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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen von Münzen oder münzähnlichen Gegenständen nach den
Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1, sowie einen
Münzprüfer zur
Durchführung
des vorgenannten Verfahrens nach den Merkmalen des Oberbegriffes
des Patentanspruches 13.
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Zur
Unterscheidung zwischen echten Münzen
oder münzähnlichen
Gegenständen,
wie beispielsweise Wertmarken oder sogenannte ”Tokens”, einerseits und Falsifikaten
oder Fremdmünzen
andererseits werden nach dem Stand der Technik elektronische Münzprüfer, insbesondere
in Verkaufs- und Geldwechselautomaten, eingesetzt.
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Solche
elektronischen Münzprüfer beruhen
oft auf einer ausgefeilten induktiven Messtechnik, mit der die Unterscheidung
der verschiedenen Münzen
und Wertmar ken im Allgemeinen problemlos möglich ist. Jedoch treten immer
häufiger
auch solche Falsifikate oder Fremdmünzen auf, die mit dieser üblicherweise
verwendeten Messtechnik nur sehr schwer oder gar nicht unterscheidbar
sind, etwa wenn für
die Falsifikate Blei, Zinn oder deren Legierungen verwendet werden
oder die Falsifikate so gegossen oder aufgeprägt sind, dass sie selbst im
optischen Erscheinungsbild vom Original kaum noch zu unterscheiden
sind, insbesondere wenn auch die Farbe durch einen entsprechenden
Farbauftrag nachgebildet wurde.
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Aus
der
Deutschen Offenlegungsschrift
100 51 009 A1 wird vorgeschlagen, diese Probleme dadurch zu
lösen,
dass im Münzautomaten
das Prägebild
einer eingeworfenen Münze
fotografisch durch einen Bildempfänger erfasst wird und mit vorgegebenen
Bilddaten verglichen wird, um daraus auf die Echtheit der Münze oder
das Vorhandensein eines Falsifikates zu schließen.
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Ausgehend
von der optischen Erfassung des Bildes der Münzprägung wohnt diesem vorgeschlagenen Verfahren
jedoch weiterhin der Nachteil inne, dass das Prägebild einer Münze oder
eines münzähnlichen
Gegenstandes durch eine optische Täuschung realisiert sein kann,
etwa durch entsprechenden Farbauftrag auf einer geprägten Falschmünze.
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In
der Offenlegungsschrift
DE
100 45 052 A1 ist ein weiteres Verfahren zur Erkennung
von Münzen
in einem Münzautomaten
beschrieben. Dort wird eine Erkennung abhängig von einem aufgezeichneten
Höhenbild
einer Münze
vorgeschlagen, wobei zur Erzeugung eines Echt- oder Falschsignals für die zu
erkennende Münze
ein Höhenprofil
entlang einer Kreisbahn ermittelt wird bei unterschiedlichen relativen
Winkelorientierungen der Münze
gegenüber
einem Referenz-Höhenprofil.
Zur Bestimmung des Höhenprofils
auf der genannten Kreisbahn muss dabei das Höhenprofil der Münze zunächst flächendeckend
aufgezeichnet werden, um anschließend eine Bestimmung des Mittelpunkts
der Münze
und damit des Verlaufs der Kreisbahn zu ermöglichen. Schon die Ermittlung
des Höhenprofils
längs der
Kreisbahn erfordert in dem dort vorgeschlagenen Verfahren also zunächst eine
sehr aufwendige Vermessung des gesamten Höhenprofils der Münze sowie
mehrere ebenfalls aufwendige Rechenschritte. Zum Vergleich des Höhenprofils
mit Referenzdaten wird dabei in unökonomischer Weise nur ein Bruchteil
zuvor ermittelter Messwerte verwendet.
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Einen
weiteren, nachteilig aufwendigen Rechenschritt erfordert das bekannte
Verfahren dadurch, dass vor dem eigentlichen Vergleich des Höhenprofils
mit dem Referenz-Höhenprofil
eine Winkelorientierung maximaler Übereinstimmung des gemessenen
Höhenprofils
mit dem Referenz-Höhenprofil
errechnet werden muss. Erst anschließend werden das gemessene Höhenprofil
und das Referenz-Höhenprofil
miteinander verglichen und auf Übereinstimmung
untersucht, wobei beide Höhenprofile
jeweils einen Prägungsverlauf
längs einander
entsprechender Kreisbahnen wiedergeben. In der genannten Druckschrift
ist dabei auch die Möglichkeit
erwähnt,
anstelle eines direkten Vergleich der Höhenprofile eine Fouriertransformation
durchzuführen
und damit die Höhenprofile
im Frequenzraum zu untersuchen. In jedem Fall ist das beschriebene
Verfahren außerordentlich
aufwendig, weil die dort notwendigerweise kreisförmige Linie, längs derer
das Höhenprofil
der untersuchten Münze
ausgewertet wird, mit der entsprechenden Kreislinie einer Referenzmünze in Deckung
gebracht werden muss.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Prüfen von
Münzen
oder münzähnlichen
Gegenständen
sowie einen Münzprüfer hierfür anzugeben,
welcher in einfacher und kostengünstiger
Weise eine zuverlässige
Unterscheidung zwischen Falsifikaten einerseits und Münzen oder
münzähnlichen
Gegenständen
andererseits ermöglichen
und dabei die Nachteile des genannten Standes der Technik vermei det.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
ein Verfahren nach dem Patentanspruch 1 sowie durch einen Münzprüfer nach
Patentanspruch 13 gelöst.
Das Verfahren weist dabei die folgenden Vorteile auf:
Dadurch,
dass bei der Abtastung der Münze
oder des münzähnlichen
Gegenstandes das Prägeprofil
der Münze
erfasst wird, wird die Echtheitsprüfung auf Grundlage der Oberflächenstruktur
einer Münze
durchgeführt. Durch
diese Erfassung des Oberflächenreliefs
wird eine Vielzahl von Materialeigenschaften, insbesondere die Schärfe und
Detailliertheit des Prägungsprofils
in die Prüfung
auf Echtheit mit einbezogen, so dass eine Täuschung aufgrund von fotografischer
oder farblicher Imitation einer Münze oder eines münzähnlichen
Gegenstandes ausgeschlossen wird.
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So
weisen etwa geprägte
Imitationen einer Münze
aus Blei gegenüber
dem Original deutliche Unterschiede in der Schärfe des Prägungsprofils auf, auch wenn
das rein optische Erscheinungsbild – auch aus verschiedenen Blickwinkeln – zum Verwechseln ähnlich ist.
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Dadurch,
dass das abgetastete Prägeprofil
als Zuordnung von Positionen und Abtastwerten vorliegt, in einer
Form, die einen Signalverlauf abhängig von Ort bzw. Zeit darstellt,
kann das Prägeprofil
rechnerisch mit den Mitteln digitaler Signalverarbeitung weiter
bearbeitet werden und auch zur weiteren Verarbeitung einfach zwischengespeichert
werden.
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Dadurch,
dass aus diesem Signalverlauf eine Oberwellen-Charakteristik errechnet
wird, wird der das Münzprofil
repräsentierende
Signalverlauf in eine mathe matische Funktion überführt, anhand derer die charakteristischen Übergänge zwischen
zwei verschiedenartig geprägten
Teilen des Münzprofils
gezielt herausgearbeitet sind. Auf diese Weise äußert sich eine kantigere bzw.
zackigere Kurvenform im Münzprofil
der Originalmünze
in einer spezifisch-charakteristischen Kurvenform der vorliegend
als Oberwellen-Charakteristik bezeichneten
Funktion. Ein direkter Vergleich dieser Oberwellen-Charakteristik
mit vorgegebenen Referenzwerten oder -wertefolgen ist gerade bezüglich der
Ausgeprägtheit
des Münzprofils
technisch erheblich ergiebiger als ein direkter Vergleich der die
Münzprofile
repräsentierenden
Signalverläufe.
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Dadurch,
dass die Oberwellen-Charakteristik in vorbeschriebener oder auf
andere Weise ausgewertet wird, gelangt das Verfahren in besonders
zuverlässiger
Weise, und besonders auf die Schärfe
der Ausprägung und
die Verschiedenheit unterschiedlicher Prägebereiche im Münzprofil
abstellend, zur Erzeugung eines eindeutigen Signals, ob eine dem
Prüfverfahren
unterzogene Münze
als echte Münze
oder als Falsifikat einzustufen ist. Dementsprechend kann ein Automat,
der sich dieses Verfahrens bedient, das Münz-Falsifikat zuverlässig zurückweisen.
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Die
Erfindung nach Patentanspruch 13 weist ihrerseits die folgenden
Vorteile auf:
Dadurch, dass Speichermittel zur Aufnahme der
Abtastwerte als Signalverlauf enthalten sind, wird eine einfache
Verarbeitbarkeit der erfassten Abtastwerte als Signalverlauf gewährleistet.
Insbesondere wird die Weiterverarbeitbarkeit durch Rechnermittel
zur digitalen Signalverarbeitung technisch erleichtert.
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Dadurch,
dass in den Signalverarbeitungsmitteln Rechnermittel zur digitalen
Verarbeitung des Signalverlaufes zu einer Oberwellen-Charakteristik
aufweisen, wird eine Vorrichtung zur Analyse des Signalverlaufs hinsichtlich
seiner Oberwellenanteile bereitgestellt und auf diese Weise eine
die Oberwellenanteile repräsentierende
Funktion dargestellt.
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Dadurch,
dass die Auswerte-Mittel Mittel enthalten zur Erzeugung eines ”Echt-” bzw. ”Falsch-”Signals können die
Auswert-Mittel nicht nur eine Bewertung anhand der Oberwellen-Charakteristik
vornehmen, sondern das Ergebnis dieser Be- bzw. Auswertung an einen
gegebenenfalls mit dem Münzprüfer verbundenen
Automaten oder an andere Systeme weitergeben. Dadurch, dass solche
Auswerte-Mittel enthalten sind, wird es ferner ermöglicht,
die Oberwellencharakteristik bzw. einer aus dieser ermittelten Bewertungszahl
einen Vergleich zu einem Differenzwert bzw. einer Wertefolge, welche(r)
im System gespeichert sein kann, vorzunehmen, und dementsprechend
das ”Echt”- bzw. ”Falsch”-Signal
zu erzeugen.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind nach den jeweils auf die unabhängigen Ansprüche rückbezogenen
Patentansprüche
möglich
und werden im Folgenden kurz erläutert:
Wird
das Verfahren dahingehend vorteilhaft weitergebildet, dass während oder
nach der Abtastung der Münze eine
Korrekturrechnung durchgeführt
wird, welche unterschiedliche Laufzeiten der Münze durch die Abtastvorrichtung
normiert, werden unterschiedliche Abtastlängen des Signalverlaufes aufgrund
unterschiedlicher (Durch-)Laufzeiten der Münze die Abtastvorrichtung rechnerisch
ausgeglichen, so dass unter schiedliche Laufzeiten nicht die Berechnung
miteinander vergleichbarer Oberwellen-Charakteristiken verfälschen.
Auf diese Weise wird also stets gewährleistet, dass unabhängig von
der Geschwindigkeit, mit der die Münze die Abtastvorrichtung passiert,
die Oberwellen-Charakteristik-Funktionen verschiedener Münzen mit
verschiedenen Passiergeschwindigkeiten stets in den wesentlichen
Merkmalen miteinander verglichen werden können.
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Das
Verfahren kann weiterhin dahingehend vorteilhaft ausgebildet werden,
dass bei der Auswertung der ermittelten Oberwellen-Charakteristik
(im folgenden Synonym: Charakteristik) dadurch bewertet wird, dass auf
die Charakteristik-Funktion mindestens in Teilbereichen des Funktionsverlaufes
eine oder mehrere der folgenden Metriken in Kombination angewendet
werden: Frequenz der maximalen Amplitude der Charakteristik-Funktion, Verhältnis der
minimalen und maximalen Amplitude der Charakteristik-Funktion zueinander,
Stetigkeit der Charakteristik-Funktion, sowie Summe der Beträge der Amplituden
der Charakteristik-Funktion. Es kann dabei auch die Summe der Beträge der Amplituden
der Charakteristik-Funktion in einem ersten Teilbereich der Charakteristik
zur Summe der Beträge
der Amplituden im übrigen
Bereich des Funktionsverlaufes der Charakteristik ins Verhältnis gesetzt
werden. Dadurch werden praktisch einfach zu ermittelnde und aussagekräftige Bewertungskriterien
angegeben, welche anhand der Charakteristik die Oberwellenanteile
des Signalverlaufes und somit die Ausgeprägtheit des Prägeprofils
und seiner Eigenschaftskontraste in verschiedenen Profilbereichen
quantifizieren.
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Eine
besonders vorteilhafte Realisierung des Verfahrens sieht vor, die
Ermittlung der Oberwellencharak teristik aus dem Signalverlauf und
deren Auswertung laufzeitoptimiert und echtzeitfähig auszugestalten, wobei die
zu garantierende Zeitanforderung so zu bemessen ist, dass bei mehreren
hintereinander zu überprüfenden Münzen, welche
durch die Abtastvorrichtung geführt
werden, ein kontinuierlicher Münzlauf
zugelassen wird.
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Echtzeitfähigkeit
bedeutet hier, dass im Laufe des Verfahrens gewährleistet sein muss, dass das
Prüfungsergebnis,
oder definierte Zwischenergebnisse, innerhalb bestimmter Zeitanforderungen
garantiert vorliegen. Im vorliegenden Fall ist diese Zeitanforderung
klar mit der minimalen Durchlaufzeit der Münze durch das System eingegrenzt.
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Als
praktisches Ergebnis würde
somit das Ergebnis der Münzprüfung quasi
gleichzeitig mit dem Durchlaufen der Münze durch einen Münzprüfer ermittelt
und unmittelbar zur Verfügung
stehen. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn das vorliegende
Verfahren im Zusammenspiel mit anderen Testverfahren gleichzeitig
zur Anwendung kommen soll, und die anderen Testverfahren einen ununterbrochenen,
kontinuierlichen Münzlauf
zulassen oder erfordern.
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Wird
das Verfahren dahingehend ausgebildet, dass bei der Ermittlung der
Oberwellen-Charakteristik aus dem Signalverlauf eine Fast-Fourier-Transformation
(FFT) durchgeführt
wird, wird ein gängiges
Frequenzanalyseverfahren verwendet, für das eine breite Palette von
Hardware-Komponenten und Software-Bausteinen zur Verfügung steht.
Hierdurch wird die Fehlerbehebung und die stetige Verbesserung bei
einem verfahrensgemäß arbeitenden
System erleichtert, sowohl im Laufe des Produktlebenszyklus als
auch bei der Entwicklung des Systems. Ferner erlaubt die Verwendung
der Fast-Fourier-Transformation
eine technisch einfache Umsetzung des Verfahrens, wenn die Abtastung
nicht nur auf einem Weg erfolgt, beispielsweise nur optisch oder
nur magnetisch, sondern zusätzlich
auch noch auf einem weiteren Weg, etwa optisch und magnetisch-induktiv oder optisch
und kapazitiv, oder optisch mit einem weiteren Licht einer anderen
Farbe.
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Wird
das Verfahren dahingehend vorteilhaft weitergebildet, dass die Oberwellen-Charakteristik
alternativ zur FFT dadurch ermittelt wird, dass ein fest gespeicherter
Referenz-Signalverlauf und/oder ein gleitender Mittelwert von dem
aktuellen Münzeinwurf-Signalverlauf, welcher
das Prägeprofil
der aktuell zu überprüfenden Münze repräsentiert,
subtrahiert wird, so wird für
die Ermittlung der Oberwellen-Charakteristik
eine Lösung
gewählt,
welche besonders leicht implementierbar ist und insbesondere ressourcenschonend
auf Basis üblicher, einfacher
8-Bit-, höchstens
16-Bit-Mikrocontroller erfolgt. Dies ist deswegen besonders vorteilhaft,
weil die letztgenannte Methode besonders laufzeiteffizient bei der
Ermittlung der Ergebnisse ist. Wichtig ist dies, wenn die Durchführung der
FFT eine zu aufwendige Hardware erfordern und/oder die Ermittlung
der Ergebnisse insgesamt zu langsam ist. Dabei dient der Referenz-Signalverlauf als
Korrekturkurve, durch den ein bekannter oder ausgemessener, konstanter
Fehler des Messsystems ausgeglichen werden kann.
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Die
so ermittelte Oberwellen-Charakteristik kann unmittelbar mit den
vorgenannten Bewertungskriterien bzw. Metriken bewertet werden,
es kann jedoch vorteilhafterweise in einem einfach zu implementierenden, statistischen
Abzähl-Verfahren
die so vorliegen de Oberwellen-Charakteristik erneut dadurch umgeformt
werden, dass bei der bestehenden Oberwellen-Charakteristik (nämlich dem Ergebnis-Signalverlauf
der Subtraktion des Referenz-Signalverlaufes von dem aktuellen Münzeinwurf-Signalverlauf)
die Abstände
der Nulldurchgänge
voneinander bestimmt werden und ferner bestimmt wird, wie häufig jeder
dieser Abstände
auftritt. Hierdurch entsteht eine neue Oberwellen-Charakteristik, welche
eine Spektrallinienverteilung ähnlich
der vorgenannten Fast-Fourier-Transformation (wie vorstehend beschrieben)
darstellt. Diese kann in noch besserer Weise im Rahmen der Auswertung
unter Verwendung der vorgenannten Metriken bewertet werden.
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Dieses
Verfahren bietet als solches eine hohe Zuverlässigkeit bei der Bestimmung
von echten Münzen oder
echten münzähnlichen
Gegenständen
unter Falsifikaten, wenn die Abtastung auf optischem Wege erfolgt.
Die Zuverlässigkeit
des Systems kann noch gesteigert werden, indem weitere Abtastverfahren
hinzukommen, welche beispielsweise auf magnetisch-induktivem und/oder
kapazitivem Wege beruhen.
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Ein
Münzprüfer kann
vorteilhaft dahingehend weitergebildet werden, dass durch die Abtastmittel
das Münzprofil
beider Münzseiten
erfassbar ist; dies beispielsweise dadurch, dass ein doppeltes Messsystem/eine doppelte
Sensoranordnung vorgesehen ist, welche die Münze von beiden Seiten vermisst.
Außerdem
kann vorteilhafterweise durch die Abtastmittel auch das Profil des
Münzrandes
abtastbar sein. Dies kann dadurch erreicht werden, dass ein Messsystem/eine
Sensoranordnung der Abtastmittel den Rand der Münze erfasst und somit Riffel
oder Randprägungen
erkennt.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer Figu ren erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
einer Abtastvorrichtung eines Münzprüfers,
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2 die
Abhängigkeit
der Abtastwerte in Abhängigkeit
von dem Abstand zwischen Abtastvorrichtung und Münze,
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3 den
Zusammenhang zwischen dem Prägeprofil
einer Münzprägung und
dem bei der Abtastung entstehenden Signalverlauf,
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4 unterschiedliche
Signalverläufe
und Oberwellen-Charakteristiken einer echten Münze, eines Falsifikates gleicher
Färbung
und Prägung
und eines fotografischen Falsifikates im Vergleich,
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5 verschiedene
Signalverläufe,
Referenz-Signalverläufe aus
einer gleitenden Mittelwertbildung sowie daraus resultierende Oberwellen-Charakteristiken
als Differenz der beiden vorgenannten Signalverläufe, sowie
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6 eine
Darstellung eines Signalverlaufes, wie er durch die Abtastung des
Prägeprofils
einer Münze
entsteht, sowie drei verschiedene Mittelwertbildungen davon.
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Wird
das Verfahren zum Prüfen
von Münzen
oder münzähnlichen
Gegenständen
beispielsweise dadurch ausgelöst,
dass eine Münze
in einen Automaten eingegeben und damit einem dieses Verfahren durchführenden
Münzprüfer zugeleitet
wird, so wird zunächst
die Münze
in ihrer kontinuierlichen Bewegung durch eine Abtastvor richtung,
wie sie beispielhaft in 1 dargestellt ist, erfasst.
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Vorgesehen
ist eine kontinuierliche Bewegung der Münze vorbei an der fest angeordneten
Sensorik. Dabei soll unter einer kontinuierlichen Bewegung im Rahmen
dieser gesamten Anmeldung eine – gegebenenfalls
teilweise verlangsamte oder beschleunigte – Bewegung ohne Stillstand
der Münze
verstanden werden.
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Die
in 1 dargestellte Abtastvorrichtung ist eine optische.
Sie weist eine Lichtquelle 1 sowie einen Lichtsensor 2 auf,
wobei das von der Lichtquelle 1 abgestrahlte Licht an der
Münze oder
dem münzähnlichen Gegenstand 3 reflektiert
und im Winkel auf den Sensor 2 zurückgeworfen wird. Für einen
solchen Aufbau kommt auch ein handelsüblicher Reflexkoppler in Betracht,
soweit er nach dieser vorstehend beschriebenen Form angeordnet ist.
Dabei ist eine monochrome Abtastung der Münze hinreichend, kann jedoch
durch Bestrahlung und Reflexionsmessung in weiteren Farben erweitert
werden. In diesem Zusammenhang ist es weiterhin denkbar, neben dem
Idealfall der Abtastung auf der Durchmesserlinie der Münze, mehrere
Sensoren in unterschiedlicher Höhe
der Lauffläche
anzubringen: beispielsweise so neben einer möglichst zentralen Abtastung
auch extreme Bereiche, wie sehr nahe am Rand oder sogar auf der
Münzkante.
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In
jedem Fall wird die Oberfläche
der eingeworfenen Münze
in ihrer Bewegung kontinuierlich punktförmig abgetastet und die jeweiligen
Messwerte für
die Wei terverarbeitung abgespeichert.
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Von
entscheidender Bedeutung bei diesem Abtastverfahren ist, dass nicht
etwa das Prägebild
der Münze
abgetastet wird, sondern auf optischem Wege die Oberflächenstruktur,
insbesondere das Prägeprofil der
Münze erfasst
wird. Dabei ist insbesondere die präzise Erfassung der Profiltiefe
des Münzprofils
an jedem einzelnen Abtastpunkt von Bedeutung.
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Anstelle
der optischen Erfassung sind in analoger Anwendung auch andere Abtastverfahren,
wie induktive oder kapazitive Verfahren, zur Erfassung des Münzprofils
und Lieferung der den Signalverlauf bildenden Rohdaten denkbar.
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2 zeigt
den Zusammenhang zwischen der Intensität des am Lichtsensor 2 in 1 empfangenen Lichtes
in Abhängigkeit
von dem Abstand zwischen der reflektierenden Oberfläche 3 in 1 (dort
ist der vereinfachten Darstellung halber eine Münze ohne Profil gezeigt) und
dem Sensor 2 in 1. Auf der Abszisse ist dabei
der Abstand, auf der Ordinate die Intensität des empfangenen Lichts in
Form der Stromstärke
eines elektrischen Signals abgetragen. Dabei ist zu erkennen, dass
die Intensität
des empfangenen Lichtes in kurzen Entfernungen als hinreichend proportional
zum Abstand zum reflektierenden Gegenstand ist. Neben der Profiltiefe,
bzw. den Unterschieden in der Profiltiefe in verschiedenen Bereichen
des Münzprofils
gehen die Materialhelligkeit, die Signalverstärkungen und Dämpfungen
des Lichtes durch Brechung und Reflexion an der Oberfläche der
Münze in
das Signal ein. Der entstehende Signalverlauf ist das Ergebnis des
Zusammenwirkens all dieser Effekte, so dass ein bestimmter und typischer
Signalverlauf für
einen be stimmten Münztyp durch
diese Vielheit an Eigenschaften einer Münzoberfläche, insbesondere ihres Münzprofils,
entsteht und für die
Weiterverarbeitung als besonders vorteilhafte Grundlage dienen kann.
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Die
Auflösung
der erfassten Abtast-Messwerte führt
in einem Band unterschiedlicher Höhe zum Erfolg. Eine günstige Umsetzung
sieht bei einer angenommenen Wegstrecke von 2–3 cm und einer realistischen
Anzahl von Messpunkten von 256 eine Auflösung von etwa 0,07 bis 0,12
mm pro Pixel für
die Richtung entlang der Münze
vor.
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Für die Auflösung in
Richtung der Senkrechten zur Münzoberfläche wird
im Idealfall eine maximale Strukturhöhe der Münze von 1 mm bei einer Auflösung von
256 Schritten angenommen, was einer Auflösung von ca. 0,004 mm entspricht.
Da die Führung
der Münze
sowie die Position des Sensor bei einzelnen Geräten voneinander abweichen können, muss
hier ein Abstrich gemacht werden. Wenn man mit einem Versatz von wiederum
1 bis 1,5 mm rechnet, verbleibt eine Auflösung von 0,01 mm in der Strukturtiefenmessung.
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3 zeigt
auf der linken Seite eine Draufsicht einer Münze mit einer Prägung, wobei
links unten querschnittartig das Profil der Münzoberfläche entlang der in der Mitte
der Münze
verlaufenden Schnittlinie dargestellt ist. Zur weiteren Veranschaulichung
wird der Idealfall angenommen, dass die an der Abtasteinheit, wie
in 1 dargestellt, vorbeigeführte Münze mit einer strukturierten
Oberfläche,
beispielsweise einer Münzprägung, Messwerte
liefert, welche die Profiltiefe an jedem einzelnen Abtastpunkt wiedergeben.
In 3 ist rechts dargestellt, wie eine Aneinanderreihung
der Messwerte aus der Abtastung einen Sig nalverlauf liefert, welcher im
Idealfall der Oberflächenlinie
entlang der links dargestellten Schnittlinie bzw. Abtastlinie entspricht.
Wie vorstehend dargestellt, ist dieser Signalverlauf jedoch ein
Ergebnis eines Zusammenwirkens verschiedener Effekte, so dass der
Signalverlauf über
die reine Höheninformation
hinausgehende Eigenschaften der Münzoberfläche beinhaltet. Der rechts
dargestellte Signalverlauf ist dabei eine orts- bzw. zeitabhängige Darstellung der
Intensität
des empfangenen Signals.
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Wird
nun der, gegebenenfalls zwischengespeicherte, Signalverlauf weiter
verarbeitet zu einer weiteren Funktion, welche in vorliegender Patentanmeldung
durchgängig
als Charakteristik oder als Oberwellen-Charakteristik bezeichnet wird, so wird
mit dieser Oberwellen-Charakteristik gezielt der Oberwellenanteil
des ursprünglichen
Signalverlaufes herausgearbeitet. Damit ist er einem automatischen
Auswertevorgang in erheblichem Maße einfacher zugänglich.
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Eine
Gegenüberstellung
aus Münzen
oder Falsifikaten und davon jeweils erfassten Signalverläufen der
jeweiligen Oberfläche
und ferner der aus den Signalverläufen jeweils ermittelten Charakteristik
zeigt 4 in den entsprechenden Spalten a, b und c.
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In
Zeile I der 4 ist in Spalte a eine echte,
geprägte
Münze abgebildet.
Spalte b derselben Zeile enthält
den Signalverlauf als Messkurve, wie sie wie unter 3 beschrieben,
entsteht. In diesem Beispiel beträgt die Auflösung entlang der Messlinie
an der Münzoberfläche bzw.
entlang des Münzdurchmessers
128 Messpunkte. Die Auflösung
der Messtiefe, also in Richtung der Senkrechten zur Münzoberfläche, ist
auf einen Wertebereich von 256 begrenzt. Damit sind Werte der Messwertauflösung ausgewählt, die
in einem für
einen elektronischen Münzprüfer moderner
Bauart realistischen Bereich liegen.
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Spalte
C der Zeile I in 4 zeigt nun eine Oberwellencharakteristik,
die aus dem Signalverlauf in Spalte b der Zeile I durch eine Fourier-Transformation (bzw.
Fast-Fourier-Transformation) ermittelt wurde. Durch Einrahmung hervorgehoben
ist ein Bewertungsbereich, in dem später die Unterschiede zwischen
der Oberwellen-Charakteristik einer echten Münze gegenüber denen von Falsifikaten
deutlich unterschiedlich sind. Die Oberwellen-Charakteristik, vorliegend
ein Amplitudenspektrum des Signalverlaufes, zeigt deutlich die Ausgeprägtheit der
Oberwellenanteile, besonders im eingerahmten Bewertungsbereich.
Aus dem Kurvenverlauf ist ersichtlich, dass sich die kantigere bzw.
zackigere Kurvenform des Münzprofils
der Originalmünze
auch im Frequenzspektrum niederschlägt.
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Zeile
II der 4 zeigt in Spalte a eine gefälschte Münze aus einer Bleilegierung,
welche durch Bemalen farblich täuschend
echt nachgestaltet wurde. Auch hier ist in Spalte der Zeile II der
entsprechende Signalverlauf dargestellt.
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Anhand
der Oberwellen-Charakteristik in Spalte c zeigt sich deutlich, besonders
im Bewertungsbereich, dass die Oberwellenanteile erheblich geringer
sind. Beim direkten Vergleich des Originales und der Fälschung
stellt man also anhand der Oberwellen-Charakteristik, vorliegend also anhand
der Spektrallinien des Amplitudenspektrums aus der Fourier-Transformation fest,
dass die hochfrequenten Oberwellen bei dem Original ausgeprägter präsent sind
als der Bereich der niederfrequenten. Dies gilt nicht nur für die Verteilung,
sondern vor allem auch in den Amplituden der Frequenz. Dies bestätigt den
direkten Vergleich der Signalverläufe des Münzoriginals in Zeile I mit
dem Falsifikat in Zeile II, wobei nämlich der Signalverlauf der
Originalmünze über den
gesamten Querschnitt eine gleichmäßige Verteilung von hochfrequenten Überlagerungen
zeigt, während
das Signal der Fälschung
lediglich an den Rändern
steilere Flanken und höherfrequente
Anteile zeigt. Es deutet also der Signalverlauf beim Original auf
eine feine ausgeprägte
Oberflächenstruktur
hin. Auch die Reflexionsfähigkeit
der echten metallischen Münze
wirkt verstärkend
auf die Amplitude der hochfrequenten Signalanteile.
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4 Zeile
III ist besonders deutlicher Weise zu entnehmen, wie gut dieses
vorliegende Verfahren trotz – in
diesem Ausführungsbeispiel – optischer
Erfassungsmethode eine ebene, rein optische Reproduktion einer Münze von
einem Original unterscheidet. Eine solche optische Reproduktion
kann beispielsweise dadurch entstehen, dass auf eine Metallscheibe
geeigneter Materialeigenschaften eine Farbfotografie aufgebracht
wird. Deutlich ist in Spalte b zu erkennen, dass schon im erfassten
Signalverlauf der Pegel im Vergleich mit dem Original recht gering
ist. Ferner weist die in Zeile III Spalte b der 4 dargestellte
Signalverlaufs-Kurve einen nur sehr schwachen Anteil an modulierten
Oberwellen auf. Dies ist auch in Spalte c derselben Zeile deutlich:
im Amplitudenspektrum ist die Grundwelle dominierend mit einem zweiten
Anstieg im niederfrequenten Bereich. Der hochfrequente Anteil, welcher
die Spektrallinien des Amplitudenspektrums bei der Originalmünze dominiert,
fehlt nahezu völlig.
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Der
direkte Vergleich der Ergebnisse aus Zeile I und Zeile III macht
zudem deutlich, dass die Grundeigenschaften der Münzoberfläche, wie
beispielsweise das Reflexionsvermögen, direkt aus dem Signalverlauf ersichtlich
sind, nämlich
aus der Amplitude des Signal direkt abzulesen sind. Wird anstelle
eines optischen Erfassungssystems beispielsweise ein magnetischinduktives
oder ein kapazitives verwendet, so reicht es aus, in Einzelfällen ein
einfaches zusätzliches
optisches Kriterium zu verwenden, um eine anderenfalls als echt
erkannte Falschmünze
auszusondern. Praktisch kann es in einem solchen Fall also genügen, einer
Münze ein Messfenster
für typisches
Reflexionsvermögen
zuzuordnen, so dass ein weiteres Entscheidungskriterium zur Verfügung steht.
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Wie
vorstehend beschrieben und ausführlich
erläutert,
ist vor der tatsächlichen
Auswertung die Ermittlung der Oberwellen-Charakteristik aus dem
Signalverlauf als Ergebnis der Münzabtastung
vorgeschaltet. Insbesondere, wenn die Ermittlung der Oberwellen-Charakteristik auf
der Durchführung
einer Fourier-Transformation
beruht, welche naturgemäß von stetigen
und periodischen Signalen ausgeht, ist hier eine Anpassung, d. h.
eine Normierung, für
die mathematische Berechnung des Amplitudenspektrums (der Spektralverteilung) vorzunehmen.
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Im
Sinne der gesamten vorliegenden Patentanmeldung bezeichnet ”Amplitudenspektrum” die Amplituden
der Frequenzanteile über
das Frequenzspektrum.
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Insbesondere
muss hier die Abtastgeschwindigkeit im Verhältnis zur Bewegung der Münze berücksichtigt
werden. Da die Abtastlänge
des Signals als Grundfrequenz in die Berechnung der Spektralverteilung eingeht, muss
hier bei den zu erwartenden unterschiedlichen Laufzeiten der Münze durch
die Abtastvorrichtung eine normierende Korrekturrechnung durchgeführt werden.
Solch eine Fourier-Reihe ist beispielsweise als
darstellbar.
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In
dieser dargestellten Fourier-Transformation wird der Realteil der
Eingangswerte auf die Eingangsmessgrößen und der Imaginärteil auf
0 gesetzt. Wird die eindimensionale Abtastung (beispielsweise: monochrom
optisch) auf mindestens zwei Dimensionen ergänzt (beispielsweise zwei Farben)
so kann die zweite Farbe oder eine resultierende aus einer mehrfarbigen
Messung als Imaginärteil
angegeben werden. Abhängig von
der Kombination der Signale können
prägnante,
auch farbabhängige
Merkmale entstehen, die beispielsweise auch zur eindeutigen Unterscheidung
von Bicolormünzen
herangezogen werden können.
Denkbar ist es auch, die zweite Messkurve von einem Sensor zu erhalten,
der entweder hinter oder neben dem ersten angebracht ist. Die damit
erzeugten Interferenzsignale können
ebenfalls eine zusätzliche,
verfeinerte Auswertbarkeit ergeben. Wird nun im nächsten Schritt
die Oberwellen-Charakteristik
ausgewertet, so erfolgt dies dadurch, dass die die Oberwelligkeit
des Signalverlaufes repräsentierende
Charakteristik in einem oder mehreren Teilbereichen oder über ihren
gesamten Funktionsverlauf zahlenmäßig bewertet wird. Dabei kann
eine oder eine Verknüpfung
verschiedener Bewertungsmethoden, sogenannter Metriken, angewendet
werden.
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Solche
der Bewertung zugrunde liegende Teilbereiche des Funktionsverlaufes
der Oberwellen-Charakteristik sind mit den Bewertungsfenstern in
Spalte c der 4 angegeben. Die Unterschiedlichkeit
der Funktionsverläufe
in den Bewertungsfenstern zu beispielsweise im Speicher befindlichen
Referenzwerten oder -wertefolgen kann anhand der folgenden Metriken
und/oder einer Kombination derselben ermittelt werden:
- – Frequenz
der maximalen Amplitude
- – minimale
und maximale Amplitudenverhältnisse
in diesem Bereich
- – Stetigkeit
- – Fläche unter
dem Signalverlauf (Addition der Amplituden)
- – Verhältnis der
letztgenannten Fläche
zur Fläche
außerhalb
des als Bewertungsfenster angegebenen Teilbereiches.
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Besonders
im praktischen Betrieb scheint die Frequenz der maximalen Amplitude
eine bevorzugte Methode, um die Oberwellen-Charakteristik möglichst
unabhängig
von makroskopischen Strukturen der Prägung bewerten zu können.
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Ausgehend
von dieser ein- oder mehrdimensionalen Bewertung der Oberwellen-Charakteristik
wird durch einen Vergleich mit vorab gespeichertem oder durch den
Münzprüfer im laufenden
Betrieb statistisch ”erlernten” Referenzwerten
oder -wertefolgen ein Signal erzeugt werden, welches die Echtheit
der geprüften
Münze anzeigt – oder umgekehrt
deren mangelnde Echtheit, so dass eine falsche Münze zurückgewiesen werden kann.
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Neben
der Durchführung
einer Fourier-Transformation zur Ermittlung der Oberwellen-Charakteristik aus
dem Signalverlauf ist auch, in einer alternativen Ausführungsform
des Verfahrens, ein auf ingeneurmäßiger Analyse der Messsignale
beruhendes Verfahren durch einfache signaltechnische und statistische
Auswertung möglich.
Auch hier wird über
den Bereich der Messung der Signalverlauf als stetig und als Periode
eines wiederkehrenden Signals betrachtet. Der besondere Vorzug des
nachfolgend geschilderten Verfahrens ist seine leichte Implementierbarkeit
auf Basis üblicher
8-Bit-, maximal 16-Bit-Mikocontrollern. Die Zwischenergebnisse dieses
Verfahrens sind in der 5 dargestellt. In Spalte a sind
eine echte und eine Falschmünze
dargestellt, in Spalte b durch Abtastung ermittelte Signalverläufe, in
Spalte c eine durch Mittelwertbildung des Signalverlaufes ermittelte
Glättung
des jeweiligen Signalverlaufes aus Spalte b, sowie in Spalte d die
jeweilige Differenz aus der jeweiligen Subtraktion des gemittelten
Signalverlaufes aus Spalte c vom Original-Signalverlauf aus Spalte
b.
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Durch
diese einfach zu implementierende Subtraktion des durch gleitende
Mittelwertbildung geglätteten
Signalverlaufes vom Originalsignal wird im Ergebnis (d. h., als ”Ergebnis-Signalverlauf”) der Oberwellenanteil
herausgearbeitet. Dieser Signalverlauf der Oberwellenanteile kann
nun unmittelbar als Oberwellen-Charakteristik
interpretiert und vermittels der vorbeschriebenen Metriken direkt
bewertet, verglichen und somit bis hin zum Erzeugen des Echtheitssignals
ausgewertet werden.
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Eine
Verbesserung dieses Verfahrens sieht jedoch vor, diesen Oberwellen-Signalverlauf
(”Ergebnis-Signalverlauf”), wie
in 5, Spalte d dargestellt, einer weiteren Bearbeitung
zu unterziehen, bevor er nach den vorgenannten Bewertungskriterien
ausgewertet wird. Diese Weiterverarbeitung sieht vor, beim ermittelten Oberwellen-Signalverlauf
die Nulldurchgänge
zu ermitteln und die jeweilige Periodendauer zu berechnen, so dass
zusätzlich
Informationen über
die Frequenzverteilung gewonnen werden können. Dazu werden die Abstände von
Nulldurchgang zu Nulldurchgang registriert und jeder ermittelten
(Halb)-Periodenzeit ein Zähler
zugeordnet, der bei jedem Auftreten eines solchen Wertes inkrementiert
wird. Eine zusätzliche
Wichtung kann dadurch erreicht werden, dass anstelle der Inkrementierung
der Zähler
die Amplituden der entsprechenden Halbwelle gleicher (Halb)-Periodenzeit
aufaddiert werden. Das Ergebnis dieser Weiterverarbeitung liefert – ähnlich der
Fourier-Transformation – eine
Spektrallinienverteilung, welche als Oberwellen-Charakteristik interpretiert
und der vorgenannten Bewertung und Auswertung anhand der Metriken
unterzogen werden kann.
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Als
Varianten des vorstehenden Verfahrens können verschiedene Methoden
der gleitenden Mittelwertbildung zur Ermittlung der geglätteten Signalverläufe in 5,
Spalte c, angewendet werden. Dies ist in 6 dargestellt.
Hier zeigt I den Originalsignalverlauf. II zeigt das Ergebnis einer
gleitenden Mittelwertbildung über 20
Werte, III zeigt das Ergebnis einer gleitenden, gewichteten Mittelung über 20 Werte
und IV zeigt das Ergebnis einer gleitenden, gewichteten, nachlaufenden
Mittelung über
20 Werte. Die letztgenannte Art der Mittelung kommt am ehesten der
rechnerischen Abbildung eines optischen Diffusors gleich. Signaltechnisch
wird aus dem Originalsignal die Grundwelle und niederfrequente Anteile
der Oberwellen des Messsignals herausgearbeitet.
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Bei
der gleitenden Mittelwertbildung wird eine definierte Anzahl K (bspw.
20) vorhergehender Werte in die Mittelung einbezogen. Diese Mittelwertbildung
wird über
die Folge der erfassten Abtastwerte (dem Signalverlauf) angewandt.
Hierdurch entsteht die Glättung.
Bei der gleitenden gewichteten Mittelwertbildung wird wie bei der
gleitenden Mittelwertbildung nur eine definierte Anzahl K vorhergehender
Werte einbezogen, allerdings nicht mit gleichem Gewicht, sondern
mit einer Gewichtung in Abhängigkeit
des Abstandes zum letzten Wert.
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Bei
der gleitenden, gewichteten, nachlaufenden Mittelung wird wie bei
der gewichteten Mittelwertbildung eine Gewichtung, allerdings über K nachlaufende
und K vorlaufende Werte vorgenommen. Der Mittelwert steht damit
erst K Werte später
zur Verfügung.
Bei diesen Arten der Mittelwertbildung handelt es sich um geläufige mathematische
Operationen.
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Von
erheblicher Bedeutung ist, dass insbesondere das letztgenannte Verfahren
zur Bestimmung der Oberwellen-Charakteristik eine entsprechende
Implementierung auf heute üblichen
Mikrocontrollern und eine Durchführung
des Verfahrens nahezu in Echtzeit ermöglicht, wodurch die Bewertungsgrößen nach
dem Durchlauf der Münze
durch das Abtastsystem direkt zur Verfügung stehen. Dadurch kann dieses
Verfahren zum Prüfen
von Münzen
oder münzähnlichen
Gegenständen
in Münzprüfern angewendet
werden, die aufgrund ihrer bisherigen Messsysteme, oder im Zusammenspiel
mit denselben, einen kontinuierlichen Münzlauf zulassen.
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Die
beschriebenen Verfahren der Münzunterscheidung
beruhen auf der Analyse von Prägungshöhenlinien
von Münzen,
dem Prägeprofil,
welche durch einen geeigne ten, beispielsweise optischen, Sensor
aufgenommen wurden. Dazu werden Methoden vorgestellt, die den Signalverlauf
auf Periode, Amplitude und Frequenzspektrum untersuchen. Als Ergebnis
stehen Größen bereit,
die in Anzahl und Wertebereich leicht durch einfache Messwertfenster,
bzw. Annahmebänder
zulässiger
Messwerte, zur Entscheidungsbildung ”Münze passt” oder ”Münze passt nicht” beitragen
können.
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Insbesondere
ist dieses wirksame, leicht zu realisierende Verfahren als Ergänzung zu
vorhandenen Messsystemen geeignet, die die oben beschriebenen Eigenschaften
einer Münze
nicht erkennen können.
Insbesondere kann auch in Verbindung mit anderen optischen Messsystemen
eine Verbesserung der Auswertung erreicht und auf andere aufwendige
Zusatzmaßnahmen
zur Strukturbewertung verzichtet werden.