DE102014206851A1 - Arrangement and method for detecting a one-dimensional position and speed of an object with a camera - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung gibt eine Anordnung zur Erfassung einer eindimensionalen Position und einer eindimensionalen Geschwindigkeit eines bewegbaren Objekts (1) an. Die Anordnung weist auf: – eine in dem Objekt (1) ausgebildete oder an dem Objekt (1) angeordnete Markereinrichtung (2), die ausgebildet ist, die Position und die Geschwindigkeit erfassbar zu machen, – eine die Markereinrichtung (2) erfassende Kameraeinheit (3), die ausgebildet ist, Bilder der Markereinrichtung (2) aufzunehmen, – eine Auswerteeinheit (4), die ausgebildet ist, die Position und die Geschwindigkeit aus den erfassten Bildern zu ermitteln, – einen streifenförmig ausgebildeten ersten Grauwertkeil (5) der Markereinrichtung (2) und – einen streifenförmig ausgebildeten, zu dem ersten Grauwertkeil (5) parallelen zweiten Grauwertkeil (6) der Markereinrichtung (2), – wobei der erste Grauwertkeil (5) einen periodischen ersten Grauwertverlauf und der zweite Grauwertkeil (6) einen periodischen zweiten Grauwertverlauf aufweist. Ein zugehöriges Verfahren wird ebenfalls angegeben. Die Erfindung bietet den Vorteil, mit einem einfachen und kostengünstigen Aufbau unter Einsatz von preiswerten Webcams und Standardbildauswertungsverfahren die Position und die Geschwindigkeit von bewegten Objekten eindimensional zu messen.The invention provides an arrangement for detecting a one-dimensional position and a one-dimensional speed of a movable object (1). The arrangement comprises: a marker device (2) formed in the object (1) or arranged on the object (1) and designed to make the position and the speed detectable, a camera unit detecting the marker device (2) ( 3) which is designed to record images of the marker device (2), - an evaluation unit (4) which is designed to determine the position and the velocity from the acquired images, - a strip-shaped first gray value wedge (5) of the marker device ( 2) and - a strip-shaped second gray scale wedge (6) of the marker device (2) parallel to the first gray scale wedge (5), wherein the first gray scale wedge (5) has a periodic first gray level profile and the second gray scale wedge (6) a periodic second gray level profile having. An associated method is also given. The invention offers the advantage of being able to measure the position and the velocity of moving objects one-dimensionally with a simple and inexpensive construction using inexpensive webcams and standard image evaluation methods.
Description
Gebiet der Erfindung Field of the invention
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Erfassung einer eindimensionalen Position und einer eindimensionalen Geschwindigkeit eines bewegbaren Objekts mittels Bilderfassung und Bildauswertung einer Markereinrichtung. The invention relates to an arrangement and a method for detecting a one-dimensional position and a one-dimensional speed of a movable object by means of image acquisition and image evaluation of a marker device.
Hintergrund der Erfindung Background of the invention
Eine hochgenaue eindimensionale Lokalisierung von Objekten ist für viele Anwendungen eine wichtige Voraussetzung. Beispiele sind die Positionserfassung von
- – schienengeführten Fahrzeugen,
- – Fördertechnik oder
- – bildgebende Geräten, z. B. in der medizinischen Diagnostik.
- - rail-guided vehicles,
- - Conveyor technology or
- - Imaging devices, eg. B. in medical diagnostics.
Die Lokalisierung muss dabei eine hohe Genauigkeit während einer Bewegung der Anordnung ermöglichen. Sie muss zudem kostengünstig zu realisieren sein. The localization must allow a high accuracy during movement of the arrangement. It must also be inexpensive to implement.
Die messtechnische Erfassung einer eindimensionalen Position erfolgte bisher je nach Anwendungsfall beispielsweise durch die Verwendung von Potentiometern, Inkrementalgebern, Kamerasystemen oder der Lasermesstechnik. Nur mit einem hohen Aufwand konnten bisher Systeme realisiert werden, die auch während einer Bewegung eine sehr genaue Positionserfassung ermöglichen. The metrological detection of a one-dimensional position was done so far, depending on the application, for example by the use of potentiometers, incremental encoders, camera systems or laser metrology. Until now systems could be realized with a high expenditure, which enable a very exact position detection even during a movement.
Anwendungen von Positionserfassungen gibt es beispielsweise bei der Röntgenbildgebung. In der nachveröffentlichten Patentanmeldung
Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung und ein Verfahren zur Erfassung einer eindimensionalen Position und einer eindimensionalen Geschwindigkeit eines Objekts anzugeben, die sehr genau, robust und kostengünstig sind. It is an object of the invention to provide an arrangement and a method for detecting a one-dimensional position and a one-dimensional speed of an object, which are very accurate, robust and cost-effective.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Anordnung und der Vorrichtung der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. According to the invention, the stated object is achieved with the arrangement and the device of the independent claims. Advantageous developments are specified in the dependent claims.
Erfindungsgemäß werden die absolute Position und die absolute Geschwindigkeit eines bewegbaren Objekts mit Hilfe der Bilderfassung und der Bildauswertung von mit dem Objekt verbundenen Grauwertkeilen, die periodische Grauwertverläufe aufweisen, ermittelt. Dabei wird insbesondere für die Positionsbestimmung die Phasenlage der Grauwertverläufe zueinander und für die Geschwindigkeitsermittlung die durch Bewegung verursachte Amplitudenreduktion des Grauwertverlaufs ausgewertet. According to the invention, the absolute position and the absolute speed of a movable object are determined with the aid of image acquisition and the image evaluation of gray scale wedges connected to the object, which have periodic gray scale gradients. In this case, in particular for the position determination, the phase position of the gray value profiles is evaluated relative to one another and for the speed determination the amplitude reduction of the gray value profile caused by movement.
Die Erfindung beansprucht eine Anordnung zur Erfassung einer eindimensionalen Position und einer eindimensionalen Geschwindigkeit eines bewegbaren Objekts. Die Anordnung umfasst eine in dem Objekt ausgebildete oder an dem Objekt angeordnete Markereinrichtung, die ausgebildet ist, die Position und die Geschwindigkeit erfassbar zu machen, eine die Markereinrichtung erfassende Kameraeinheit, die ausgebildet ist, Bilder der Markereinrichtung aufzunehmen, eine Auswerteeinheit, die ausgebildet ist, die Position und die Geschwindigkeit aus den erfassten Bildern zu ermitteln, einen streifenförmig ausgebildeten ersten Grauwertkeil der Markereinrichtung und einen streifenförmig ausgebildeten, zu dem ersten Grauwertkeil parallelen zweiten Grauwertkeil der Markereinrichtung, wobei der erste Grauwertkeil einen periodischen ersten Grauwertverlauf und der zweite Grauwertkeil einen periodischen zweiten Grauwertverlauf aufweist. The invention claims an arrangement for detecting a one-dimensional position and a one-dimensional velocity of a movable object. The arrangement comprises a marker device embodied in the object or arranged on the object, which is designed to make the position and the speed detectable, a camera unit which detects the marker device and which is configured to generate images of the marker device An evaluation unit, which is designed to determine the position and the speed of the detected images, a strip-shaped first gray value wedge of the marker device and a strip-shaped, parallel to the first gray scale wedge second gray value wedge of the marker device, wherein the first gray value wedge a periodic first gray level profile and the second gray value wedge has a periodic second gray level profile.
Die Erfindung beansprucht auch eine Anordnung zur Erfassung einer eindimensionalen Position und einer eindimensionalen Geschwindigkeit eines bewegbaren Objekts. Die Anordnung umfasst eine Markereinrichtung, die ausgebildet ist, die Position und die Geschwindigkeit erfassbar zu machen, eine die Markereinrichtung erfassende, auf dem Objekt angeordnete Kameraeinheit, die ausgebildet ist, Bilder der Markereinrichtung aufzunehmen, eine Auswerteeinheit, die ausgebildet ist, die Position und die Geschwindigkeit aus den erfassten Bildern zu ermitteln, einen streifenförmig ausgebildeten ersten Grauwertkeil der Markereinrichtung und einen streifenförmig ausgebildeten, zu dem ersten Grauwertkeil parallelen zweiten Grauwertkeil der Markereinrichtung, wobei der erste Grauwertkeil einen periodischen ersten Grauwertverlauf und der zweite Grauwertkeil einen periodischen zweiten Grauwertverlauf aufweist. The invention also claims an arrangement for detecting a one-dimensional position and a one-dimensional velocity of a movable object. The arrangement comprises a marker device which is designed to make the position and the speed detectable, a camera unit which detects the marker device and which is arranged to receive images of the marker device, an evaluation unit which is designed to record the position and the Determine speed from the captured images, a strip-shaped first gray value wedge of the marker device and a strip-shaped, parallel to the first gray value wedge second gray value wedge of the marker device, wherein the first gray value wedge has a periodic first gray level profile and the second gray value wedge a periodic second gray level profile.
Die Erfindung bietet den Vorteil, mit einem einfachen und kostengünstigen Aufbau unter Einsatz von preiswerten Webcams und Standardbildauswertungsverfahren die Position und die Geschwindigkeit von bewegten Objekten eindimensional zu messen. Die Grauwertkeile können mit Standarddruckern erstellt werden. The invention offers the advantage of being able to measure the position and the velocity of moving objects one-dimensionally with a simple and inexpensive construction using inexpensive webcams and standard image evaluation methods. The gray value wedges can be created with standard printers.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind der erste Grauwertverlauf sinusförmig mit einer ersten Wellenlänge und der zweite Grauwertverlauf sinusförmig mit einer zweiten Wellenlänge ausgebildet. In a further development of the invention, the first gray value curve is formed sinusoidally with a first wavelength and the second gray level curve is formed sinusoidally with a second wavelength.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Anzahl der den ersten Grauwertkeil bildenden ersten Wellenlängen um eins größer als die Anzahl der den zweiten Grauwertkeil bildenden zweiten Wellenlängen. Dadurch ist eine absolute Positionsbestimmung möglich. In a further embodiment, the number of first wavelengths forming the first gray value wedge is greater by one than the number of second wavelengths forming the second gray value wedge. As a result, an absolute position determination is possible.
In einer weiteren Ausbildung ist die erste Wellenlänge derart gewählt, dass ein bis zwei erste Wellenlängen in dem Bild der Kameraeinheit darstellbar sind. Dadurch ist sichergestellt, dass es bei einer Bewegung nicht zu nicht-rekonstruierbaren Überlagerungen kommt. In a further embodiment, the first wavelength is selected such that one to two first wavelengths can be displayed in the image of the camera unit. This ensures that a movement does not lead to non-reconstructable overlays.
In einer Weiterbildung umfasst die Anordnung einen zu dem ersten Grauwertkeil parallelen ersten Referenzstreifen, der ausgebildet ist, einen dunkelsten Grauwert anzugeben, und einen zu dem ersten Grauwertkeil parallelen zweiten Referenzstreifen der ausgebildet ist, einen hellsten Grauwert anzugeben. In a development, the arrangement comprises a first reference strip parallel to the first gray value wedge and configured to indicate a darkest gray value, and a second reference strip parallel to the first gray value wedge and designed to indicate a brightest gray value.
In einer weiteren Ausführungsform ist der erste Referenzstreifen schwarz und der zweite Referenzstreifen weiß. In a further embodiment, the first reference strip is black and the second reference strip is white.
Des Weiteren kann die Anordnung einen zum ersten Grauwertkeil parallelen Codiermusterstreifen aufweisen, der entlang seiner Bewegungsrichtung Quadrate mit einem aus Punkten gebildeten Code aufweist. Furthermore, the arrangement may have a coding pattern strip parallel to the first gray value wedge, which has squares with a code formed by dots along its direction of movement.
Außerdem kann die Markereinrichtung aus einem bedruckten Band bestehen, das entlang der Bewegungsrichtung des Objekts angeordnet ist. In addition, the marker means may consist of a printed tape arranged along the direction of movement of the object.
Die Erfindung gibt auch ein Verfahren zur Erfassung einer eindimensionalen Position und einer eindimensionalen Geschwindigkeit eines bewegbaren Objekts an, wobei aus einem in Bewegungsrichtung des Objekts angeordneten ersten und einem zweiten Grauwertkeil mit einem periodischen ersten Grauwertverlauf oder einem periodischen zweiten Grauwertverlauf mittels Bilderfassung und Bildauswertung die Position und die Geschwindigkeit ermitteln. The invention also provides a method for detecting a one-dimensional position and a one-dimensional velocity of a movable object, wherein from a arranged in the direction of movement of the object first and a second gray value wedge with a periodic first gray value progression or a periodic second gray level profile by means of image acquisition and image analysis, the position and determine the speed.
In einer Weiterbildung des Verfahrens sind der erste Grauwertverlauf sinusförmig mit einer ersten Wellenlänge und der zweite Grauwertverlauf sinusförmig mit einer zweiten Wellenlänge ausgebildet. In a further development of the method, the first gray value profile is formed sinusoidally with a first wavelength and the second gray value profile is sinusoidal with a second wavelength.
Des Weiteren kann die Bildauswertung den Görtzel-Algorithmus aufweisen, durch den der periodische erste und zweite Grauwertverlauf rekonstruiert werden. Furthermore, the image analysis can have the Görtzel algorithm, by which the periodic first and second gray level characteristics are reconstructed.
Außerdem kann aus der Phasenlage des ersten Grauwertverlaufs zu dem zweiten Grauwertverlauf die Position ermittelt werden. In addition, the position can be determined from the phase position of the first gray level profile to the second gray level profile.
In einer Weiterbildung wird aus der Amplitude und Phase des ersten Grauwertverlaufs und/oder des zweiten Grauwertverlaufs die Geschwindigkeit ermittelt. In a development, the speed is determined from the amplitude and phase of the first gray value profile and / or of the second gray value profile.
In einer weiteren Ausbildung wird mittels des Rolling-Shutter Effekts einer die Bilderfassung ausführenden digitalen Kamera aus der durch Bewegung verursachten Bildverzerrung die Geschwindigkeit ermittelt. In a further embodiment, the speed is determined by means of the rolling shutter effect of a digital camera executing the image acquisition from the image distortion caused by movement.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich. Other features and advantages of the invention will become apparent from the following explanations of an embodiment with reference to schematic drawings.
Es zeigen: Show it:
Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels Detailed description of an embodiment
Parallel zur Bewegungsrichtung
Es ist auch möglich, die Markereinrichtung auf dem bewegbaren Objekt
Der erste Graustufenkeil
Um die absolute Position eindeutig ermitteln zu können, darf die Phasenlage zwischen dem ersten Graustufenkeil
Um den dunkelsten und den hellsten Graustufenwert in jedem erfassten Bild exakt ermitteln zu können, weist die Markereinrichtung
Optional kann die Position auch mit Markern eines Codiermusterstreifens
Die absolute Position jedes Quadrats ist vorab bekannt und kann über eine Formel errechnet werden. Der Systemoffset ist ein fester Abstand und wird bei der Kalibrierung des Messsystems bestimmt. Im Kamerabild werden die Marker detektiert und die Pixelkoordinaten der Mittelpunkte bestimmt. Aus den Koordinaten der Mittelpunkte und der horizontalen Ortsauflösung der Kamera kann die eindeutige Systemposition errechnet werden. Diese wird für alle in einem Bild detektierten Marker errechnet und anschließend gemittelt. Zur Plausibilisierung wird überprüft, ob die detektierten Marker in einer fortlaufenden Sequenz liegen. The absolute position of each square is known in advance and can be calculated using a formula. The system offset is a fixed distance and is determined during calibration of the measuring system. The markers are detected in the camera image and the pixel coordinates of the center points are determined. From the coordinates of the centers and the horizontal spatial resolution of the camera, the unique system position can be calculated. This is calculated for all markers detected in an image and then averaged. For plausibility checking, it is checked whether the detected markers lie in a continuous sequence.
Für die Detektion der Marker können Funktionen einer OpenCV-Bibliothek verwendet werden. Hierbei wird das Kamerabild in ein Binärbild umgewandelt und anschließend die im Bild befindlichen Marker über ihre Form (Quadrat) gesucht. Die Decodierung der gefundenen Marker erfolgt über eine implementierte, möglichst einfach gehaltene Funktion. Bei dieser wird in einem Teil des Binärbilds durch eine Suchmaske nach den Elementen im Marker gesucht, um diesen zu identifizieren. Functions of an OpenCV library can be used for the detection of the markers. Here, the camera image is converted into a binary image and then the markers located in the image are searched for their shape (square). The decoding of the found markers takes place via an implemented, as simple as possible function. Here, in a part of the binary image, a search mask searches for the elements in the marker to identify it.
Bei einer Bewegung während einer Bildaufnahme mit einer Kamera entsteht Bewegungsunschärfe. Das verwendete Bewegungsmodell ist eindimensional. Bei einer kontinuierlichen Bewegung ist der Unschärfeeffekt vergleichbar mit der Anwendung eines 1D-Rechteckfilters. Allerdings ist die Rauschunterdrückung nicht gegeben, da kameraspezifische Fehlerquellen (z. B. Dunkelrauschen) damit nicht geglättet werden können. Je nach Geschwindigkeit ist die Breite des Rechteckfilters definiert als:
Die Transferfunktion dieses Filters ergibt sich mittels diskreter Fouriertransformation zu:
Für eine Rekonstruktion eines Signals muss daher sein erster Nulldurchgang vom ersten Nulldurchgang der Transferfunktion genügend Abstand einhalten. Die zugehörige Bildfrequenz bei einer sehr schnellen Bewegung mit 50 Pixel (Bildpunkte) Versatz während der Blendenöffnung der Kamera und einer Bildbreite b = 320 entspricht:
Maximal sechs Mal darf sich daher die höchste Frequenz eines Musters wiederholen, damit es bei der angenommenen Geschwindigkeit rekonstruierbar bleibt. Therefore, the highest frequency of a pattern must be repeated a maximum of six times so that it can be reconstructed at the assumed speed.
Für die Spektralanalyse einer Zeitreihe wird in der Regel die diskrete Fourier-Analyse eingesetzt. In dem vorliegenden Fall ist aber die verwendete Frequenz genau bekannt. Gesucht werden lediglich die Amplitude und die Phasenverschiebung einer Frequenz. Dies lässt sich effizient mit dem Görtzel-Algorithmus berechnen. Mit N Abtastwerten ist eine Zeitreihe {x(k)|k = 1...N} wie folgt zu rekonstruieren:
Bei einer gleichförmigen Bewegung, die n = 50 Pixel Versatz während der Blendenöffnung aufweist, ergibt sich mit dem Görtzel-Algorithmus eine Dämpfung von 0,675. Aus dieser Amplitudenreduktion und der Phasenverschiebung lässt sich die Geschwindigkeit während der Aufnahme rechnerisch mit Hilfe der Gleichungen (5) und (6) rekonstruieren. For a uniform motion that has n = 50 pixel skew during the aperture, the Görtzel algorithm yields an attenuation of 0.675. From this amplitude reduction and the phase shift, the velocity during recording can be reconstructed mathematically using equations (5) and (6).
Deutlich zu sehen ist, dass die Kennlinie eines Grauwertkeils auf Basis des Grauwertverlaufs rekonstruiert werden kann. Phasen und Amplituden beider Sinussignale K1 sind mit dem Görtzelfilter robust zu ermitteln. Da die Phasenlage eines Sinussignals keine absolute Lokalisierung zulässt, muss dieses Verfahren mit weiteren Maßnahmen kombiniert werden, beispielsweise wie zu
Der Rolling-Shutter-Effekt ist ein Lagefehler in Abbildungen, der durch ein technisches Phänomen bei der zeilen- oder spaltenweisen fotografischen Aufnahme von bewegten Bildern auftreten kann. Es erscheint zunächst selbstverständlich, dass die Belichtung aller Punkte des lichtempfindlichen Sensors einer digitalen Kamera zum exakt gleichen Zeitpunkt beginnt. Es gibt aber Kameras, bei denen das bauartbedingt nicht für die gesamte Fläche zutrifft. Dort muss man sich vielmehr eine "Linie gleichzeitigen Belichtungsstarts" vorstellen, die entweder zeilenweise oder spaltenweise über den Sensor wandert, wofür eine zwar nur kurze, aber doch nicht zu vernachlässigende Zeit benötigt wird. The rolling shutter effect is a positional error in images that may occur due to a technical phenomenon in the line-by-line or column-wise photographic shooting of moving images. It first appears obvious that the exposure of all points of the photosensitive sensor of a digital camera begins at exactly the same time. But there are cameras where the design does not apply to the entire surface. There, one has to imagine a "line of simultaneous exposure starts", which moves either line by line or column by column over the sensor, for which a short but nevertheless not negligible time is needed.
Solange das Motiv unbewegt ist, werden auch bei solchen Kameras alle Bildpunkte an ihrer korrekten Position belichtet, unabhängig davon, wann die entsprechenden Punkte belichtet wurden. Werden jedoch Aufnahmen eines bewegten Motivs, oder mit bewegter Kamera, mit nacheinander belichteten Zeilen aufgenommen, werden Objekte an ihrem momentanen Ort abgebildet. Da die Abbildung zeilenweise erfolgt, hat sich das Objekt von einer zur nächsten Zeile schon so weit bewegt, dass bei einer Zusammensetzung aller Zeilen ein Objekt zur Darstellung kommt, das nicht als Ganzes auf einmal abgebildet wurde, sondern zeilenweise zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Eine gerade Linie des Motivs kann bei einem Kameraschwenk oder einem bewegten Motiv (entsprechend den nacheinander folgenden einzelnen Zeilen) krumm oder verzerrt abgebildet werden. As long as the subject is motionless, even with such cameras, all pixels are exposed at their correct position, regardless of when the corresponding points were exposed. However, when taking pictures of a moving subject, or moving camera, with consecutively exposed lines, objects are displayed in their current location. Since the mapping is done line by line, the object has already moved from one line to the next, so that in the case of a composition of all lines, an object is displayed that was not displayed as a whole at once, but at different times line by line. A straight line of the subject can be crooked or distorted with a camera pan or a moving subject (corresponding to the successive individual lines).
Bei Digitalkameras tritt der Rolling-Shutter Effekt typischerweise bei Bildwandlern in CMOS-Sensor-Technik auf, da diese in der Regel nur eine zeilen- beziehungsweise spaltenweise Signalauswertung zulassen. In the case of digital cameras, the rolling shutter effect typically occurs in the case of image sensors in CMOS sensor technology, since these generally allow only one line or column-wise signal evaluation.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Objekt object
- 2 2
- Markereinrichtung Marker device
- 3 3
- Kameraeinheit camera unit
- 4 4
- Auswerteeinheit evaluation
- 5 5
- erster Grauwertkeil first gray value wedge
- 6 6
- zweiter Grauwertkeil erster/zweiter Grauwertverlauf second gray value wedge first / second gray value curve
- 8 8th
- erster Referenzstreifen (schwarz) first reference strip (black)
- 9 9
- zweiter Referenzstreifen (weiß) second reference strip (white)
- 10 10
- Codiermustersteifen Codiermustersteifen
- 11 11
-
Bewegungsrichtung des Objekts
1 Direction of movement of theobject 1 - K1 K1
- Kurve der Messwerte des Grauwertverlaufs Curve of the measured values of the gray value curve
- K2 K2
- Kurve des rekonstruierten Grauwertverlaufs Curve of the reconstructed gray value curve
- n n
-
Versatz der Pixel während der Blendenöffnung der Kameraeinheit
3 Offset of the pixels during the aperture of thecamera unit 3 - λ1 λ 1
- erste Wellenlänge first wavelength
- λ2 λ 2
- zweite Wellenlänge second wavelength
- λS λ S
- Schwebungswellenlänge Beat wavelength
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102013210543 A1 [0005] DE 102013210543 A1 [0005]
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