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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung von
Eigenschaften und zur Unterscheidung von Banknoten eines
gesetzlichen Zahlungsmittels und von Urkunden, mit Hilfe
dessen bezüglich des Annehmens oder Zurückweisens des
untersuchten Dokuments beinahe vollkommene Verläßlichkeit
erhalten werden kann. Die Erfindung betrifft gleichsam eine
Vorrichtung, mit deren Hilfe das Verfahren ausgeführt
werden kann.
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Herkömmlicherweise ist für die optische Validierung von
Banknoten der Ton der verwendeten Tinten sowohl im
sichtbaren Spektrum als auch außerhalb davon mit Hilfe von
Photosensoren mit breitem Spektrum, kennzeichnenderweise
Photodioden oder Phototransistoren, gemessen worden, welche
unvollständige Farbinformationen liefern, wobei sie
Verfahren der Beleuchtung bei verschiedenen Wellenlängen
verwenden.
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Für die Validierung von Banknoten sind Verfahren bekannt,
welche den Vorschub der zu untersuchenden Banknote oder
Urkunde entlang eines Weges umfaßen, auf welchem die
Urkunde beleuchtet wird und die Untersuchung mit Hilfe von
Sensoren für deren Farbe durchgeführt wird, wobei Signale
erzeugt werden, die aufbereitet und einer
Analog/Digitalverarbeitung unterzogen werden.
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Zur Messung der Farbe beruhen diese bekannten Systeme auf
der Verwendung von Photosensoren mit breitem Spektrum,
welche an sich keine Informationen über die Farbe geben. Um
diese Informationen zu erhalten, wird die Urkunde
aufeinanderfolgend mit verschiedenen Wellenlängen,
kennzeichnenderweise Infrarot, Rot und Gelb und in letzter Zeit auch Grün
beleuchtet. In einem Photosensor mit breitem Spektrum gibt
der Satz an Information, welcher durch den Sensor in den
Photosensor mit jeder der obigen Beleuchtungen eingelesen
wird, die Farbe der zur Untersuchung anstehenden Urkunde
wieder.
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Unter den üblichen Verfahren, die zur Analyse der Farben
verwendet werden, kann eine erste Einteilung danach
getroffen werden, ob das von der Banknote durchgelassene oder
reflektierte Licht (abhängig von der relativen Anbringung
der Lichtquelle) mit Hilfe von Beugungsfiltern oder Prismen
gestreut, wobei mit der Analyse der Spektralkomponenten der
Beugung weitergearbeitet wird, oder ob das Licht mit Hilfe
der Anwendung von monochromatischen Filtern bearbeitet wird
(entweder auf das Licht der Beleuchtung oder auf das Licht,
welches von der Banknote kommt), wobei in diesem Fall die
Farbkomponenten, welche durch die verwendeten Filter
abgegrenzt werden, analysiert werden.
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Innerhalb der Systeme, die auf monochromatischen Filtern
beruhen, können die verwendeten Verfahren in zwei große
Gruppen eingeteilt werden:
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1) Erfassen des Lichtsignals mit Hilfe einer
Signalerfassung mit breitem Spektrum, wobei die Banknote mit Hilfe
monochromatischer Lichtquellen (mit schmalem Spektrum,
kennzeichnenderweise die Farben Grün, Rot oder Infrarot)
beleuchtet wird, welche nacheinander angeschaltet werden.
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Zur Erfassung des Lichtsignals werden entweder einheitliche
Photosensoren verwendet (als ein veranschaulichendes
Beispiel für diese Verfahren können die Patente US 3,679,314,
GB 1470737 und US 4,618,257 genannt werden) oder können
Gruppierungen einheitlicher Photosensoren verwendet werden,
die gerade Reihen aus Photodetektoren bilden (zum Beispiel
jene, die durch die Patente EP 78 708, GB 2088051 und EP
537 513 beschrieben sind).
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2) Erfassen des Lichtsignals mit Hilfe von Photosensoren
mit schmalem Spektrum (mit Hilfe von optischen Filtern
bewerkstelligt), wobei jeder von ihnen auf eine einzige
Farbe anspricht (zum Beispiel Rot, Grün und Blau), und
Beleuchtung der Banknote mit Hilfe von Emissionslicht mit
breitem Spektrum (kennzeichnenderweise weißes Licht).
Ebenso kann in diesem Fall das Lichtsignal mit Hilfe von
einheitlichen Gruppierungen von Photosensoren mit schmalem
Spektrum, typischerweise zwei oder drei Photosensoren (die
Patente EP 395 833, GB 2064101, GB 2192275 und US 3,491,243
dienen als veranschaulichende Verweise) oder mit Hilfe von
Sätzen solcher Gruppierungen, die geradlinige Reihen von
Photodetektoren mit schmalem Spektrum bilden (US-Patent
4,922,109 dient als Verweis).
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Die Veröffentlichung Nr. A-0558340 des Europäischen
Patentamts zeigt eine Verarbeitungsvorrichtung zur Ausführung
einer genauen Unterscheidung zwischen besonderen Originalen
und gewöhnlichen Originalen. Ein CCD-Farbsensor gibt RGB-
Signale ein und ein Schaltkreis zur Beurteilung der
Farbraumübereinstimmung und ein Schaltkreis zu Beurteilung der
Musterübereinstimmung beurteilen die Ähnlichkeit in der
Farbverteilung und im Muster zwischen den eingegebenen RGB-
Daten und vorbestimmten besonderen Bilddaten. Eine CPU
beurteilt die Ähnlichkeit, und ein Drucksignalgenerator
erzeugt ein Änderungssignal gemäß der gefundenen
Ähnlichkeit. Die eingegebenen RGB-Signale werden aufgrund des
erzeugten Änderungssignals verändert und auf einen externen
Farbdrucker ausgegeben.
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Die WIPO-Veröffentlichung Nr. WO-A-91/03031 zeigt ein
Verfahren und ein Mittel zur Überprüfung der Echtheit von
Papiergeld, welches auf der Erfassung von kennzeichnenden
Unterschieden im Druckverfahren von echten Banknoten und
gefälschten Scheinen beruht, welche mit einem Farbkopierer
erzeugt wurden. Diese Erfassung wird im schmalen
Wellenlängenband jeweils in üblichen und blauen Farbbereichen und
gleichzeitig in bestimmten Richtungen mit reflektiertem und
gestreutem Licht ausgeführt. Die Erfassung der Intensität
in einem entsprechend schmalen Band nahe dem maximalen
Empfindlichkeitsbereich des Auges, d.h. im grünen Bereich,
und in eine weitere Richtung werden ebenso zu Bezugszwecken
durchgeführt. Vorzugsweise wird die Messung an einem
besonders ausgewähltem Punkt ausgeführt, wo der Gehalt an Blau
und Rot im Druck der echten Banknote auf einem Extremum,
d.h. hoch oder niedrig, liegt.
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Die europäische Patentveröffentlichung Nr. EP-A-0 072 237
zeigt eine Vorrichtung zur Abtastung von Banknoten. Ein
Längsstreifen der Banknote wird mit weißem Licht
beleuchtet, und die Banknote wird parallel zu ihrer Breitseite
bewegt. Das Licht, welches aus allen Bereichen des
Längsstreifens reflektiert wird, wird durch eine
schwanzflossenförmige Anordnung von Lichtleitern an einen einzelnen
Photodetektor oder an ein Spektroskop und in der Folge an
verschiedene Photodetektoren zur Farbabtastung übermittelt.
Die Wellenform, welche von dem oder den jeweiligen
Photodetektoren erzeugt wird, ist dann für die Oberfläche der
Banknote kennzeichnend und wird in einem Analyseschaltkreis
zur Mustererkennung für Banknoten verwendet, oder wird dazu
verwendet, den Zustand der Banknote hinsichtlich ihres
Alters oder dem Grad der Verschmutzung festzustellen. Der
Analyseschaltkreis umfaßt Mittel zur Kompression oder
Dehnung der Länge der Wellenform, um ihr eine Standardlänge
für den nachfolgenden Vergleich mit einer oder mehreren in
einem Speicher gespeicherten kennzeichnenden Wellenformen
zu verleihen. Die Vorrichtung bestimmt ebenso den
Durchschnittsgrad der Intensität der Wellenform in einem
Inte
grator und umfaßt einen Schaltkreis zur Ermittlung der
Standardabweichung ausgewählter Punkte der Wellenform vom
Durchschnittswert, wobei eine geringe Standardabweichung
eine stark verschmutzte oder abgenützte Banknote anzeigt.
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Bezüglich der oben beschriebenen Verfahren zur Erfassung
des Lichtsignals können einige Beobachtungen gemacht
werden.
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Das Erfassen mit Hilfe von Photosensoren mit schmalem
Spektrum und Beleuchtung mit breitem Spektrum bietet eine
vollständigere Farbempfindlichkeit als das Erfassen mit
Photosensoren mit breitem Spektrum, welche nacheinander mit
Licht mit schmalem Spektrum beleuchtet werden, da
interspektrale Räume entsprechend ihrer jeweiligen Farben immer
offen bleiben, wenn die Banknoten mit zwei, drei oder sogar
vier verschiedenen schmalen Spektren beleuchtet werden
(wegen des deutlichen Anstiegs der Komplexität und der
Kosten werden nicht mehr verwendet), und für diese Räume
ist die Empfindlichkeit auf das Erfassen der Helligkeit
beträchtlich gedämpft. Überdies gibt es bei der Verwendung
von LED-Photodioden als Beleuchtungsvorrichtung mit
schmalem Spektrum (welche in der Mehrzahl der Fälle verwendet
werden, hauptsächlich wegen ihrer günstigen Schaltzeit
gegenüber anderen Lichtquellen für den Folgebetrieb) eine
beträchtliche Lücke bei blauen Lichttönen aufgrund des
derzeitigen Nicht-Vorhandenseins von leistungsstarken
blauen LED, verglichen mit der Leistungsstärke, die mit
anderen Farben erreicht wird, welche eine mögliche
kommerzielle Verwendung haben (Rot, Orange, Gelb und Grün), was
zu einer minderen Empfindlichkeit unter einer Wellenlänge
von 500 nm im Farbenspektrum führt (wie es aus Fig. 3
ersichtlich ist).
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Indem anstatt dessen Beleuchtung mit breitem Spektrum
(weißes Licht) mit Photosensoren verwendet wird, welche auf
die Primärfarben Rot, Grün und Blau empfindlich sind, kann
das ganze Farbenspektrum abgedeckt werden, wobei die
Empfindlichkeit der Photosensorvorrichtung über die gesamte
Breite des Spektrums erhalten bleibt (siehe Fig. 4).
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Das letztere Verfahren ist dem Mittel ähnlicher, durch
welches Farbwahrnehmung im menschlichen Auge stattfindet,
welche auf dem Vorhandensein von drei verschiedenen Arten
von Zäpfchen beruht, welche annähernd auf Rot, Grün
beziehungsweise Blau empfindlich sind.
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Demgemäß leiden die Verfahren zur Erfassung des
Lichtsignals, welche in die zweite Gruppe der vorgenommenen
Klassifikation fallen, nicht an blinden Zonen innerhalb des
Farbenspektrums - der Hauptmangel, der dem Verfahren der
ersten Gruppe zugeordnet werden kann.
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Überdies gibt es in Photosensoren, die mit der Zerlegung in
primäre Farben arbeiten (Gruppe 2), eine zeitliche
Gleichzeitigkeit bei den erhaltenen Farbkomponenten in der
jeweils analysierten Zone, was bei der Farbinformation nicht
auftritt, welche in Systemen mit aufeinanderfolgender
Beleuchtung erhalten wird (Gruppe 1).
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Demgemäß kann ein roter, grüner und blauer Photosensor
gleichzeitig Licht empfangen, welches von der Banknote
sowohl aufgrund von Transmission als auch aufgrund von
Reflexion eintrifft, vorausgesetzt, daß diese aus
verschiedenen Spektren stammen (zum Beispiel Blau aufgrund von
Reflexion und Rot aufgrund von Transmission), wobei das
Verarbeiten beider Signale gleichzeitig ausgeführt wird,
was mit einem Photosensor mit breitem Spektrum nicht
möglich ist.
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Innerhalb der Verfahren zur Erfassung von Lichtsignalen
durch Beschaffung der primären Komponenten (Rot, Grün und
Blau) leiten Systeme, welche auf Photodetektoreihen
beruhen, viel mehr Information von der Oberfläche der Banknote
ab, da in diesen Systemen, und für jede der grundlegenden
Farben, Information von der Oberfläche der Banknote
beschafft wird, wobei diese in eine zweidimensionale Matrix
diskretisiert ist:
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[R]ij : [G]ij : [B]ij
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i = 1,2, ... m : j = 1,2, ...n
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Wenn die Reihe 32 Sätze aus roten, grünen und blauen
Photosensoren enthält und 150 Zeilen entlang der Banknote
analysiert werden, bestünden die Matrizen aus 150 Zeilen und 32
Spalten (m = 150, n = 32).
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Auf der anderen Seite sind Matrizen mit diskretisierten
Informationen, welche in Systemen erhalten werden, die aus
einzelnen Gruppen aus roten, grünen und blauen
Photosensoren beruhen, sind eindimensional, wobei Matrizen mit 150
Zeilen und einer Spalte erhalten werden, wenn wie im obigen
Beispiel 150 Zonen der Banknoten analysiert werden.
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Selbstverständlich sind die Informationen, welche in
Matrizen von Systemen gespeichert werden, welche aus Reihen aus
roten, grünen und blauen Photosensorgruppen bestehen, viel
größer als jene, welche in jenen gespeichert werden, die
von einheitlichen Gruppen herrühren, in einer solchen
Weise, daß dasselbe nicht für die Auflösung in der
Detailanalyse entlang der Querausdehnung der Banknote gilt,
obwohl beide Systeme theoretisch eine ähnliche Auflösung
entlang der Längsausdehnung der Banknote erreichen können, da
die Auflösung, welche Systeme mit Photosensorreihen
be
sitzen, für Systeme mit einheitlichen Gruppen unerreichbar
ist.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein
Unterscheidungsverfahren für Banknoten zu entwickeln, welches auf
einem System beruht, das die Farbe mit größerer Genauigkeit
als bislang bekannte Systeme analysiert. Die Erfindung
entwickelt gleichsam die Vorrichtung zur Ausführung des
Verfahrens.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung zur Prüfung von
Eigenschaften und zur Unterscheidung von Banknoten eines
gesetzlichen Zahlungsmittels und von Urkunden, umfassend den
Vorschub der Urkunde, die längs eines Weges analysiert
werden soll, in welchem das Dokument beleuchtet wird und
seine Farbe mit Hilfe zumindest eines
Rot-Grün-Blau-Farbsensors analysiert wird, der Informationen über die
Farbkomponenten des Lichtes beschafft, das von der der
Untersuchung unterzogenen Urkunde empfangen wird, mit dem Ziel,
die farbmetrischen Eigenschaften der Urkunden abzuleiten,
woraus statistische Kennwerte erhalten werden, die mit
repräsentativen Standards für gültige Urkunden mit dem Ziel
der Entscheidung, ob die der Untersuchung unterzogene
Urkunde angenommen oder zurückgewiesen wird, verglichen
werden, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Verarbeitung der
Informationen, die den Farbkomponente entsprechen, die
Wiederholungshistogramme der Farbstufen erhalten werden, aus
denen statistische Kennwerte erhalten werden, zur
Verwendung in dem Vergleichsvorgang mit dem entsprechenden
Kennwerten des Standardmodells oder der -modelle, um das
Annehmen oder Zurückweisen der untersuchten Banknote zu
veranlassen.
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Das Verfahren gemäß einer zweiten Form der Verwirklichung
der Erfindung ist gekennzeichnet durch das Verarbeiten von
räumlich abhängigen Farbabstufungsmatrizen, die aus der
Verarbeitung der Farbkomponenten erhalten werden, um die
Kennwerte, die als Übergänge und Kontraste bekannt sind, zu
erhalten, zur Verwendung in dem Vergleichsvorgang mit den
entsprechenden Kennwerten des Standarmodells oder der
-modelle, um das Annehmen oder Zurückweisen der
untersuchten Banknote zu veranlassen.
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Das Verfahren gemäß einer dritten Form gemäß der
Verwirklichung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Verarbeitung der Informationen der Farbkomponenten als
Ergebnis die Umwandlung der Farbkomponente vom Rot-Grün-
Blau-Format in das Ton-Sättigung-Luminanz-Format liefert,
zur Berechnung der statistischen Kennwerte in diesem
Format, zu ihrer Verwendung in dem Vergleichsvorgang mit den
entsprechenden Kennwerten des Standardmodells oder der
-modelle, um das Annehmen oder Zurückweisen der untersuchten
Banknote zu veranlassen.
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Die Erfindung weist ebenso als ein Ziel eine Vorrichtung
zur Prüfung von Eigenschaften und zur Unterscheidung von
Banknoten eines gesetzlichen Zahlungsmittels und von
Urkunden gemäß den genannten Verfahren auf, die ein
Schlittenmittel für die Scheine oder Urkunden, Geräte für die
Beleuchtung der Urkunden, Sensoren zur Farbmessung und sowohl
Analog- als auch Digitalgeräte zur Aufbereitung und
Behandlung der erhaltenen Signale umfaßt, dadurch gekennzeichnet,
daß sie einen linearen CCD-Farbsensor beinhaltet, der auf
das von der Urkunde reflektierte Licht, das von einer
oberen weißen Lichtquelle mit einem breiten Spektrum
stammt, und auf das durch die Urkunde durchgegangene Licht,
das von einer tieferen Infrarotlichtquelle stammt,
anspricht, wobei der Sensor selbst Informationen beschafft,
die den Farben Rot, Grün und Blau und dem infraroten Licht
zuzuordnen sind.
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Mit dieser Art eines Sensors wird eine Auflösung des Bildes
der analysierten Oberfläche erhalten, die viel größer ist
als jene, die mit Reihen aus Photodioden erhalten wird. Zum
Beispiel ist ein CCD-Sensor mit 520 Bildelementen
(Photosensoreinheiten) kennzeichnend für jede rote, grüne und
blaue Komponente, wogegen Reihen aus Photdioden wegen der
physikalischen Beschränkungen gewöhnlich auf 32 Einheiten
beschränkt sind, da die physikalische Raumerfüllung jeder
Einheit viel größer ist, als die Größe eines Bildelementes
auf dem CCD.
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Das Patent US 4,922,109 beschreibt Reihen aus Photosensoren
mit schmalem Spektrum, welche zur Unterscheidung der Farben
Rot, Grün und Blau mindestens 3 Module aus
Photosensorreihen erfordern, während ein CCD-Sensor selbst ein einzelnes
lineares Modul darstellt.
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Darüberhinaus vereinfacht die Verwendung eines CCD-Sensors
die elektronischen Schaltkreise außerordentlich, die einer
Reihe aus Photodioden innewohnen (zum Beispiel das
Multiplexen und Umwandeln am Ausgang mit Serienregister ist im
selben CCD-Sensor integriert), neben dem Einbau von
Anpassungen und Feinabstimmungen, welche es in den Reihen aus
Photodioden nicht gibt, wie das Vorhandensein von einigen
blinden Bildelemente zum Einstellen des Bezugswertes für
Schwarz oder die Anschlüsse zum Anschließen der
Integrationszeit (zum Einstellen der Empfindlichkeit des Geräts
gegenüber Licht) oder dem Anschluß für die Uhr, die die
Ablesehäufigkeit der in den Bildelementen gespeicherten
Informationen bezeichnet.
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Gemäß der Erfindung können ebenso Lichtdiffusoren zwischen
jegliche der Lichtquellen und der zu Untersuchenden Urkunde
eingepaßt werden. Die Vorrichtung umfaßt vorteilhafterweise
ebenso ein optisches System zur Scharfstellung auf das
Dokument in der Richtung quer zur Richtung des Vorschubs,
mit dem Ziel, die Breite der Urkunde während ihrer
Wegstrecke zu messen. Die Vorrichtung der Erfindung kann
ebenso mit einem optischen System ausgerüstet werden, das auf
einen Teil der Urkunde scharf stellt und das Ausschneiden
von kennzeichnenden Einzelheiten dieser zu untersuchenden
Urkunde erlaubt.
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Schlußendlich wird die Vorrichtung mit Schaltkreisen für
digitale Verarbeitung ausgerüstet, was einen Mikroprozessor
miteinschließt, wobei diese ebenfalls periphere
Schaltkreise für das Ausführen der Steuerung des Lichtsystems,
für die Steuerung des mechanischen Schlittensystems, und
für den Datenaustausch mit externen Geräten und
Hilfssensoren und Signalgebern umfassen.
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Das optische Abtastverfahren und die nachfolgende
Verarbeitung, welche für das Erkennen von Banknoten eines
gesetzlichen Zahlungsmittels und von Urkunden verwendet wird, wobei
dieses das Ziel der Erfindung bildet, beruhen auf er
Untersuchung der Oberfläche dieser Banknoten und Urkunden, um
den Gehalt zu bestimmen, den diese in den
Primärfarbkomponenten besitzen, und dem nachfolgenden Verarbeiten dieser
Farbkomponenten, um deren kennzeichnende Parameter zu
erhalten, welche zum Vergleich mit Standardparametern dienen,
welche in einem Speicher gespeichert sind und von Banknoten
oder Urkunden erhalten wurden, welche als Eichstandards
angesehen werden. Als Ergebnis des Vergleiches wird die der
Untersuchung unterzogene Banknote angenommen oder
zurückgewiesen, abhängig davon, ob sie als echt angesehen wird oder
nicht.
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Die Untersuchung der Banknote wird über die gesamte
Oberfläche oder über einen großen Teil davon durch Analyse
aufeinanderfolgender Zeilen quer zur Note ausgeführt, von
einem Ende zum anderen, während die Banknote durch den
Schlittenmechanismus bewegt wird.
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Jede Zeile wird durch einen roten, grünen und blauen
linearen Sensor analysiert, wobei die Helligkeitsinformation in
dieser Zeile gemäß den einheitlichen Triaden von
Bildelementen (verschwindend kleine betrachtete Flächen) geformt
werden, die auf die primären Farbkomponenten empfindlich
sind.
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Die Banknote wird mit Hilfe von Licht mit breitem Spektrum
(weißem Licht), sowohl an der Oberseite als auch von der
Unterseite, wie es vom Druck der Note gefordert wird, in
einer solchen Weise beleuchtet, daß die Beleuchtung, welche
durch den linearen Sensor während einiger Linien erfaßt
wird, von Transmission herrührt und während der restlichen
von Reflexion herrührt.
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Der lineare Sensor wird mit Hilfe von elektronischen
Präzisionsschaltkreisen konditioniert, womit dem entsprechenden
Analog/Digitalwandler digitalisierte, jedes Bildelement
betreffende Informationen erhalten werden. Diese
Informationen werden in einem Speicher gespeichert und machen drei
Tabellen aus (eine für jede Farbkomponente), wobei jede von
ihnen eine zweidimensionale Matrix hervorbringt, wobei die
Zahl der Spalten durch die Zahl der Bildelemente jeder
Zeile bestimmt ist und die Zahl der Zeilen den erfaßten
Zeilen entspricht.
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Jede Matrix ist das Ergebnis von Daten über jede
Farbkomponente, welche vom linearen Sensor kommen, und der Wert
jedes Elements dieser Matrix stellt die Farbstufe dar, die
im jeweiligen abgelesenen Bildelement festgestellt wurde.
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Der Inhalt der Matrizenelemente stellt die Verteilung der
Farbabstufungen in der analysierten Oberfläche dar.
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Aufgrund dieser Informationen wird ein Histogramm erster
Ordnung erhalten, welches für jede Farbabstufung die Zahl
der Bildelemente errechnet, die diese Stufe enthalten.
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Die Beziehung mit einer Stufenwahrscheinlichkeitsfunktion
ist unmittelbar:
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b: stellt die jeweilige Farbabstufung dar.
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N(b): Zahl der Bildelemente, die die Stufe b zeigen.
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M: Zahl der ausgelesenen Pixel
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P(b) Wahrscheinlichkeit des Auftretens der Stufe b.
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Eine Möglichkeit, die kennzeichnenden Eigenschaften einer
Verteilung anzugeben, ist die mit Hilfe von statistischen
Parametern.
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Das Patent umfaßt die Verwendung einiger Parameter, die
unmittelbar errechnet werden können, wobei von der
Wahrscheinlichkeitsfunktion ausgegangen wird, insbesondere die
folgenden:
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wobei L die Zahl der verwendeten Farbabstufungen darstellt.
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obere Grenze = bmax - ; mit bmax/ b > bmaxP (b) = 0
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untere Grenze = - bmin; mit bmin/ b < bminP(b) = 0
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Punkte um den Mittelwert =
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M b - Σ < K
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P(b) wobei K ein bestimmter Prozentsatz des Gesamtbereichs
ist.
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Gesamtbereich = bmax - bmin
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oberer Mittelwert =
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unterer Mittelwert =
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Ebenso wie die oben beschriebenen statistischen Parameter
ist es interessant, Beziehungen unter ihnen zu verwenden,
um Parameter zu erhalten, welche in bezug auf Abweichungen
aufgrund von Alterung, Verschmutzungsgrad, Temperatur, usw.
beständiger sind.
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Ein weiteres Verfahren zur Beschaffung von Parametern,
welche eine größere Stabilität gegenüber den oben erwähnten
Abweichungen (Alterung, Verschmutzungsgrad usw.) aufweisen,
besteht darin, eine räumlich abhängige Farbabstufungsmatrix
zu verwenden, die aus Histogrammen zweiter Ordnung (eines
für jede Farbe) aufgebaut ist.
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Histogramme zweiter Ordnung sind mit der
Verteilungswahr
scheinlichkeit von Stufenübergängen zwischen
Bildelementpaaren verknüpft. Die betrachteten Bildelementpaare können
aneinandergrenzen oder nicht, und können in jegliche
Richtung räumlich getrennt sein. Wenn der Abstand zwischen den
Bildelementen, die betrachtet werden sollen, gemeinsam mit
einer Betrachtungsrichtung definiert wurde, wird ein
Histogramm zweiter Ordnung für jedes Paar Farbstufen a und b und
ebenso für die Häufigkeit berechnet, mit der ein Übergang
zwischen diesen zwei Stufen auftritt N(a,b).
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Die Wahrscheinlichkeit von Übergängen zwischen den Stufen
ist gegeben durch:
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Wobei P(a,b) die Wahrscheinlichkeit eines Übergangs ist,
der zwischen der Farbstufe a und jener von b auftritt.
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Nachdem diese Wahrscheinlichkeitsfunktion für die
gewünschten Richtungen und Abstände und für jede Primärfarbe
berechnet worden ist, kann die räumlich abhängige
Farbabstufungsmatrix aufgebaut werden. Dies ist eine L * L Matrix
(wobei L die Zahl der verwendeten Stufen für jede
Primärfarbe ist) in welcher jedes Element (a, b) die
Wahrscheinlichkeit P(a,b) des Übergangs darstellt, der zwischen den
Stufen a und b auftritt. In diesem Fall ist diese Matrix
für die waagrechten und senkrechten Richtungen für
benachbarte Bildelemente und für jede Primärfarbe berechnet
worden.
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Beginnend mit der räumlich abhängigen Matrix, welche
umfangreiche Informationen über das Ausmaß von Einzelheiten
und Kontrasten enthält, die im Bild vorhanden sind, werden
entsprechend dem folgenden allgemeinen Modell Parameter
berechnet:
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aus welchem abhängig vom Gewicht, welches auf die
Schwankung der Übergänge gelegt werden soll, die einzelnen
Parameter personalisiert werden können. Auf diese Weise sind
sie tatsächlich verwendet worden.
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Übergänge: Diese werden aus der Summe aller Elemente der
räumlich abhängigen Farbabstufungsmatrix außer den
diagonalen Elementen erhalten. Und sie gibt einen Anhaltspunkt
bezüglich der Zahl der Stufenübergänge, welche im Bild
vorhanden sind, während sie sich in eine bestimmte Richtung
bewegt.
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Übergänge =
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Kontrast: Dieser berücksichtigt ebenso die Übergänge, aber
diese werden durch einen Koeffizienten beeinflußt, der ein
größeres Gewicht verleiht, wenn die Differenz zwischen den
einbezogenen Stufen im Übergang größer ist.
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Kontrast =
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Homogenität: Dieser Parameter ergibt in Zonen größere
Werte, in welchen weniger Übergänge auftreten.
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Homogenität =
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Die bisher gezeigten Parameter richten sich auf die
globa
len kennzeichnenden Eigenschaften des Bildes, was die
Verteilung von dessen Farbstufen betrifft. Um eine
vollständige Untersuchung auszuführen, scheint es
offensichtlich, daß die räumliche Verteilung dieser Farbstufen
bewertet werden muß. Um es anders auszudrücken, es sind
Parameter abgeleitet worden, welche die vorhandenen Stufen und
deren Übergänge unabhängig vom Punkt des Bildes
beschreiben, auf welchem sie erzeugt wurden. Es fehlt etwas, das
das Vorhandensein im Bild von gewissen bestimmten
räumlichen Formen findet; es reicht nicht aus, gewisse Stufen und
gewisse Übergänge zu finden, stattdessen müssen diese in
bestimmten Zonen und in bestimmten Abfolgen gefunden
werden, in anderen Worten, es müssen invariante, zonenbezogene
Eigenschaften ausgemacht werden.
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Es muß bestimmt werden, ob in einem digitalisierten Bild
f(x,y) der Größe M * N irgendein Unterbild festgestellt
werden kann, welches einem Standard oder einer Schablone
W (x, y) der Größe J * K ähnlich ist, wobei J < M und K < N
ist. Eines der am weitest verbreiteten Verfahren, welches
für die Lösung dieses Problems verwendet wird, ist es, eine
Korrelation zwischen W(x,y) und f(x,y) herzustellen.
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In ihrer einfachsten Form ist die Korrelation zwischen
diesen zwei Funktionen gegeben durch:
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m = 0,1, ......(M - J) n = 0,1, ......(N - K)
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Für jeden Wert von m und m wird die obige Gleichung in
einer solchen Weise angewandt, daß R(m,n) zusammengesetzt
wird. Für jeden Wert (m,n) wird das Standard-W(x,y) auf
einer anderen Zone des Bildes f(x,y) überlagert, und der
Grad an Übereinstimmung an dieser Stelle wird mittels
R (m, n) bestimmt.
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Der Maximalwert von R(m,n) wird an einer Stelle gegeben
sein, an der es die beste Übereinstimmung zwischen dem
Standard und dem Unterbild von f(x,y) gibt.
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Wie definiert, ist die Korrelationsfunktion nichts anderes
als das Überprüfen der Schablonenbereinstimmung zwischen
einem Standard, den zu finden es gewünscht ist, und dem
Bild.
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Es ist möglich, den Ausdruck für die Korrelation auf solche
Weise abzuwandeln, daß die Spitzen etwas mehr betont
werden. Das wird mit Hilfe einer Standardisierung in der
folgenden Form erreicht:
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Alle oben genannten Verarbeitungsschritte zur Prüfung der
Eigenschaften (von Histogrammen erster und zweiter Ordnung
ableitbare Parameter und das Vergleichen mit einer
Schablone) werden auf das Bild der Oberfläche der Banknote
angewendet, welches beobachtet wird, wenn sie von der Seite
oder in die Quere beleuchtet wird und Zeile für Zeile von
der Photosensoreinrichtung aufgenommen wird, um sie später
mit den entsprechenden repräsentativen Zeilen von gültigen
Urkunden zu vergleichen, mit dem Ziel, das Annehmen oder
Zurückweisen des untersuchten Dokumentes zu veranlassen.
Diese Verarbeitungsschritte zur Prüfung der Eigenschaften
dürfen nicht so verstanden werden, daß sie nur auf das
eingefangene Bild wie in der obigen Erklärung beschränkt
sind. Sie können auch auf Bilder ausgedehnt werden, welche
durch andere Verfahren erhalten werden, wie im Fall eines
besonderen Bereichs von Interesse (z.B. solche, in welchen
Einzelheiten des Prägedrucks beobachtet werden, in welchen,
wegen ihrer Feinheit, Konzentration von Linien usw. mit
minderer Qualität erreicht werden mit Photosatzsystemen für
Fälscherwerkstätten), welche mit geeigneten optischen
Mitteln vergrößert werden, um das Bild zu erhalten, welches
den Gegenstand der Untersuchung bildet.
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Ein weiterer Fall eines in Einzelheiten zerlegten Bildes
könnte eines aus Moirestreifen sein, welches mit geeigneten
Interferenzmitteln erhalten wird, da es bei der Mehrheit
der Banknoten Zonen gibt, wo der Aufdruck der Tinten ein
spezifisches Gitter erzeugt, welches Inerferenzstreifen mit
einer Frequenz erzeugt, die geringer als die obige ist, und
die als Moirestreifen bekannt sind, wenn sie über
Gitterlinsen beobachtet werden, die den obigen ähnlich sind und
in einem geeigneten Winkel angebracht sind. (Die Erfassung
von Moirestreifen findet bei Maschinenwerkzeugen zur
Erfassung der Einstellung von Sichtbarmachern der Höhe breite
Anwendung.)
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Die kennzeichnenden Eigenschaften und Vorteile der
Erfindung werden durch das Beispiel offenbart, welches in den
Schaubildern gezeigt ist, die zeigen, wie diese ausgeführt
werden könnte, in welchen:
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Fig. 1 zeigt in Form eines Diagramms die Anordnung der
Vorrichtung, die das Ziel der Erfindung bildet.
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Fig. 2 ist ein Blockdiagramm des Mittels zur Aufbereitung
und Verarbeitung der Signale, die vom Sensor geliefert
werden.
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Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Spektralempfindlichkeit
der Beleuchtung mit einzelnen LED mit den Farben Rot und
Grün (Kurven 1 und 4 in stetigen Linien) zeigt und welches
ebenso die Farben Gelb und Orange umfaßt (2 und 3 in
gestrichelten Linien).
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Fig. 4 ist ein Diagramm, welches die spektrale
Empfindlichkeit eines CCD-Farbsensorgeräts in dessen jeweiligen
roten, grünen und blauen Tönen zeigt.
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In der Vorrichtung der Erfindung, Fig. 1, wird das
Eintreten der Banknoten oder Urkunde durch einen Detektor
festgestellt, der hier nicht gezeigt ist, und ein
Schlittenmechanismus wird aktiviert, der aus einem Walzenpaar 1 bestehen
kann, die durch einen Motor 2 angetrieben werden und mit
Hilfe dessen die Banknote oder Urkunde 3 bewegt werden
kann. Gleichzeitig werden die Beleuchtungssystem 4 oder 5
aktiviert, wie es wegen der Zonen der Urkunden 3
erforderlich ist. Die Vorrichtung umfaßt einen linearen CCD-Sensor
6, der zu jeder Zeit die Farbkomponente Rot-Grün-Blau
liefert, die er vom Dokument erhält. Die Beobachtungsfläche
wird vom Linsensystem 7 abhängen, welches zwischen den
Sensor 6 und dem Dokument 3 eingesetzt wird. Um eine
bessere Gleichmäßigkeit bei der Beleuchtung der Urkunde zu
erreichen, ist es ratsam, Diffusoren 8 für die
Lichtestrahler 4 und 5 einzubauen.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, umfaßt die Vorrichtung der
Erfindung das Mittel 9 und 10, um die Rot-Grün-Blau-Signale
in analoger Form aufzubereiten und sie dann zu
digitalisieren, mit dem Ziel, diese mit Hilfe eines Mikroprozessors
11, welcher RAM-Speicher 12 und EPROM-Speicher 13 und
zugehörige Peripheriegeräte 12 umfaßt, über den
Peripheriegeräteeingang und aus Ausgangseinheit 14 zu verarbeiten.
Die Mittel sind mit einem Schalter 15 zum Auswählen der
Farbe Rot, Grün und Blau ausgestattet, wobei jeder der
Farben einer der Wege 16 entspricht. In einem
abschließenden Zeitabschnitt wird das Ergebnis der Verarbeitung mit
den repräsentativen Werten von gültigen Banknoten
verglichen, um das Annehmen oder Zurückweisen der der
Untersuchung unterworfenen Banknote auszuführen.
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Die erwähnten peripheren Schaltkreise umfassen Eingabe-
Ausgabe-Schnittstellen, sowohl mit seriellem als auch
parallelem Weg, zum Ausführen der Steuerung der
Beleuchtungssysteme, des mechanischen Schlittensystems für die Sensoren
und der Hilfskörper und zum Datenaustausch mit externen
Geräten.
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Die verwendeten Lichtquellen werden vorzugsweise aus Reihen
aus kleinen weißglühenden Lampen oder aus Halogenlampen
oder aus Lichtquellen mit breitem Spektrum bestehen, wie
Fluoreszenz-, Neon- oder Xenonlampen.
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Wenn die in der zu untersuchenden Urkunde vorhandene
Farbinformationen in einem beschränkten Teil des Spektrums
deutlich konzentriert sind, wird die Verwendung von
Lichtquellen mit breitem Spektrum oder weißem Licht keine
Bedeutung haben, und es wird selektive monochromatische
Beleuchtung verwendet werden können, wie Reihen aus Photodioden,
wobei jede dieselbe Farbe aufweist oder Reihen aus
Photodioden, wobei jede zwei oder mehr verschiedene Farben
aufweist.
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In ähnlicher Weise und wegen der häufigen Verwendung in
Banknoten von Tinten, die bei ultravioletter Beleuchtung
floureszieren oder Tinten, die im Infrarotspektrum sichtbar
sind, kann die oben beschriebene Beleuchtung mit
Ultravioletten oder Infraroten Lichtquellen ergänzt werden, mit dem
Ziel, floureszierende Bilder oder Bilder zu erhalten, die
unter Infrarot sichtbar sind, so daß diese nachher gemäß
dem Verfahren zur Prüfung der Eigenschaften analysiert
werden können, welches in dem Patent enthalten ist.
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CCD-Sensoren in den Farben Rot, Grün und Blau reichen
normalerweise in den roten Bereich in das nahe Infrarot,
weshalb deren Verwendung mit der oben beschriebenen
Infrarotbeleuchtung zulässig ist.
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Wenn man bedenkt, daß die CCD-Sensorvorrichtung die gesamte
Breite der Banknote (abhängig von der verwendeten
Scharfeinstellung) in Richtung normal auf die Vorschubrichtung
abdecken kann, wird eine konstante Messung fortgeführt, die
von der Breite der Banknote gemacht werden soll, um
mögliche Schnitte, Falten und Querabmessung festzustellen, die
kleiner sind als jene, die toleriert werden, wobei mit
diesen die Urkunde zurückgewiesen werden wird.
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Die Messung der Länge der untersuchten Urkunde ist ebenso
mit Hilfe des Farbsensors gemeinsam mit dem Schlittensystem
für diese Urkunde vorgesehen, indem das Verfahren des
Zählens der untersuchten und darin enthaltenen Zeilen und
Zurückweisen der Urkunde ausgeführt wird, wenn die Zahl der
Zeilen nicht innerhalb einer Schwelle fällt, die für echte
Urkunden angegeben ist.
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Unter Berücksichtigung der derzeitigen Kosten für CCD-
Farbsensoren, könnte eine kostengünstige Version der oben
beschriebenen Vorrichtung mit einem identischen
Signalverarbeitungssystem erzeugt werden, wobei der lineare CCD-
Farbsensor durch ein lineares Photosensorsystem bei den
Farben ersetzt wird, die auf der Grundlage von Sätzen aus
Triaden aus Photodioden erzeugt werden, wobei jede der
Photodioden in der jeweiligen Triade auf die primären
Farbkomponenten empfindlich ist (diese Empfindlichkeit kann
dadurch erreicht werden, daß entsprechende optische Filter
in die Photodioden eingebaut werden).
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Wenn die Photodioden, die auf die Farbe Rot empfindlich
sind, ebenso auf nahes Infrarot empfindlich wären, und wenn
es gewünscht wäre, diese spektrale Komponente zu erfassen
(Erfassung von Infrarotbildern), kann ein
Photodiodensensorelement für Infrarot in jeden Photodiodensensorsatz
eingebaut werden (oder es kann die am wenigsten
empfindliche Photodiode ersetzen).
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Abschließend kann eine Transformation des Bildes gemäß
seiner roten, grünen und blauen Komponenten in das Format
von Ton, Luminanz und Sättigung verwendet werden, da in
diesem letzteren Format die Tonkomponente vorliegt, welche
Informationen ergibt, die stabiler gegenüber Schwankungen
in der Beleuchtung (aufgrund von Temperatur, Alterung,
Verschmutzung) sind, als es die roten, grünen und blauen
Komponenten sind. Daher kann es in einigen Fällen
ausreichend sein, die Tonkomponente als das Zielbild der Analyse
anstatt der Bilder in Rot, Grün und Blau erschöpfend zu
analysieren. Diese Transformation wird durch Berechnung der
folgenden Gleichungen ausgeführt:
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Luminanz: L1/3(R + G + B)
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Sättigung: S =
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Ton: T = cos&supmin;¹
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Das Diagramm von Fig. 3 zeigt entlang der Ordinate die
relative Leuchtintensität und entlang der Abszisse die
Wellenlänge, wobei die Kurven den Farben Grün, Gelb, Orange
und Rot entsprechen, welche jeweils durch herkömmliche
Photoemitter ausgesendet werden, welche mit den Nummern 17,
18, 19 und 20 bezeichnet werden,
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Im Diagramm 4 wird die relative Empfindlichkeit entlang der
Ordinate gemessen und die Wellenlänge entlang der Abszisse,
wobei die Kurven den Farben Blau, Grün und Rot entsprechen,
dies ist die kennzeichnende Empfindlichkeit eines Farb-CCD,
welcher jeweils durch die Bezugsziffern 21, 22 und 23
dargestellt wird.