhalten zu minimieren. Eine Möglichkeit wäre es beispielsweise, in einem solchen Falle erst ab einer größeren Sollwertabweichung als üblich eine Korrektur des Registers vorzunehmen oder in die Berechnung des Korrekturwerts einen Wichtungsfaktor einfließen zu lassen.
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Die Verteilung der Subelemente (Punkte) auf der Kreisumfangslinie soll nun wiederum nach einem für jede Markierung eigenen charakteristischen Bildungsgesetz erfolgen, das nur bei dieser einen Marke vorkommen soll. Damit ist die Markierung eindeutig codiert. Dieses Bildungsgesetz kann an sich frei gewählt werden, es muss lediglich bekannt und hinterlegt und damit wiedererkennbar sein.
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Im nachstehenden beschriebenen Beispiel soll so vorgegangen werden, dass nur 3 verschiedene Distanzen (Segmentwinkel) im Bildungsgesetz einer Markierung vorkommen sollen. Mit diesen Distanzen wird mittels einer charakteristischen Abfolge entlang der Kreisumfangslinie ein Code der Druckmarke gebildet. Hier als Distanzen auf dem Umfang beschriebene Codebestimmungsstücke sind im vorliegenden Falle eines Kreises als Druckmarkengestalt natürlich gleichbedeutend mit einer Angabe von Winkeln der durch die Punkte und den Mittelpunkt des Kreises gebildeten Segmente und können daher durch diese ersetzt werden. 1 zeigt ein Beispiel für Codierungen, die aus 3 verschiedenen Codebestimmungsstücken (hier Segmentwinkel und/oder daraus resultierende Abstände der Punkte) und 9 Punkte als Subelemente gebildet werden.
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In 1 sind die Subelemente S1 bis S9 wie oben beispielhaft vorgeschlagen, als Punkte ausgebildet. Zusammen mit dem Mittelpunkt M des Elements/Markierung bilden 2 von Ihnen jeweils einen Winkel. So bilden S1-M-S2 den Winkel A, S2-M-S3 den Winkel B, S4-M-S5 den Winkel C usw. Bei einem vorgegebenen Lesesinn (beispielsweise Gegenuhrzeigersinn) existieren für 3 unterschiedliche charakteristische Winkelgrößen A, B, C für die Folge von 2 Winkeln die Möglichkeiten AB, BC, CA, deren Umkehrungen BA, CB, AC sowie die Trivialfälle AA, BB, CC, also 9 Möglichkeiten. Wählt man im vorgegebenen Beispiel nun die Winkel sinnvollerweise so, dass eine Summe von Aneinanderreihungen aller Winkel 3xA, 3xB und 3xC 360° ergibt, lassen sich alle 9 verschiedenen Winkelkombinationen auf einem Durchmesser anordnen. Zusätzlich kann man eine Folge finden, bei der alle 9 Kombinationen entlang des Umfangs exakt nur einmal in ihrer Kombination vorkommen.
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In 1 wird mit den Winkeln A = 27°, B = 43° und C = 50° entlang eines kompletten Umfangs eines Kreises ein Code mit der bereits zitierten Sequenz ABBCACCBA gebildet. Diese Abfolge erzeugt eindeutige Sequenzen für die entstehenden 9 Abschnitte auf dem Umfang. Ein Code AA kommt beispielsweise nur einmal am Anfang vor und er wird in dieser Markierung stets von dem Code BB in Gegenuhrzeigerrichtung gefolgt. Und dieser wiederum durch CA. usw. Eine andere Markierung darf dann diese Eigenschaft nicht mehr aufweisen. Sinngleich zu den Segmentwinkeln A, B, C können diese Bezeichnungen A, B, C natürlich auch auf die Abstände zwischen den entsprechenden Punkten angewandt werden.
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Mittels so gebildeter Codes wird es auch möglich, aus der Markierung eine Lagerichtung zu bestimmen. Legt man in der oben betrachteten Sequenz beispielsweise fest, dass die Teilsequenz AA so angeordnet ist, dass innerhalb von AA an der Berührungslinie zwischen A und A die ausgezeichnete Lagerichtung liegen soll, so wird dies in der Sequenz von oben eindeutig auffindbar, denn die ausgezeichnete Folge von Abständen kommt nach dem Bildungsgesetz nur einmal vor. Diese Eigenschaft kann nun dazu ausgenutzt werden, um beispielsweise den gemessenen relativen Lagezuordnungen ein Koordinatensystem zu überlagern.
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Praktisch bedeutet dies, dass eine Kamera als Erfassungssystem nicht ausgerichtet werden muss, um gemessene Abweichungen einem Register richtungskorrekt zuzuordnen. Diese Eigenschaft wirkt sich besonders vorteilhaft aus, da auf diese Weise weder der Sensor, hier eine bildaufnehmende Vorrichtung – im praktischen Falle eine Kamera – noch im Falle eines aus dem Prozess entnommenen Bogens der Bogen ausgerichtet werden muss. Dies eliminiert eine Störgröße und führt weiterhin zu einer erheblichen Zeitersparnis bei der Durchführung einer Messung.
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Werden mehrere Markierungen entsprechend einer Bildungsvorschrift z. B. durch bekannte Abstände oder Winkel zu einer Markierungskombination zusammengesetzt, bietet sich eine Vielzahl von weiteren Codierungsmöglichkeiten. Dies soll an einer beispielhaften Ausführung für einen Druck, bestehend aus 5 Farbauszügen, die übereinandergedruckt worden sind, gezeigt werden (siehe dazu 2). Hier sind 5 Farbauszüge zu unterscheiden, von denen jeder eine charakteristische Markierung trägt. Auch hier sollen wie im ersten Beispiel (s. 1) wieder kreisförmige Markierungen mit punktförmigen Subelementen verwendet werden.
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Weiter soll einer dieser Farbauszüge zwei Markierungen (Kreise) K(0) und K(1) tragen, nämlich einen äußerer Kreis, dessen Durchmesser D(0) so gewählt sein soll, dass er alle Markierungen umschließt und einen innenliegender Kreis, dessen Durchmesser D(1) mindestens kleiner als D(0) sein soll. Jeder andere Farbauszug soll nur eine kreisförmige Markierung erzeugen, die jeweils einen charakteristischen von keiner anderen Markierung benutzten Durchmesser D(2)...D(5) besitzt, so dass für jede der kreisförmigen Markierungen ihre Herkunft (von welchem der Farbauszüge sie stammt), über den Durchmesser bereits eindeutig gekennzeichnet ist. Der äußeren Markierung mit dem Durchmesser D(0) sei weiterhin als eine Eigenschaft aufgeprägt, dass D(0) genau bestimmt a priori bekannt ist. Daher soll D(0) als Längen-Maßstab für alle Positionsvermessungen im Messfeld verwendet werden. Darüber hinaus soll durch die Lage der Winkelkombination AA auf der äußeren kreisförmigen Markierung K(0) eine Vorzugsrichtung X definiert sein, die gleichzeitig eine der beiden Achsen eines rechtwinkligen Koordinatensystems (X/Y) bilden soll. Als Ursprung dieses Systems soll der Mittelpunkt M(O) dieses Kreises definiert sein. Diese Eigenschaften des Koordinatensystems sollen für das gesamte Messfeld gültig sein. Der innere vom gleichen Farbauszug wie K(0) stammende Kreis K(1) soll mit zwei weiteren Kodierungen dazu dienen, weitere Eigenschaften eines Messfeldes zu kennzeichnen (z. B. Position des Messfeldes auf dem Bogen und Farbauszugskombination, und Schöndruckseite oder Widerdruckseite). Als erste Kodierungsmöglichkeit wird eine definierte andere Position des Mittelpunktes M(1) zum Mittelpunkt M(0) innerhalb des Kreises K(0) vereinbart, als zweite Kodierungsmöglichkeit eine Verdrehung aller Subelemente von K(1) um den Mittelpunkt (M1) um einen Winkelbetrag (angedeutet auch in 3). Weiter sollen im vorliegenden Beispiel die Mittelpunkte M(2)...M(5) eines jeden Kreises K(2)...K(5) die Position einer jeden Markierung beschreiben. Damit sind mit den Mittelpunktskoordinaten jene geometrischen Register/Passereigenschaften beschrieben, die dann beispielsweise Eingang in ein Protokoll, eine Anzeige oder eine Regelung finden können. Diese Anordnung kann auch dann noch benutzt werden, wenn innere Markierungen den Rahmen der äußeren überschreiten, solange sie noch im von der Auswerteeinrichtung erfassten Messfeld zu liegen kommen.
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Eine weitere Eigenschaft kann weiterhin in jeder der Markierungen dadurch implementiert sein, dass jeder eine eigene Vorzugsrichtung in Bezug auf das Koordinatensystem zugeordnet ist. Dies kann beispielsweise wieder dadurch geschehen, dass eine bestimmte Sequenz innerhalb der Folge entlang des Kreisumfanges diese beschreibt. Durch Veränderung der verwendeten Segmentwinkel und durch Änderung ihrer Folge in einer für jede Markierung oder Sorte von Markierungen typischen Weise sind jeder Markierung weitere zusätzliche Informationen aufgeprägt, die dann bei der Auswertung und Vermessung allein aus der Markierung wieder gewonnen werden können.
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3 zeigt schließlich ein Beispiel für eine Kombination einer Vielzahl oben beschriebener Eigenschaftsträgern auf der Grundlage von Kreisen als Markierungselemente mit einer überbestimmenden Zahl an Punkten auf ihrem Umfang Der Kreis K(0) soll wie schon im vorangehenden Beispiel mehrere Markierungen umschließen und gleichzeitig ein Koordinatensystem am Mittelpunkt M(0) aufspannen. Es sei auch wiederum der Durchmesser von K(0) a priori bekannt. Dieser soll auch als ein Maßstab für alle Längenangaben im Koordinatensystem gültig sein. Aus gleicher Herkunft (gleiches Druckwerk) soll wieder der Kreis K(1) stammen (gedruckt werden). Die Mittelpunkte von K(0) und K(1) seien M(0) und M(1). Ihnen sei ein fester Abstand aufgeprägt, der sich auch auf Grund gleicher Herkunft niemals verändern kann. Der Vektor von M(0) zu (M1) soll in diesem Beispiel die Verdrehung des Koordinatensystems mit dem Ursprung M(0) als negative X Achse kennzeichnen. Der Abstand A von M(0) zu (M1) soll charakteristisch an eine Sorte von Messelementen gebunden sein, beispielsweise solche, die auch für eine Ortsvermessung in Relation zu einem Objekt, wie einer Kante oder einem Loch herangezogen werden sollen. Es soll hier beispielsweise vereinbart sein, dass zu dieser Sorte von Markierungen stets weitere Objekte O1 oder O2 zu finden sind, die vermessen oder andersartig berücksichtigt werden müssen.
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Da die Lage des Koordinatensystems mit dem Vektor von M(0) zu (M1) und dem Ursprung M(0) ausreichend beschrieben ist, kann die Lage einer Winkelkombination AA (entsprechend 1) auf der äußeren kreisförmigen Markierung K(0) weitere Merkmale codieren. Z. B. könnte eine Verdrehung aller Subelemente von K(0) um M(0) um 36° einen Ort der Messung „Greiferkante Mitte ”beschreiben, andere Winkel könnten weitere Orte oder Eigenschaften beschreiben. Durch die Bildungsvorschrift von K(0) mit einer eineindeutig beschriebenen Sequenz ABBCACCBA von Winkelkombinationen können alle Verdrehungen bis 360° zum Koordinatensystem erkannt und entsprechend interpretiert werden. Den Subelementen des Kreises K(1) kann ähnlich ein vordefinierten Winkel (hier 12°) aufgeprägt werden. Diese Verdrehung kann als ein weiteres Sortenmerkmal der Markierungen interpretiert werden, beispielsweise im Unterschied zu solchen Markierungen, wo dieser Winkel 0° oder 24°, 40° oder eine andere Größe beträgt. So könnte Winkel 12° beispielsweise bedeuten, dass das Messfeld auf einer Schöndruckseite liegt, Winkel 24°40°, dass es auf der Widerdruckseite liegt und beide im Offsetverfahren hergestellt worden sind, während solche mit dem Winkel 0° im Flexodruckverfahren aufgebracht worden sind.
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Für die Zuordnung einer Markierung zu ihrer Herkunft, d. h. dem Farbauszug, mit dem sie aufgebracht worden ist, sollen wieder die Durchmesser der Kreise K(2) bis K(5) als charakteristisches Merkmal dienen.
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Gleichermaßen eröffnen definierte Drehungen von Subelementfolgen der Markierungen gegen das durch K(0) und K(1) festgelegte Koordinatensystem weitere in analoger Weise aufgebaute Kodierungsmöglichkeiten. Dies gilt, solange davon ausgegangen werden kann, dass nicht innerhalb eines Bearbeitungsprozesses eine Verdrehung unbekannten und signifikanten Ausmaßes einer Markierung erfolgt. Für eine Anwendung im Druckprozess ist dies in der Regel nicht der Fall, mindestens ist das Maß einer prozessbedingten Verdrehung deutlich kleiner. Umgekehrt kann in anderen Anwendungen natürlich auch eine auftretende Verdrehung bei konstanter Kodierungseigenschaft vermessen werden. Schließlich soll für alle Markierungen wieder gelten, dass der Mittelpunkt der Kreise die Ortskoordinaten der Markierung sein sollen, aus denen die Passer/Register-Abweichungen abgeleitet werden. Mit dem in den Beispielen beschriebenen Vorgehen entsteht eine große Zahl an freien Parametern als Träger von Informationen innerhalb eines Elements. Darüber hinaus entstehen weitere Möglichkeiten einer Codierung von Informationen aus Kombinationen von Elementen, die mit den beispielhaften Ausführungen bei weitem nicht erschöpft ist.
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Die eindeutig codierte Zuordnung einer jeden Markierung und eine übergeordnete Vereinbarung weiterer Merkmale stellt auch eine zusätzliche Eingangsinformation für ein qualifiziertes Fehlermanagement im Kontext einer Registerregelung dar. Werden mehrere Positionen zur Bildung von Registerkorrekturwerten herangezogen kann z. B. überprüft werden, ob schon alle der bekannten unterscheidbaren Messfelder erfasst wurden und an welcher Position z. B. ein Messfeld noch nicht erfasst wurde. In Fall einer Offline-Registerregelung wäre z. B. auch die Reihenfolge der Erfassung von Messfeldern frei wählbar, da ein Messsystem erkennen kann, welches Messfeld aktuell vermessen wurde. Kombiniert mit dem oben beschriebenen Unsicherheitsmaß wird eine weitere Qualifizierung eines Vorgehens bei einer Regelung oder Steuerung des Registers erreicht.
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Wie bereits oben kurz ausgeführt, wird mittels solcher Art Markierungen erreicht, dass mindestens ein Parameter von einer Markierung (hier der Durchmesser des Kreises von mindestens einer Marke aus einem der Druckwerke) bekannt ist. Ist mindestens diese eine Markierung identifiziert, so kann auf dem bildgebenden Sensor aus dem charakterisierenden Parameter (hier Durchmesser des Kreises) ein Abbildungsmaßstab eindeutig ermittelt werden. Damit kann nachfolgend zu jedem ermittelten Ort einer Markierung (hier Ort einer Druckmarke) eine genaue metrische Größe zugeordnet werden. Sind mehrere Markierungen (hier Marken des Markenfeldes) im bildgebenden Sensor erfasst und bestimmt, so ist auf diese Weise auch der Abstand zwischen ihnen genau quantifizierbar. Diese Eigenschaft erweist sich auch darüber hinaus auch als sehr nützlich, als dass sie teure telezentrische Optiken, die eine fixe aufgeprägte Geometrie bereits in sich aufweisen, zur Aufnahme nicht unbedingt benötigt. Es kann vielmehr mit jeder Optik der aktuelle Abbildungsmaßstab einer Aufnahme bei jeder Messung ermittelt werden. Dies ist auch von Vorteil, wenn das Messobjekt in seinem Abstand zur Aufnahmevorrichtung variiert und sich damit bei Standard-Optiken auch der Maßstab ändert. Die Bestimmung des Maßstabs aus jeder Messung ermöglicht eine Eliminierung derartiger Fehler.
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Alle vorstehend beschriebenen beispielhaften Ausführungen sind insofern besonders vorteilhaft, als dass sie sich sehr kleiner Punkte als Subelemente bedienen können. Wählt man als Größe der Subelemente eine Dimension, die sich der Erkennbarkeit durch das menschliche Auge in Leseentfernung nahezu entzieht (beispielsweise kleiner als 0,1 mm), so wird ein solches Messfeld kaum noch sichtbar und damit beispielsweise auf einem Druckexemplar auch nicht als störend empfunden werden. Daher können sie auch auf sichtbaren Teilen eines Druckexemplars angeordnet werden. Es lassen sich aus einer Vielzahl von Markierungen bestehende Messfelder aufbauen, die extrem klein werden und in denen trotzdem eine jede Markierung eindeutig identifizierbar bleibt und damit beispielsweise eine Vermessung des Passers/Registers in einer Druckmaschine mit 6, 8, 10 oder ggf. auch noch mehr auf einer Seite druckenden Werken erlauben.
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Die hier beispielhaft beschriebene Verwendung von Punkten als Subelemente kann leicht auch dahingehend variiert werden, dass andere evtl. leichter detektierbare oder herstellbare Geometrien benutzt werden. So können beispielsweise auch Kreuze oder Rechtecke verwendet werden, wenn sich im Verfahren einer Herstellung von Markierungen geradlinige Strukturen in ausgewählten Richtungen leichter erzeugen lassen. Es müssen dann zur Findung der Subelemente andere geeignete Algorithmen eingesetzt werden. Solche Algorithmen sollen unter Verweis auf entsprechende Fachliteratur hier als übliche Methoden der digitalen Bildanalyse bekannt vorgesetzt werden (Bernd Jähne, Digitale Bildverarbeitung, 6. Auflage, Springer Verlag).
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Gleichermaßen ist die Anordnung der Subelemente auf einem Kreis nicht zwingend. Das Verfahren zum Aufbau von Markierungen kann sich auch Bildungsgesetzen bedienen, die völlig andere Geometrien aufweisen, wie beispielsweise gerade oder gekrümmte Linien, Spiralen oder ähnliches, aber auch bekannten Zeichen folgen, wie beispielsweise Buchstaben oder Zahlen. Aus praktischen Gründen sind natürlich bei Arbeit in einer Ebene symmetrische Gebilde und/oder geschlossene Kurven zu bevorzugen, da sie sich in der Regel recht platzsparend anordnen lassen und weniger komplizierte Bildverarbeitungsalgorithmen zur Verarbeitung erfordern und damit zeitsparend wirken.
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Die mit dem Verfahren gewonnenen Positionsdaten können beispielsweise auch vorteilhaft zur Registerregelung einer Druckmaschine verwendet werden. Da mittels des beschriebenen Verfahrens mit der Identifizierung einer Marke auch sicher erkannt wird, von welchem Druckwerk eine gefundene Marke stammt, kann mit einer Regelung immer bereits dann begonnen werden, wenn 2 Druckwerke einen Abdruck abliefern. Die beiden betroffenen Druckwerke können dann mit einem aus einem Soll/Ist-Vergleich der gefundenen Positionen ermittelten Stellsignal passend angesteuert werden.
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Gleichermaßen wird mit der beschriebenen Verfahrensweise schnell erkannt, ob sich unter den aufgefundenen Markierungen die Farbe mit der Referenzposition, als Standfarbe bezeichnet, befindet, nach der alle anderen Positionen ausgerichtet werden sollen. Dementsprechend kann dann auch eine Regelungsstrategie angepasst werden. Wird beispielsweise die Standfarbe aus nur wenigen Subelementen ermittelt und weist daher einen vergleichbar hohen Messunsicherheit auf oder fehlt die Druckmarke der Standfarbe ganz, so kann beispielsweise solange auf eine andere genauer als die Standfarbe gemessene Farbe als Bezugsfarbe umgeschaltet werden und die Standfarbe erst später nachgeführt werden, wenn sie mit hoher Genauigkeit erfassbar ist.
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Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, die besagte Codierung dadurch zu bewirken, dass eine Markierung einer geometrischen Kurve folgt, deren Bildungsvorschrift an sich durch wenige Bestimmungsstücke, beispielsweise N Stück, beschreibbar ist, in der konkreten Markierung aber mindestens (N + 1) Subelemente verwendet werden und dadurch eine Überbestimmung der Kurve entsteht. Damit werden sowohl die Messunsicherheit vermindert, die Robustheit des Verfahrens wesentlich verbessert als auch Zusatzinformationen codierbar.
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Eine praktische Ausbildung sollte dadurch bestimmt sein, dass die Markierungen beim Zusammendruck in weiten Grenzen beliebig zu liegen kommen dürfen, d. h. sich sowohl überdecken als auch frei liegen dürfen, bei einem passgerechten Druck wenig Platz einnehmen, gut optisch erfassbar und leicht detektierbar und auswertbar sind. Letzteres sichert sowohl eine schnelle Bearbeitung einer Messung als auch eine geringe Messunsicherheit.
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Eine so in ein Messfeld gedruckte Gesamtheit von Elementen bestehend aus einer oder mehreren, wie oben beschrieben, aufgebauten Markierungen wird zur Vermessung und Auswertung von einem bildgebenden Sensorsystem registriert. Als Sensorsystem soll im vorliegenden Fall eine hochauflösende Flächenkamera dienen. Mittels einer Optik wird ein Messfeld, das die Markierungen enthält auf der lichtempfindlichen Sensorfläche abgebildet. Zur Verbesserung einer Messgenauigkeit des Gesamtsystems ist es weiterhin vorteilhaft, die Größe der Subelemente (hier Punkte), Abbildungsmaßstab und Auflösung des Sensors so zu wählen, dass ein Subelement auf eine Mehrzahl von Pixeln auf dem Sensor abgebildet wird. Das aufgenommene Bild wird in den Speicher einer Bildverarbeitungseinheit transferiert und von der Bildverarbeitungseinheit rechentechnisch bearbeitet. Dabei werden zunächst die Subelemente ermittelt und dann anhand der vorab bekannten und in der Bildverarbeitungseinheit oder einer anderen Einheit der Vorrichtung hinterlegten Bildungsgesetze der Markierungen einzelnen Markierungen zugeordnet. Auf diese Weise werden lokale Zuordnungen zwischen den Markierungen errechnet. Diese Informationen werden einer Auswerteeinheit zugeführt, die unter Verwendung der erfindungsgemäß in den Markierungen implementierten codierten Informationen ein vollständiges Set an Passer/Register-Messinformationen errechnet und zur Ausgabe zur Verfügung stellt. Diese Informationen werden auf einem Bildschirm visualisiert dargestellt, sie können aber auch ausgedruckt, weitergeleitet oder einem Steuer- oder einem automatischen Regelungssystem zugeführt werden. Die beschriebenen Funktionsgruppen sind aus praktischen und wirtschaftlichen Gründen in einer oder wenigen Einheiten zusammengefasst. Handelt es sich um bewegte Objekte, so bietet sich die Verwendung von Zeilenkameras als Sensorelement an, wobei hier die zweite Dimension durch die Bewegung des Messobjektes (hier Druckexemplars) und in schneller Folge getätigte Zeilen-Aufnahmen generiert wird.
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Damit ist erfindungsgemäß ein Messelement geschaffen, das es gestattet, in Verbindung mit der für die Durchführung des Verfahrens geeigneten Vorrichtung die für die Erfindung in Rede stehende Aufgabe vollständig zu lösen.
