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In vielen Fällen besteht der Wunsch, eine Vorlage, z.B. eine Zeichnung,
mittels einer automatischen Abtasteinrichtung zu-erfassen und die so gewonnenen
Daten in einer Datenverarbeitungsanlage zu speichern.
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Dadurch kann z. B. der Änderungsdienst stark vereinfacht werden; außerdem
lassen sich in beliebiger Weise Teil kopien u.ä. anfertigen. Das Problem, welches
bei derartigen Abtastverfahren auftritt ist wesentlich komplizierter als bei den
Verfahren zur automatischen Bildanalyse, wo bestimmte Figuren erkannt und gezählt
und ihre Figurengröße bestimmt werden sollen, weil hierbei jede beliebige Form von
Kurven und Strichen und deren Kombination zugelassen sein muß, wie sie eben bei
Zeichnungen auftreten können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einem Verfahren
der eingangs genannten Art eine weitere Datenreduktion zu erzielen und damit die
Datenspeicherung zu vereinfachen. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch
gelöst, daß a) bei der Abtastung nur die Koordinatenwerte der Überschreitung und
die Endpunkte der Unter schreitung eines Schwellwertes (Hell-Dunkel- und Dunkel-Hell-Übergang)
eingespeichert werden, b) bei Kurven größerer Länge aus den Koordinatenwerten der
Übergänge nach a) Mittelpunkte gebildet und eingespeichert werden, welche in der
Mitte zwischen den beiden Übergängen liegen, c) die Einspeicherung des Kurvenverlaufs
durch die Koordinatenwerte der Mittelpunkte erfolgt unter Berücksichtigung der Überlappung
aufeinanderfolgender Dunkelintervalle und der Länge der Dunkelintervalle (zur Bestimmung
der Strichstärke und der Steigung), d) die Überlappung aufeinanderfolgender Dunkel-Intervalle
das Kriterium für eine zusammenhängende Linie und die Nicht-Überlappung ein Kriterium
für Einzelelemente oder unterbrochene Kurven darstellt Auf diese Weise kann die
Erfassung und Aufbereitung graphischer und alphanumerischer Informationen, wie sie
bei beschrifteten Strichzeichnungen vorliegen, vollautomatisch durchgeführt werden.
Es lassen sich somit auch Konstruktionszeichnungen, die auf normalen Zeichentischen
erstellt wurden, auf einfache Weise Rechnern zur Weiterverarbeitung (z. B. zur Änderung,
Einfügung von Normbauteilen, statischen Berechnungen usw) zugänglich machen. Dabei
sind keine besonders kostspieligen Bildschirmgeräte erforderlich, und die erstellten
Konstruktionen können in einfacher Weise auf den Rechner übertragen werden. Durch
die Reduktion der Daten wird der benötigte Speicherbedarf stark verringert und somit
die Aufzeichnung und Speicherung der Daten verbilligt.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung zur Durchführung
des Verfahrens, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Schaltung zur Datenvorreduktion
vorgesehen ist, welche die Koordinatenwerte der Hell-Dunkel- bzw. Dunkel-Hell-Übergänge
bestimmt, daß eine nachgeschaltete Primärdatei vorgesehen ist, in der diese Koordinatenwerte
unter Datenreduktion weiterverarbeitet werden und daß eine Bilddatei vorgesehen
ist, in welche die so gewonnenen endgültigen Informationen mit minimaler Redundanz
eingetragen werden, wo sie für Bildverarbeitung zur Verfügung stehen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an Hand von
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 den grundsätzlichen Aufbau einer
Anordnung zur Datenreduktion nach der Erfindung, Fig. 2 die Abtastung einer Geraden,
F i g. 3 die Abtastung einer Geraden mit zu geringer Auflösung,
F i g. 4 die Abtastung
eines Punktes, F i g. 5 die Abtastung einer flach verlaufenden Geraden, F i g. 6
die Abtastung einer nahezu parallel zur Abtastrichtung verlaufenden Geraden, F i
g. 7 die Abtastung einer punktierten Linie, F i g. 8 und 9 die Abtastung und Erfassung
von zusammenhängenden Linien unterschiedlicher Richtung, F i g. 10 und 11 die Abtastung
und Erfassung von gekrümmten Kurven, Fig. 12 die Abtastung und Erfassung von Kreisen
bzw. Kreisbögen.
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Bei der Anordnung nach Fig 1 ist die die Kurven (z. B. in Form von
Strichen, Buchstaben und sonstigen Linien) tragende Vorlage mit VL bezeichnet. Auf
dieser Vorlage, z.B. einer Zeichnung, sind als Kurven die Linien A, B, C und D dargestellt
Die Abtastung der Vorlage VL erfolgt zeilenförmig durch einen optoelektronischen
Wandler EW Dieser Wandler kann bevorzugt so ausgeführt sein, daß mehrere Fotodioden
parallel nebeneinander angeordnet sind und gleichzeitig über die Vorlage VL bewegt
werden. Diese Steuervorgänge werden durch eine Abtaststeuerung SC bewirkt Dadurch
wird eine größere Anzahl von Zeilen (entsprechend der Zahl von Fotodioden) gleichzeitig
abgetastet. Die so erhaltenen elektrischen Signale auf Grund der Abtastung der Kurven
A bis D werden einer Datenverarbeitungsanlage DV zugeführt Diese besitzt in ihrem
Eingangsteil DV1 eine Schaltungsanordnung zur Datenvorreduktion und zur Codierung,
während der Teil DV2 der weiteren Datenreduktion und der eigentlichen Datenspeicherung
dient. Die Datenreduktion ist deswegen erforderlich, weil normalerweise nur sehr
wenige Linien erfaßt werden müssen, während der größte Teil der Vorlage VL an sich
nicht durch Kurven belegt ist Andernfalls würde, wenn die anfallende Datenmenge
ohne Vorreduktion verarbeitet werden müßte, die Datenmenge für die Weiterverarbeitung
und Datenspeicherung in DV2 zu groß werden. Von der Datenspeicherung DV2 aus können
die abgespeicherten Signalwerte einem Zeichengerät ZG (Plotter) zugeführt werden.
Dieses Zeichengerät enthält eine Schreibvorrichtung, welche auf Grund der von der
Datenspeicherung DV2 kommenden Daten bewegt wird und dadurch die auf der Vorlage
VL enthaltenen Kurven reproduziert Mit der Datenspeicherung DV2 ist außerdem ein
Sichtgerät DP verbunden. Auf diesem Sichtgerät DP erscheinen ebenfalls die Kurven
A, B, C und D der Vorlage VL Das Sichtgerät DPweist einen Zeichenstift ZS auf, welcher
es gestattet, bestimmte Teile der Kurven A bis D der Vorlage VL zu markieren. Mittels
einer Tastatur lT können die entsprechend markierten Teile der Kurven A bis D durch
Eingabe neuer Informationen geändert werden. Diese Änderungsmitteilungen gelangen
zu der Datenspeicherung DV2, so daß in einfacher Weise der Änderungsdienst für die
Kurven auf der Vorlage VL durchzuführen ist An Stelle oder zusätzlich zu dem Zeichenstift
ZSkann in bekannter Weise auch die Auswahl bestimmter Teile der Kurven A bis D mittels
einer anderen Steuereinrichtung, z. B. einer Rollkugel SE, erfolgen. Diese verschiebt
eine bestimmte Markierung so lange auf dem Bildschirm DP, bis sie auf dem gewünschten
Kurventeil liegt.
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Nimmt man beispielsweise an, daß eine Zeichnung von 100 x 100 cm
als Vorlage VL entsprechend F i g. 1 abgetastet werden soll, und geht man ferner
von einer
geforderten Auflösung von ca 0,1 mm aus, so ergibt sich
ein Raster von ca 2t3 X 213 Punkten (= 64 Mill.
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Punkte = 8000 x 8000). Für die Abtastung der Vorlage können beispielsweise
100 Fotodioden in einer kammartigen Anordnung vorgesehen werden. Das heißt, je ein
derartiger Abtaster könnte nacheinander 80 Abtastvorgänge (in je 100 Zeilen) durchführen
(80 x 100 = 8000).
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Als Zeichnungsträger für die Vorlage VL wird zweckmäßig ein rotierender
Zylinder mit etwa einer Umdrehung pro Sekunde verwendet. Für das angenommene Beispiel
ergibt sich für die Abtastung der gesamten Vorlage ein Zeitbedarf von etwa 80 Sekunden.
Der Abtaster wird bei den verschiedenen Abtastungen jeweils quer zur Drehrichtung
verschoben.
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Bereits bei der Abtastung der Bildinformation kann eine Vorreduktion
der anfallenden Datenmenge erfolgen. Diese Vorreduktion wird zweckmäßigerweise in
der Einrichtung DV1 nach F i g. 1 durchgeführt. Sie erfolgt vorteilhaft so, daß
die Bildinformation nicht in Form eines äquivalenten Bitmusters digitalisiert wird,
sondern nur die Positionsinformationen über die Wechsel von Hell nach Dunkel bzw.
von Dunkel nach Hell registriert werden. Der Punktzähler PZ wird zu Beginn jeder
Zeile gestartet und zählt während der Abtastung einer Zeile auf die vorgegebene
maximale Punktzahl z. B. von 0 bis 8000. Bei Erreichen des Endwertes wird ein Steuersignal
an die Abtaststeuerung SCgegeben, welches die Verschiebung des Diodenabtasters bewirkt.
Die Nummer der Zeile, in der der Hell-Dunkel-Übergang erfolgt, ist über die jeweilige
Diode bekannt und wird als zweite Koordinate in DV1 gleichzeitig mit abgespeichert.
Hierzu ist jede der z. B.
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100 Fotodioden über eine eigene Leitung der Datenreduktionsschaltung
in DV1 verbunden. Die Übergabe des momentanen Zählerstandes (0 - 8000 mögliche Bildpunktpositionen
in einer Zeile) vom Punktzähler PZ an der Rechner DV1 muß genügend schnell erfolgen
(z.B. innerhalb von 0,1 ms). Eventuell kann ein gleichmäßiger Datenübergang auch
durch den Einsatz eines Pufferspeichers gewährleistet werden. Zusätzlich muß die
Information »Beginn einer neuen Zeilenabtastung« weitergegeben werden. Die Zeilenanfangsmarkierung
und die Zählerstände des Zieles werden in einer sogenannten Primärdatei im Bereich
der Datenverarbeitung DV1 abgespeichert. Neben der Zeilenanfangsmarkierung und dem
Zählerstand ist somit auch die Lage des Bildpunktes abgespeichert, an dem ein Hell-Dunkel-
oder ein Dunkel-Hell-Übergang stattgefunden hat.
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In F i g. 2 ist zur Erläuterung der bei der Abtastung auftretenden
Probleme eine Gerade G dargestellt, deren Randkanten mit G 1 bzw. G2 bezeichnet
sind.
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Die Abtastung der Geraden Gdurch den optoelektronischen Wandler EW
nach F i g. 1 ergibt Impulse (Überschreitung eines Schwellwertes) der in F i g.
2 durch Rechtecke dargestellten Form. Diese Impulse beginnen bei der linken Randkante
G 1 und enden bei der rechten Randkante GZ, wenn die Abtastung von links nach rechts
durchgeführt wird. Bei Pii (i= 1, 2,...) erfolgt ein Hell-Dunkel-Übergang. Bei Pi2
(i= 1, 2,..) erfolgt ein Dunkel-Hell-Übergang. Dabei ist angenommen, daß die Strichstärke
größer ist als die Auflösung und zwar im folgenden Beispiel doppelt so groß. Geht
man beispielsweise von einer Auflösung von 41 mm aus, so ergibt sich bei einer Strichstärke
von etwa 0,2 mm die dargestellte Verteilung. In die Primärdatei werden folgende
Informationen eingeschrieben: Nummer der Zeile und des Bildpunktes (Koordina-
tenwert)
des Hell-Dunkel-Übergangs P11 und des Dunkel-Hell-Übergangs Pi2. Daraus läßt sich
der Koordinatenwert des Mittelpunktes M[i des jeweiligen Rechteckes ermitteln.
Aus der Primärdatei ergibt sich ferner die Größe der Überlappung der Dunkelintervalle,
also der Rechtecke entsprechend F i g. 2. Aus dieser Überlappung läßt sich die Neigung
der Geraden G bestimmen. Außerdem ist in der Primärdatei die Intervallänge enthalten,
d. h. der Abstand zwischen dem Hell-Dunkel-Übergang und dem Dunkel-Hell-Übergang.
Die Intervallänge gibt in Verbindung mit der Steigung der Geraden die Information
über die Strichstärke. Je flacher nämlich die Gerade ist, desto größer wird die
Intervallänge.
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Die Tatsache, daß eine Überlappung der Dunkelintervalle benachbarter
Zeilen auftritt, ist außerdem ein Kriterium dafür, daß eine zusammenhängende Linie
vorliegt. Eine Überlappung tritt allerdings nur dann auf, wenn die Beziehung gilt
Strichstärke 1 Auflösung.
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Andernfalls erhält man Punktfolgen in benachbarten Zeilen, wie F i
g. 3 zeigt. Die einzelnen Rechtecke dieser Figur zeigen analog zu F i g. 2 die Längen
der jeweiligen Intervalle, welche bei der Abtastung entstehen. Diese Auflösung in
einzelne unzusammenhängende Intervallfolgen läßt sich vermeiden, wenn man das Bild
auf der Vorlage zweimal abtastet, d.h. einmal horizontal und einmal vertikal.
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Linien in ungefährer Länge der Strichstärke werden als Punkte interpretiert.
Einzelheiten hierzu sind in F i g. 4 dargestellt, wo ein Punkt durch den Kreis angedeutet
ist und in drei aufeinanderfolgenden Zeilen erfaßt wird. Da in der Umgebung keine
weiteren Übergänge auftreten, muß das erfaßte Element ein Punkt sein.
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Die Mittelpunkte Mi nach Fig. 2 dienen zur Approximation der Geraden.
Dabei gilt folgende Beziehung:
Es dürfen aber, um Fehler zu vermeiden, die Mittelpunkte des ersten und des letzten
Intervalls bei sehr flach verlaufenden Geraden nicht als Anfangs- bzw.
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Endpunkte der Geraden G betrachtet werden. Dies zeigt sich aus F i
g. 5, wo die Mittelpunkte M1 und Mn des ersten bzw. letzten Intervalls nicht genau
mit den übrigen Mittelpunkten der zwischenliegenden Intervalle auf einer Geraden
liegen. Nimmt man dagegen statt der Mittelpunkte des ersten bzw. letzten Intervalls
den Anfangspunkt Pnl des ersten Intervalls bzw. den Endpunkt P12 des letzten Intervalls,
so liegen die Ungenauigkeiten für den Anfangs- und Endpunkt der Geraden G innerhalb
einer Rastereinheit Die Genauigkeit kann in allen Fällen als ausreichend angesehen
werden.
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Der Vorteil dieses Verfahrens wird bei sehr flachen Geraden besonders
deutlich, wie F i g. 6 zeigt Eine Verbindungslinie der Mittelpunkte M1 und M2 der
beiden dort dargestellten Intervalle würde einen völlig anderen Verlauf für die
Gerade G geben als diese in Wirklichkeit hat. Dagegen liefern der rechte Endpunkt
P12 des letzten Intervalls und der Anfangspunkt P2! des ersten Intervalls eine recht
genaue Information darüber wie die Gerade verläuft Am rechten Ende der Geraden G
ergäbe sich bei der Reproduktion eine geringe aber vernachlässigbare Anhebung der
Richtung der Geraden, ähnlich wie am linken Ende.
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Während die Koordinaten der Hell-Dunkel- und Dunkel-Hell-Übergänge
in der Primärdatei im Rahmen der Datenvorreduktion in DV1 erfaßt werden, erfolgt
die weitere Datenreduktion, also die Bestimmung des Anfangs- und Endpunktes einer
Geraden, die Feststellung der Schreibart (punktiert, gestrichelt), die Feststellung
der Bestimmungsstücke von Kreisbögen, die Erkennung und Codierung von Schriftzeichen
usw. im Teil DV2. Die so gewonnenen Ergebnisse werden in eine Bilddatei eingeschrieben.
Da die Verarbeitung der Daten der Primärdatei zu den gewünschten Daten der Bilddatei
im allgemeinen nicht in einem Schritt zu bewältigen ist, kann es zweckmäßig sein,
als Zwischenschritt eine Zwischendatei mit Hilfsinformationen einzufügen. Informationen,
die bereits in die Bilddatei übernommen worden sind, werden in der Primärdatei gelöscht,
um Doppelverarbeitung zu vermeiden.
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Nachfolgend wird beschrieben, wie gestrichelte, strichpunktierte
und punktierte Linien erkannt und ihre Information verarbeitet werden.
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Die Abspeicherung von Bildelementen, deren Länge unter einer vorgegebenen
Größe, z. B. unterhalb von 5 mm liegt, erfolgt nicht gleich in der Bilddatei, sondern
zunächst in der Zwischendatei. In diesem Größenbereich werden nämlich Schriftzeichen
erwartet. Die Abspeicherung selbst wird in der Zwischendatei zeilenweise durchgeführt
und zwar folgendermaßen: x,y-Koordinate des Mittelpunktes des Intervalls, x,y-Koordinate
des Anfangspunktes des Intervalls, x,y-Koordinate des Endpunktes des Intervalls,
Steigung, Länge.
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Sortiert wird nach den Koordinaten des Mittelpunktes M Dadurch ist
der Verlauf einer gestrichelten strichpunktierten oder punktierten Linie eindeutig
festgelegt. Die Strichelung muß mit den Tangenten verglichen werden. Weiterhin muß
ein Plausibilitätstest für die Abstände durchgeführt werden. Dieser stellt fest,
ob es sich um einzelne unabhängige Punkte oder die Punkte einer Linie handelt. Das
Endkriterium kann so gewählt werden, daß der Abstand nicht größer als ein vorgegebener
Grenzwert ist, beispielsweise nicht größer als 10 mm. Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel
für die Lage und Verteilung der Intervalle bei einer punktierten Linie. Die ungleichmäßige
Verteilung der Intervalle rührt von der Quantisierung der Abtastung her. Die Punkte
sind durch Kreise angedeutet.
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Nachfolgend werden die Verhältnisse beschrieben, welche dann auftreten,
wenn zusammenhängende gerade Linien unterschiedlicher Richtungen erfaßt werden sollen.
In F i g. 8 sind zwei Gerade GA und GB dargestellt, die unterschiedliche Steigungen
aufweisen.
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Es sei dabei vorausgesetzt, daß die Gerade GA sehr flach verläuft,
d. h., daß die Abszisse al größer ist als die Ordinate a2. Der Anfangspunkt der
Geraden GA ist mit P0 der Endpunkt mit Pa bezeichnet. Die anschließende Gerade GB
hat als Anfangspunkt den Punkt Pa und als Endpunkt den Punkt Ps Durch die Punkte
P0 und Pa wird eine Gerade gelegt. Wenn die Beziehung gilt
dann wird Pn als Endpunkt der durch Po und Pa bestimmten Geraden GB aufgestellt.
r ist dabei ein
Schwellwert von mindestens der Größe einer Rastereinheit =Zeilenbreite).
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In Fig. 9 sind die Verhältnisse angegeben, wenn die Gerade GA eine
größere Steigung aufweist. Das bedeutet, daß die Abszisse al kleiner ist als die
Ordinate a2. Pa wird als der Endpunkt der Geraden GA angesehen, wenn die Beziehung
gilt
Es erfolgt keine Gruppierung beim Eintrag in die Bilddatei. Ist ein Punkt P Endpunkt
mehrerer Geraden (bzw. Schnittpunkt mehrerer Geraden), so wird dieser Endpunkt als
Eckpunkt aus der Primärdatei gelöscht und ein Eintrag in der Nachbarzeile der Zwischendatei
gemacht, um die weiteren Geraden im gleichen Punkt enden zu lassen.
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Kurven werden entsprechend Fig. 10 und Fig. 11 zunächst nach einem
eingangs beschriebenen Verfahren durch einen Polygonzug angenähert. Eine automatische
Gruppierung der verschiedenen Kurvenformen erfolgt an sich nicht. Die Polygonzüge
können aber evtl. durch Kreisbögen ersetzt werden, die als einzige als besondere
Kurvengruppierungen ausgewertet und besonders abgespeichert werden. Dies führt zu
einer weiteren Datenreduktion.
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Das Erkennen von Kreisbögen wird anhand von Fig. 12 beschrieben.
Die Kreise bzw. Kreisbögen werden zunächst durch Polygonzüge entsprechend den Fig.
10 und 11 angenähert (in der Bilddatei). Die Beträge der so erhaltenen Teilvektoren
S" S2, 53, S4 usw.
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entsprechend Fig. 12 müssen mit der Toleranz von + einer Rastereinheit
rgleich groß sein. Das heißt,
Wenn diese Bedingung erfüllt ist, wird der angegebene Polygonzug als ein Kreisbogen
abgespeichert.
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Zusätzlich muß die Bedingung eingehalten sein, daß die Winkel zwischen
zwei benachbarten Vektoren Sj und Si+l mit einer Toleranz von ~d gleich groß sein
müssen.
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Die Abschätzung kann am einfachsten über das Skalarprodukt erfolgen.
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Zur Abspeicherung des Kreises bzw. eines Kreisbogens wird ferner
der Mittelpunkt MK des Kreises benötigt. Aus drei aufeinanderfolgenden Punkten P0,
P und P2 wird zunächst der Kreismittelpunkt MK bestimmt. Bei jedem weiteren Punkt
wird geprüft, ob er innerhalb der zulässigen Toleranzen noch als auf dem Kreis liegend
angesehen werden kann. Wenn ja, wird der Kreis zur Verbesserung der Genauigkeit
nachkorrigiert Die Begrenzungspunkte (d. h. Anfang und Ende des Kreises) werden
vom Mittelpunkt MK aus durch die Richtung bestimmt oder einfacher durch ihre Koordinatenwerte.
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Gestrichelte oder strichpunktierte oder punktierte Kurven bzw. Kreisbögen
werden in analoger Weise erkannt, wie bei den gestrichelten Geraden vorhergehend
bereits beschrieben wurde.
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Ein weiteres im Zusammenhang mit der Abtastung der Vorlagen auftretendes
Problem ist die Zeichenerkennung, d. h. das Feststellen von Buchstaben und Ziffern.
Damit die Elemente eines Zeichens in der Zwischendatei abgespeichert werden können,
muß die Schrifthöhe kleiner als der vorgegebene Wert, also kleiner als z. B. 5 mm,
sein. Der Zeichenerkennungsvorgang
beginnt, nachdem gestrichelte
usw. Linien größerer Länge aus der Zwischendatei bereits gelöscht wurden. Zeichen
bestehen mit Ausnahme des Buchstabens I aus mindestens zwei zusammenhängenden Linien
(Geraden und Kurven). Es werden diese »Bäume« in den
eingezeichneten Daten gesucht.
Unter Berücksichtigung der vorliegenden Schriftgröße kann damit das Buchstabenfeld
auf der Vorlage VL festgelegt werden.
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Ähnlich verhält es sich mit beliebig über die Vorlage verstreuten
Zeichen.