DE1949428B2

DE1949428B2 - Verfahren zum automatischen erkennen alphanumerischer zeichen

Info

Publication number: DE1949428B2
Application number: DE19691949428
Authority: DE
Inventors: Ekke 8000 München Weber
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-09-30
Filing date: 1969-09-30
Publication date: 1971-11-25
Also published as: DE1949428A1; NL7013939A; GB1281626A; LU61794A1; FR2062662A5; BE756866A; SE359389B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum automatischen Erkennen alphanumerischer Zeichen, bei dem einzelne Elemente eines Abtastfeldes in digitale Signale umgesetzt werden, die im Zustand »l'< sogenannten Bildelementen des Zeichens entsprechen und damit Bildsignale darstellen, aus denen die Konturen des abgetasteten Zeichens gewonnen werden, auf Grund deren eine Klassifizierung des abgetasteten Zeichens durch schrittweise Reduktion seines Informationsgehaltes auf einzelne Merkmale und Formelemente vorgenommen wird.

Bei der praktischen Druck- und Schrifterstellung kommt es oft zu Zeichenveränderungen, d. h. zu Abweichungen der Zeichen von einem Prototyp. Derartige Veränderungen können als Versetzungen, Schrägstellungen, als Doppeldruck oder Gradationsveränderungen auftreten, es können aber auch unterbrochene LinienzLge oder Verschmutzungen und vor allem bei handschriftlichen Zeichen zusätzliche Formänderungen sein. Diese Zeichenveränderungen lassen sich in zwei Gruppen aufteilen, nämlich in Zeichenvariationen und Zeichenstörungen.

Dabei sind Zeichenvariationen die neben einem Prototyp zusätzlich zugelassenen Zeiüientypen gleicher Bedeutung oder — anders ausgedrückt — Zeichen mit verschiedenen Formen, die einer bestimmten Bedeutungsklasse angehören. Zu dieser Gruppe von Zeichenandeningc zählen auch Fehler, die bei der Digitalisierung abgetasteter Schriftzeichen auftreten und sich als Koniurunschäifen darstellen.

Zeichenstörungen sind dagegen unbekannte Zeichenänderungen in der Form einei »1 O«-Substitution des Zustandes eines Bildsignales, einer »0 1«- Substitution oder als Überlagerung beider Veränderungen. Bei der »1 0«-Substitution ist ein zum Zeichen gehörendes Bildsignal »1« durch ein an sich nicht zum Zeichen gehörendes Signal »0« substituiert. Tritt diese Substitution in einem Zeichenteil gehäuft auf. so führt sie zu Linienzugunterbrechungen. Bei der »0 1 «Substitution ist ein nicht zum Zeichen gehörendes Signal »0« zu einem zum Zeichen gehörenden Bildsignal »1« geworden. Durch mehrfaches Auftreten dieser Substitution kann der Informationsgehalt einer Zeichenstruktur verringert werden, weil ausgeprägte Formen verwischt werden oder ganz verschwinden. Der Informationsgehalt kann aber auch vergrößert werden, wenn dabei ganz neue Formen auftreten, z. B. durch Zusammenwachsen zweier verschiedener, nebeneinanderstehender Schriftzeichen.

Schriftzeichen sind aber trotz erheblicher Variationen und Störungen oft lediglich aus der Kenntnis charakteristischer Teile ihrer Struktur visuell lesbar, d.h.. es kann ihnen eine Bedeutung zugeordnet werden. Diese Tatsache besagt, daß die Zeichen zweidimensional, redundante Signalstrukturen sind und aus Substrukturen bestehen müssen, die die Information über die Bedeutung der Gesamtstruktur vollständig beinhalten,

Zur Lösung der Aufgabe, Schriftzeichen autornatisch zu erkennen, sind schon viele Vorschläge gemacht worden. Die in diesem Zusammenhang besonders interessierenden sogenannten Formclementeverfahren benutzen bisher einen einzigen Codierungsprozeß, um zu einer weniger redundanten Darstellung des Zeichens zu kommen. Dieser weniger redundanten Darstellung des Zeichens wird dann in einem einzigen Klassifizierungsschritt die wahrscheinliche Bedeutung zugeordnet. Das bedeutet aber eine sehr starke Datenreduktion des Informationsinhaltes eines abgetasteten Schriftzeichens auf einige wenige Substrukturen, die sogenannten Formelemente. Deshalb sind die bisher bekannten Verfahren gegen Zeich^nvariationen und Zeichenstörungen sehr anfällig. Sie sind deshalb bei gedruckten Schriftzeichen auf bestimmte Schriftarten beschränkt oder setzen bei handgeschriebenen Schriften die Einhaltung bestimmter Schreibregeln voraus.

Trotzdem ist die Zurückweisungsrate, d. h. der Anteil an Schriftzeichen, die einer bestimmten Bcd.utungsklasse nicht eindeutig zugeordnet v/erden können, noch sehr groß. Das ist auf die vorher kure erläuterten unbekannten Zeichenveränderungen zurückzuführen. Deshalb wurden auch Störverminderungsprozesse — wie Thinning, Strichbreitennormierung u. ä. — bekannt, die vor dem eigentlichen Erkennungsprozeß durchgeführt werden sollen. Da-

bei handelt es sich im wesentlichen wieder um »1 0«-Substitutionen oder »0 1 «-Substitutionen, die für die einzelnen Bildelemente in Abhängigkeit von dem Zustand der Elemente in ihrer Umgebung durchgeführt werden. Derartige Störverminderungs-

prozesse führen aber auch nicht zum Ziel, da jede Struktur nicht nur durch ihre einzelnen Substrukturen, sondern darüber hinaus noch durch deren charakteristische Verkettung gekennzeichnet ist. Diese Verkettung ist aber meist nur aus der Gesamtstruktur

zu ermitteln, und deshalb ist es unzulässig, auch scheinbar nur geringfügige Strukturänderungen einzelner Teile vorzunehmen, wenn man dabei nur die unmittelbare Umgebung dieser Teile berücksichtigt. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum automatischen Erkennen von Schriftzeichen zu schaffen, das tv einem größeren erkennbaren Zeichen repertoire — ζ. Β. von alphanumerischen Zeichen, für die keine bestimmte Schriftart vorgeschrieben werden soll — den unbekannten Zeichenveränderungen gegenüber weniger störanfällig ist. Aus diesen allgemeinen Forderungen ergibt sich, daß der Ausgangspunkt für den Erkennungsprozeß das unveränderte Abtastergebnis sein muß, soweit es infermationstheoretisch ausgedrückt relavant sein kann. Daraus folp.t dann, daß Störverminderungsprozesse. Strichbreitennormierung, Zeichenzentrierung und ähnliche vor dem eigentlichen Erkennungsprozeß durchgeführte Veränderungen des Informationsgehaltes des abgetasteten Zeichens ohne alle Kenntnis einer oder mehrerer wahrscheinlicher Bedeutungen für dieses Zeichen nicht vorgenommen werden dürfen. Weiterhin ergibt sich aus diesen allgemeinen Forderungen und aus der Erkenntnis dei Ursachen für die Störanfälligkeit der bekannten Verfahren, nämlich dem großen Datenr^duktionsfaktot im Codierungsprozeß, daß ein Weg gefunden werden soll, mit dem diese Ursache für die Störanfälligkeil der bekannten Verfahren behoben wird.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, da!3 der wesentliche Informationsgehalt eines Schriftzeichens in seiner Kontur enthalten ist. und lösi diese Aufgabe dadurch, daß das Abtastfeld in eint Reihe gleichgroßer und als Segmente nulller Ordnung bezeichnete Teilbereiche unterteilt wird, daß in dieser jeweils benachbarte, einen Teil einer Kontur bil dende Btldelemente zu Elementarnierkmalen zusammengefaßt, diese Elementarmerkmale und dami auch die ursprünglichen Konturen des abgetasteter

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Zeichens zwischengespeichert werden, daß im nach- den in einem Abtastvorgang gewonnenen digitalen ■iten Klassifizierungsschritt aufeinanderfolgende Seg- Signalen BS — die Gesamtstruktur eines abgetastemente nullter Ordnung, abhängig von der in ihnen ten Schriftzeichens an Hand seiner Kontur in einem enthaltenen Teilstruktur des Zeichens, zu Segmenten Konturspeicher CODO zwischengespeicherl. Dazu erster Ordnung zusammengefaßt und dabei aus zu- 5 werden die digitalen Signale BS einem Klassifikasammenhängenden Elementarmerkmalen Merkmale tor KO zugeführt, in dem an Hand dieser Signale ÖS gebildet und zwischengespeichert werden, deren mög- der Zustand benachbarter Elemente im Abtastfeld liehe Bedeutungen ermittelt und in einem Bewer- verglichen wird. Definiert man als Kontur einer zweitungsspeicher gespeichert werden, daß die jeweiligen dimensionalen Struktur den geometrischen Ort glei-Sfi-mentc in weiteren Klassifizierungsschritten zu io eher Informstionsparameteränderungen, d. h. den Segmenten jeweils höherer Ordnung zusammengefaßt, Übergang Weiß-Schwarz oder Schwarz-Weiß, der dabei aus den Merkmalen zunächst einfache Form- einer Änderung des Signalzustandes »0-— 1« bzw. elemente, aus diesen wiederum weiter zusammen- »l-*0« entspricht, dann solleu mit dem Klassifigesetzte Formelemente gebildet und jeweils deren kator O-ter Ordnung KQ derartige Änderungen bei mögliche Bedeutungen in dem Bewertungsspaicher 15 benachbarten Elementen festgestellt und als Elemengespeichert werden, daß für jede Bedeutungsklasse tarmerkmale bewertet werden. Aus dem Verlauf der Inhalt entsprechender Zellen des Bewertungs- einer Teilkontur soll der Klassifikatcr KO die EIespciehers ausgelesen, in einer Summierstufe das Maxi- mentarmerkmale »Steigung positl· -<, »Steigung negaiv:um für eine bestimmte Bedeutung ermittelt und tiv« bei ansteigender oder abfarcnder Teilkontur, ein einer wahrscheinlichen Bedeutung entspicchendes 20 »Steigung 0« und »Steigung unendlicn« bei horizon-Signal abgegeben wird. talem oder vertikalem Konturverlauf ermitteln. Diese

Der wesentliche Vorteil eines erfindungsgemäßen Elementarmerkmale werden in entsprechend codierter Verfahrens besteht darin, daß nur die Kontur einer Form mit ihren Koordinaten in den Konturspeicher Struktur gespeichert wird, um einen parallelen Zu- CODO eingeschrieben und dort zwischengespeichert, griff zur gesamten Struktur zu besitzen, daß diese 25 bis ein genügend großer Teil der Struktur enes abaui die Kontur reduzierte Darstellung aber reversibel getasteten Schriftzeichens dort enthalten ist. Dieser ist und damit eine eindeutige Reproduktion der wird dann in einem Klassifikator erster Ordnung K1 Struktur gewährleistet, d. h., daß auch kleine weiterverarbeitet. Dabei werden die Elementarmerk-Strukturteile noch erfaßt werden, die einen hohen maie zu Merkmalen zusammengefaßt. Die Anzahl Informationsgehalt besitzen, wenn man sie im Zu- 30 der Elementarmerkmale, die in diesem Klassifiziesammcnhang mit anderen Substrukturen betrachtet. rungsschritt zusammengefaßt werden können, hängt Außerdem wird der Erkennungsprozeß in mehreren von der jeweiligen Struktur des abgetasteten Schrift-Klassifizierungsschritten durchgeführt, so daß das zeichens ab und kann nicht willkürlich gewählt wer-Vcrhältnis der Reduktion des Informationsgehaltes, den. Denn mit jedem Klassifizierungsschritt ist ein — bezogen auf den einzelnen Klassifizierungsschritt, 35 beabsichtigter — Informationsverlust verbunden, der wesentlich günstiger ist. Dadurch wird die Beschrei- nicht zu hoch gewählt werden darf, wenn dk· richtige bungsgenauigkeit und damit auch das erkennbare Klassifizierung gewährleistet werden soll. In diesem Zeichenrepertoire erhöht und die Anfälligkeit gegen- zweiten Klassifizierungsschritt geht man davon aus, über Formvariationen und Störungen vermindert. daß ein neues Merkmal jeweils dann beginnt, wenn

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung eines 40 das anschließende Elementarmerkmal keine wahr-

erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß scheinliche Fortsetzung einer bereits ei faßten Teil-

die Menge der in einem Klassifizierungsschritt zu- kontur darstellt oder eine plötzliche Steigerungs-

snmmengefaßten Elementarmerkmale, Merkmale oder änderung der Kontur kennzeichnet.

Formelemente, d. h. die Anzahl der Segmente einer Dies sei an Hand der F i g. 2 und 3 kurz erläutert

bestimmten Ordnung, die zu Segmenten der nächst- 45 Die im linken Teil der F i g. 2 dargestellte Ziffer 4

höheren Ordnung zusammengefaßt werden, abhängig besteht aus im wesentlichen waagerechten oder senk-

von der Größe der Wahrscheinlichkeit für bestimmte rechten Substrukturen, die im rechten Teil der F i g. 2

Bedcutungrklassen gewählt wird, die in einem vorher- jeweils getrennt für sich dargestellt sind. Diese Sub-

gegangencn Klassifizierungsschritt festgestellt wurde. strukturen stellen dis Merkmale dar, die aus einer

Das bedeutet, daß der Codierungs- und der Klassi- 50 Kene von Elementarmerkmalen zusammengesetzt

fizieiungsprozeß integriert und schrittweise ablaufen sind. Betrachtet man die beiden Fig. 2 und 3 im

und bereits erkannte Strukturteile und sich daraus Hinblick auf die vereinbarten Elementarmerkmale,

ableitende wahrscheinliche Bedeutungen der ge- so ist die Fi g. 3 aus sich selbst heraus verständlich,

samten Struktur bei der weiteren Klassifizierung be- Die vom Klassifikator Kl festgestellten Merkmale

rücksichtigt werden können. Beide Prozesse, Codie- 55 werden in der" Merkmalspeicher CODl zwischen-

rungs- und Klassifizierungsprozeß, laufen also nicht gespeichert und außerdem einer ersten assoziativen

mehr, wie bisher, unabhängig voneinander ab, son- Verknüpfung Λ Vl zugeführt, in der jedem Merkmal

dem sind miteinander gekoppelt. seine wahrscheinlichen Bedeutungskiaasen zugeord-

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines net werden. Auf Grund dieser Zuordnung weiden

erfindungsgemäßen Verfahrens an Hand der Zeich- 60 bestimmte Zellen eines Bewertungsspeichers SPA

nungen näher erläutert. Es zeigt adressiert, der damit die möglichen Bedeutungen

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Durchführungeines der Gesamtstruktur bei Kenntnis nur eines ihrer

erfindungsgemäßen Verfahrens, Teile enthält. In entsprechender Weise werden die

F i g. 2 und F i g. 3 an Hand der beiden Ziffern 4 Merkmale durch die Klassiflkatoren höherer Ord-

und S die Zusammenfassung von Konturelementen 65 nung —- in Fig. 1 sind noch die KlassflkatorenK2

zu Elementarmerkmalen und die sich daraus erge- und /<3 dargestellt — weiter zusammengefaßt und

bende, von der Struktur abhängige Segmentierung, daraus Formelemente bzw. wiederum — ähnlich wie

Wie in F i g. 1 dargestellt, wird — ausgehend von bei der Bildung der Merkmale aus Elementarmerk-

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Formvariationen und ein großes Zeichenrepertoii ohne Verfahren zu Störverrninderting, Normierung, Thinning ti, ä. bewältigen kann-

6k Häufigkeitsverteilung für eine bestimmte Öe· s detitungsktasse, die sich aus dem Inhalt des Uemttungsspeiehers SPA ergibt, wird in einer Summkrstufe MAX gemessen und zu einer digitalen oder analogen Aussage ausgewertet. Die Analogaussage bedeutet eine bestimmte Wahrscheinlichkeitsangabe

Claims

Patentansprüche: malen -- daraus zusammengesetzte Formelemente abgeleitet, di« dann in den entsprechenden ftrttn* eleitterttespeiehettt CODi tew, CODd zwischengespeichert werden. Mit Hilfe der codierten Oat' Stellungen dieser Formelemente werden auch hier in den assoziativen Verknüpfungen AVl tew. AV% die entsprechenden Teilstrukturen auf bekannte Zusammensetzungen untersucht und diejenigen Bedeutungen Im flewertungsspeichei SPA adressiert, bei denen solche Zusammensetzungen auitreten können. it> bezüglich der Zuordnung zu einer Bedeutungsklas-ie, Den in einem bestimmten Klassifizierungsschritt er- während die Djgitalaussage eine Zuordnung mit größmittelten wahrscheinlichen Bedeutungen werden in ter Wahrscheinlichkeit darstellt. Für die digitale Auseiner Ausschließlichkeitskontrolle AK entsprechend sage muß eine Schwellenwertschaltung.SW vorgesehen der Ordnung des Klassifizierungsschrittes bestimmte werden, die an die Sumtnierstufe MAX angeschal Wertigkeiten derart zugeordnet, daß die Bedeutungen 15 tet ist. der höchsten Ordnungen dominieren, und diese Werte in den adressierten Zellen des Bewertungsspeichers SPA zwischengespeichert. Die Gesetzmäßigkeiten, die für die bestimmten Bedeutungsklassen bekannt sind, lassen sich dazu benutzen, d'e Klassifikatoren ao und die Segmentierung mitzusteuern. Um den Begriff der Segmentierung und die Wirkungsweise einer Anordnung zur Bildung einzelner Segmente zu erläutern, sei nochmals kurz auf die Fig. 2 und 3 verwiesen. Als Segmente werden Teile des Abtastfeldis 25 mit solchen Teilstrukturen bezeichnet, die in einem einzigen Klassifizierungsschritt nacheinander bewertet werden. Einem Klassifikator /i-»er Ordnung K» sind dann Segmente /i-ter Ordnung Snm zugeordnet Da die in einem Klassifi, ierungsschriu zu bewerten 30 den Teilstrukturen nicht beliebig groß gewählt wer den dürfen, ohne das Klassifizienmgvergebnis zu beeinträchtigen, muß die Segmentierung --- wenn daru'V. vwohl der Vorgang der Unterteilung in Anordnung zur Durch- TeiK'rukturen als auch die führung dieser Unterteilung SEd \erstanden werden soll -- durch die /u bewertende Struktur selbst steuerbar 'ein. Im Kegelfall entsprechen die Segmente O-ter Ordnung zwei Abtastspalten, um die Elementarmerkmale zu ei fassen. Die Segmente erster Ordnung werden dann so gewählt, daß sie jeweils durch Anfang oder Ende eines Merkmals bestimmt werden. Diese Unterteilung ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt und durch die Segmente .SIl bis 5 14 bezeichnet. Mit wachsender Wahrscheinlichkeit für eine oder auch noch mehrere Bedeutungen eines abgetasteten 7eichens. die sich aus dem Inhalt des Bewertungsspeichers ergibt, lassen sich Merkmal- oder Formelementeverkettungen angeben, die in noch zu betrachtenden Teilstrukturen erfüllt sein müssen, wenn die bisher wahrscheinliche Zuordnung zu einer bestimmten Bedeutung richtig ist. Je nach der Bedeutuns des Zeichens gibt es dafür ganz bestimmte charakteristische Teilstrukturen. die zweckmäßig ausgewählt werden sollten und durch eine von dem Bewertungsspeicher SPA gesteuerte Anordnung zur Seamentierung 5EG festgelegt werden. Da der Kfassifizierungsvorgang schrittweise und in verschiedenen Klassifizierungsordnungen zum Teil gleichzeitig ablaufen kann, bedeutet diese Steuerung der Segmentierung eine Rückkopplung des bisherigen Klassifizierungsergebnisses auf den nächsten Klassifizierunsischritt. Damit ist der Klassifizierungsvorgang jeweils "der zu bewertenden Struktur angepaßt und charakteristische Verkettungen von Merkmalen oder Formelementen können entsprechend ausgewertet werden. Das ist die Grundlage für die Flexibilität sines erfindungsgemäßen Verfahrens, das daher große

1. Verfahren zum automatischen I rkennen alphanumerischer Zechen, bei dem einzelne Elemente eines Abtastfeldes in digitale Signale umgesetzt wi rden. die im Zustand >* 1 < sogenannten Bildelenwnten des Zeichens entsprechen und damit Bildsignale darstellen, aus denen die K-iwtu.cn des abgetasteten Zeichens gewonnen werden, auf Grund deren eine Klassifizierimg des abgetasteten Zeichens durch schrittweise Reduktion seines Informationsgehaltes auf einzelne Merkmale und Formelemente vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastfeld in eine Reihe gleichgroßer und als Segmente nuliter Ordnung bezeichnete Ieilbereiche unterteilt wird, daß in diesen jeweils benachbarte, einen Teil einer Kontur bildende Bildclemcnte zu Elementarmerkmalen zusammengefaßt, diese Elementarmerkmale und damit auch die ursprünglichen Konturen des abgetasteten Zeichens zwischengespeichert werden, daß im nächsten Klassifizierungsschritt aufeinanderfolgende Segmente null'.cr Ordnung, abhängig von der in ihnen enthaltenden Teilstruktur des Zeichens, zu Segmenten erster Ordnung zusammengefaßt und dabei aus zusammenhängenden Elementarmerkmalen Merkmale gebildet und zwischengespeichert werden, deren mögliche Bedeutungen ermittelt und in einem Bewertungsspeicher gespeichert werden, daß die jeweiligen Segmente in weiteren Klassifizierungsschritten zu Segmenten jeweils höherer Ordnung zusammengefaßt, da bei aus den Merkmalen zunächst einfache Form elemente, aus diesen wiederum weiter zusammen gesetzte Formelemente gebildet und jeweils deremögliche Bedeutungen in dem Bewertungsspei eher gespeichert werden, daß für jede Bedeutungs klasse der Inhalt entsprechender Zellen des Bc wertungsspeiehers ausgelesen, ,in einer Summier stufe das Maximum für eine bestimmte Bedeutun ermittelt und ein einer wahrscheinlichen Bedeu fang entsprechendes Signa' abgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch ge kennzeichnet, daß als Elementarmerkmale Ste gung positiv« bei ansteigendem, »Steigung neg; tiv« bei abfallendem, »Steigung 0« bei horizor talem und »Steigung unendlich« bei venikalei Konturverlauf verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2. daclure gekennzeichnet, daß die Menfie der in eine

Klassifizierungsschritt zusammengefaßten Elementarmerkmale, Merkmale oder Formelemente, d. h. die Anzahl der Segmente einer bestimmten Ordnung, die zu Segmenten der nächsthöheren Ordnung zusammengefaßt werden, abhängig von der Größe der Wahrscheinlichkeit für bestimmte Be<iiutungsklassen gewählt wird, die in einem vorhergegangenen Klassiflzierungsschritt festgestellt wurde.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 |>is 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Bilden ier Merkmale ein neues Merkmal und damit auch 41er Beginn des nächsten Segmentes erster Ordnung dann festgestellt werden, wenn das zu bewertende Elementarmerkmal keine wahrscheinliehe Fortsetzung einer bereits erfaßten Teilkon-

tür ist oder eine plötzliche Steigungsänderung die Kontur kennzeichnet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn Abtasten und Klassifizieren für ein Zeichen parallel durchgeführt werden, die Klassifizierung eines Zeichens bereits dann abgebrochen wird, wenn dafür eine bestimmte Wahrscheinlichkeit der Bedeutung festliegt, obwohl das Zeichen noch nicht vollständig abgetastet ist, daß bei der weiteren Abtastung, ohne das Klassifizierungsergebnis zu beeinflussen, die Auswertung des Zeichens so lange fortgesetzt wird, bis alle für seine Bedeutung noch möglichen Merkmale festgestellt sind oder nicht dazu passende Merkmale auftreten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 109548/Φ

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