DE2410306A1

DE2410306A1 - Verfahren und vorrichtung zur maschinellen zeichenerkennung

Info

Publication number: DE2410306A1
Application number: DE2410306A
Authority: DE
Inventors: Alfred Thomas Rundle
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-03-19
Filing date: 1974-03-05
Publication date: 1974-09-26
Also published as: DE2410306C3; GB1442269A; US3831146A; JPS5410217B2; FR2222700B1; CA1007374A; DE2410306B2; JPS49123524A; FR2222700A1

Description

Verfahren und Vorrichtung zur maschinellen Zeichenerkennung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren bei der maschinellen Zeichenerkennung zur Einstellung eines Abtastrasters und/oder einer Erkennungslogik auf die Schräglage von abzutastenden bzw. zu erkennenden, auf einem Aufzeichnungsträger befindlichen,insbesondere handschriftlichen Zeichen. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist nicht auf die maschinelle Erkennung von handschriftlichen Zeichen beschränkt, jedoch treten gerade bei der Erkennung handschriftlicher Zeichen die die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bildenden Probleme besonders zutage. Für die Erkennung von handschriftlichen Zeichen ist es nämlich unumgänglich, die Schräge des oder der Zeichen in irgend einer Weise in den Erkennungsprozeß einzubeziehen. Unter Schräge oder Schräglage soll hier die Winkelabweichung von der Senkrechten solcher Zeichenteile verstanden werden, die eigentlich senkrecht verlaufen sollten. Es handelt sich demnach nicht um eine insgesamt vorgenommene Rotation oder Drehung des Zeichens, sondern um eine Drehung von Zeichenteilen, sozusagen eine partielle Rotation.

Es ist bereits bekannt, die Erkennung derartiger, in unbekann-

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ter Schräglage verlaufender Zeichen durch mehrfache Erkennungsabtastung vorzunehmen. Eine solche Mehrfachabstastung erfordert ein entsprechendes Speichervolumen, um die unter verschiedenen Abtastwinkeln gewonnene Information für die spätere Auswertung zu speichern. Berücksichtigt man weiterhin, daß eine Erkennungs-· abtastung notwendigerweise ein relativ hohes Auflösungsvermögen aufweisen muß, so offenbart sich, daß ein solches Verfahren weder bezüglich des zeitlichen noch des materiellen Aufwandes als besonders wirtschaftlich angesehen werden kann. Die sich daraus herleitende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine schnelle und einfache Ermittlung des günstigsten Abtastwinkels - darunter soll sowohl der Winkel eines Abtastrasters als auch der "Einstellwinkel'¹ einer Erkennungs logik verstanden werden - möglich ist. Weiterhin soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem eine einfache Auswahl aus einer Anzahl von vorgebbaren Schräglagewinkeln bzw. -Winkelbereichen ermöglicht wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt sich die Aufgabe, ohne großen zusätzlichen Aufwand und möglichst unter Verwendung bereits in der Einrichtung zur Zeichenerkennung vorhandener Bauteile, eine Vorrichtung zur Auswahl und Einstellung eines Abtastrasters und/oder einer Erkennungslogik anzugeben.

Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das sich dadurch auszeichnet, daß ein vorgegebener Bereich des Aufzeichnungsträgers abgetastet und digitalisiert wird, daß die digitale Darstellung des Abtastergebnisses anhand vorgegebener Kriterien untersucht und so zumindest näherungsweise die Schräglage des oder der im vorgegebenen Bereich des Aufzeichnungsträgers befindlichen Zeichen ermittelt wird, und daß das Abtastraster und/oder die Erkennungslogik auf diese Schräglage eingestellt wird bzw. werden.

Dabei kann das Verfahren so ausgebildet sein, daß jedes Zeichen oder jeder Aufzeichnungsträgerbereich einer Vorabtastung zur Ermittlungs der Zeichenschräglage und einer nachfolgenden Er-

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kennungsabtastung unterworfen wird. Es kann jedoch auch so vorgegangen werden, daß aus der oder den Schräglagen bereits abgetasteter Zeichen auf die Schräglage des oder der nachfolgend abzutastenden Seichen geschlossen wird und daß das Abtastraster und/ oder die Erkennungsiogik auf diese vermutete Schräglage eingestellt wird bzw. werden.

Eine Vorrichtung, die die Durchführung des genannten Verfahrens erlaubt, zeichnet sich dadurch aus, daß ein Speicher zur Aufnahme der digitalen Darstellung des Abtastergebnisses vorgesehen ist, daß an diesen Speicher logische Schaltkreise angeschlossen sind, die die zumindest näherungsweise Ermittlung der Schräglage des oder der abgetasteten Zeichen durchführen und daß die logischen Schaltkreise mit Entscheidungsschaltungen verbunden sind, deren Ausgangssignale auf eine Steuerschaltung für die das Abtastraster auf dem Aufzeichnungsträger erzeugende Strahlablenkung einwirken oder eine Erkennungslogik entsprechend der ermittelten oder vermuteten Schräglage einstellen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieser Vorrichtung besteht darin, daß die Schaltkreise zur Schräglagebestimmung aus einer Anzahl logischer Grundschaltungen bestehen, deren Eingänge an Speicherstellen des matrixartig aufgebauten Speichers zur Aufnahme der digitalen Darstellung angeschlossen sind, und deren Ausgangssignale signifikant für einzelne Schräglagen oder -bereiche sind und daß die Ausgänge der Schaltkreise ggf. über Pufferspeicher und/oder Torschaltungen mit Zählern verbunden sind, die die Häufigkeit der aufgetretenen Schräglagen anzeigen. Diese Vorrichtung kann noch weitergebildet werden dadurch, daß die Ausgänge der Zähler mit einem Vergleicher verbunden sind, dessen Ausgangssignal den Zähler mit dem höchsten Stand identifizieren und der Steuerschaltung zugeführt werden.

Die nachfolgende detaillierte Beschreibung erläutert im Zusammenhang mit den Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Gleichzeitig ist dieser Beschreibung eine

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Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner Merkmale und entnehmen.

Auf den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 das schematisierte Blockschaltbild einer Einrichtung zur Zeichenerkennung unter Verwendung der Erfindung,

Fig. 2a und 2b eine Darstellung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3a, 3b eine Auswahl der zur Schräglagebestimmung an- und 3c gewandten Verknüpfungen,

Fig. 4 eine detaillierte Darstellung eines Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung zur optischen Zeichenerkennung werden Zeichen, die sich auf einem Aufzeichnungsträger 3 befinden, mittels einer einen Lichtfleck erzeugenden Kathodenstrahlröhre 5 und eines den remittierten Lichtstrom aufnehmenden Photoelektronenvervielfachers 9, also mittels eines bekannten Lichtpunktabtasters, abgetastet. Der Strahl der Kathodenstrahlröhre 5 wird durch die Ablenksteuerung 7 zur Bildung eines Abtastmusters oder -rasters entsprechend abgelenkt. Das remittierte Lichtsignal wird von einem optoelektrischen Wandler, beispielsweise dem Photoelektronenvervielfacher 9 in elektrische Signale umgewandelt, die einer Video-Vorverarbeitungseinheit 11 zugeführt werden. Letztere verstärkt und digitalisiert die Analogsignale. Sie werden danach einem Speicher in Form einer Video-Datenmatrix 13 zugeführt, in den sie unter Steuerung einer Zeit- und Abtast-Steuereinheit 15 eingespeichert werden. Die Speicherung erfolgt in der Form, daß in der Matrix 13 eine zweidimensional Darstellung des abgetasteten Zeichens enthalten ist. Realisiert wird dies durch eine große Anzahl von einzelnen Speicherelementen, in die die digitalisierten Videodaten selektiv so eingege-EN 972 027

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ben werden, daß am Ende eines Abtastzyklus sich im Speicher quasi eine elektrische Darstellung der abgetasteten Aufzeichnungsträgerfläche befindet.

Mit ausgewählten Elementen der Speichermatrix 13 sind die Eingänge von Verknüpfungsschaltungen 16 verbunden, die zur Zeichenerkennung dienen. Von dieser werden Ausgangssignale an einen Benutzer 17 abgegeben, der beispielsweise als Bildschirmeinheit oder Drucker ausgebildet sein kann.

Bis zu diesem Punkt handelt es sich bei der dargestellten Einrichtung um eine durchaus konventionelle Art; es konnte daher auf die Darstellung von Einzelheiten verzichtet werden, umsomehr, als diese keinen wesentlichen Teil der vorliegenden Erfindung bilden.

Handelt es sich bei den abzutastenden und zu erkennenden Zeichen um solche handschriftlicher Art, also beispielsweise um handschriftliche Zahlen, so ist bekannt, daß diese normalerweise eine gewisse Schräglage gegenüber der Vertikalen aufweisen. Die Begründung liegt darin, daß es für den Menschen offensichtlich bequemer ist, leicht schräg zu schreiben. Dabei variiert allerdings der Schräglagewinkel von nahezu senkrechter Schrift (also 90° gegenüber der Zeilenebene als Referenzlinie) bis zu einer Schräglage von 45 oder 50° gegenüber der Horizontalen. Statistische Studien haben weiterhin gezeigt, daß ca. 95 % der handgeschriebenen Ziffern eine Neigung nach rechts haben.

Bisher ist es üblich gewesen, diese Zeichen durch vertikale Abtastlinien abzutasten. Eine einfache Überlegung zeigt nun - man vergleiche hierzu Fig. 2a -, daß die Benutzung vertikaler Abtastlinien für die Abtastung und Erkennung möglicherweise schrägliegender Zeichen zu einer Überlappung zwischen zwei Zeichen führen kann, die die Trennung und Erkennung der Zeichen

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erschwert oder gänzlich unmöglich macht- Außerdem bedingt bereits die Schräglage eines einzelnen Zeichens eine Erschwernis bei der Zeichenerkennung, da bei der Entwicklung der Erkennungslogik meist von der Erkennung senkrechter Zeichen ausgegangen wird.

Eine festeingestellte Neigung sowohl des Äbtast- wie des Erkennungssystems vermag zwar die Abtastung und Erkennung von gleichmäßig geneigten Zeichen (beispielsweise DIN-Schrift) zu lösen, nicht jedoch die Verarbeitung handschriftlicher Zeichen, die ja zumindest von Schreiber zu Schreiber, wenn nicht gar von Zeichen zu Zeichen Unterschiede der Schräglage aufweisen können.

Das vorliegende Ausführungsbeispiel der Erfindung löst diese Aufgabe in der Weise, daß die in der Speichermatrix enthaltende Zeichendarstellung, die während einer vorher durchgeführten Abtastung gewonnen wurde, mittels logischer Verknüpfungsschaltkreise untersucht wird. Diese Schaltkreise sind als Zeichenwinkellogik 19 in Fig. 1 schematisch dargestellt. Ihre Eingangsleitungen sind mit spezifischen Speicherstellen der Matrix 13 verbunden. Die Anordnung der Schaltkreise wurde nun so gewählt, daß sie eine Untersuchung der Schräglage der im Speicher enthaltenen Zeichen erlaubt. Dabei kann die Schräglage in zwei oder mehrere Klassen eingeteilt werden; im vorliegenden Beispiel sind drei Schräglage-Klassen gewählt. Für jeden Fall, in dem die logischen Erfordernisse einer Schräglage-Klasse erfüllt sind, wird der entsprechende Zähler der Zählergruppe 21 weitergeschaltet. . Diese Zähler sind von konventioneller Art und enthalten demnach nach Abtastung eines oder mehrerer Zeichen sich auf die Schräglage von Zeichen oder Zeichenteilen beziehende Zählsummen. Nach der Abtastung eines oder mehrerer Zeichen werden die Zählerstände von einem Vergleicher 23 abgetastet, der denjenigen Zähler bestimmt, der den höchsten Stand aufweist. Dieser Zähler zeigt nun an, daß die meisten Zeichensegmente in dem ihm zugeordneten Winkelbereich gefunden wurden. Das Ausgangssignal des Vergleichers 23 wird auf eine entsprechende Steuerschaltung 25 gegeben, die von der Zeit- und Abtaststeuerung 15 überwacht wird.

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Die Steuerschaltung 25 beeinflußt die Ablenksteuerung 7, die daraufhin ein Abtastraster erzeugt, welches die Schräglage aufweist, die als am häufigsten auftretende gefunden wurde.

Durch die Abtastung der auf dem Aufzeichnungsträger 3 befindlichen Zeichen mit einem Abtastraster, der der Schräglage des Zeichens angepaßt wird, wird das Auftreten von Überlappungen zwischen benachbarten Zeichen reduziert oder gänzlich eliminiert, wodurch die Anzahl der Fehler ebenso wie die Komplexität der logischen Erkennungsschaltungen verringert werden.

Die Fign. 2a und 2b illustrieren diesen Sachverhalt. In Fig. 2a ist das aus einem Strich bestehende Zeichen "1" in einem Winkel von ungefähr 50° geschrieben worden. Demgegenüber wurde das Zeichen "4" mit ungefähr 60° Schräglage geschrieben. Die beiden Zeichen liegen so eng beieinander, daß eine Überlappung, die in der Figur besonders bezeichnet ist, auftritt. Dem Fachmann ist klar, daß diese Überlappung sowohl die Trennung als auch die Erkennung der Zeichen stört.

Wendet man nun das beschriebene Verfahren auf die in Fig. 2a dargestellten Zeichen an, so wird sich eine vorliegende Zeichenschräglage von 60° ergeben. Unter diesen Umständen werden die Zahlen, wie in Fig. 2b dargestellt, erscheinen. Dabei besitzt die "1" eine Schräglage von 76°, während die Ziffer "4" als senkrecht geschrieben, d. h. im 90°-Winkel erscheint. Es sei darauf hingewiesen, daß die horizontalen Zeichenteile keiner Veränderung unterliegen.

Die verschiedenen Winkelbeziehungen können mathematisch durch die Gleichung

R = cot"¹ (cot W - cot S).
Darin bedeuten W: ursprünglicher Winkel des Liniensegments,

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S: gewählter Abtastwinkel, R: resultierender Winkel des Liniensegments. Dabei sind alle Winkel, wie in den Fign. dargestellt, entgegen dem Uhrzeigersinn von einer nach rechts verlaufenden Horizontalen aus gemessen worden. Unter Annahme der in Fig. 2a gezeigten Anordnung, bei der W = 5O° und S = 60°, ergibt sich für R = cot"¹ (cot 50° - cot 60°) =76°. Dies ist in Fig. 2b dargestellt.

Wie oben bereits erwähnt, wird die Verteilung der Liniensegmente bestimmt durch Analyse der Positionen schwarzer und weißer Flächenteile, die die Matrixpositionen des Speichers besetzen. In den Fign. 3a, 3b und 3c sind drei solcher möglichen Muster dargestellt. Diejenigen Bereiche, die durch eine "1" dargestellt sind, repräsentieren schwarze Flächen, während die mit einer "O" beschrifteten Teile weiße Flächenbereiche darstellen sollen. In Fig. 3a sind beispielsweise 7 Spalten für die Untersuchung auf Schwarzinformation vorgesehen. In der rechten oberen Ecke sind die Ausgänge von vier übereinanderliegenden Speicherstellen über eine ODER-Schaltung miteinander verbinden; die Anwesenheit eines schwarzen Flächenbereichs in einer der Speicherstellen ergibt demnach ein Ausgangssignal der ODER-Schaltung. In den nach links folgenden sieben Spalten sind jeweils drei Speicherstellen durch eine ODER-Schaltung zusammengefaßt. Die Ausgangssignale der ODER-Schaltungen, die jeder Spalte zugeordnet sind, werden auf eine UND-Schaltung gegeben und sollen noch mit einer Anzeige verknüpft werden, die besagt, daß die untere rechte Ecke nur aus weißen Flächenbereichen und die obere linke Ecke zumindest nicht nur aus schwarzen Bereichen besteht. Falls diese Bedingungen zutreffen, wird das Ausgangssignal der Schaltung anzeigen, daß die Schräglage des Liniensegments innerhalb eines Winkels von 50° bis 65° gegenüber der Horizontalen liegt.

Ähnliche Messungen werden für Liniensegmente durchgeführt, die zwischen 65° und 75° gegenüber der Horizontalen geneigt sind. Dies ist in Fig. 3b dargestellt. In Fig. 3c ist die Anordnung gezeigt, die für die Überprüfung eines 90°-Winkels benutzt wird.

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Die genauen Schaltungen zur Durchführung solcher logischen Verknüpfungen sind nicht gezeigt, da es dem Fachmann keine Schwierigkeit bereitet, sie auszulegen.

In Fig. 4 sind Details eines Teils der in Fig. 1 gezeigten Schaltung dargestellt. Durch diese Schaltung wird die Bestimmung und Auswahl der für das Abtastraster zu verwendenden Schräglage durchgeführt. Dabei wird von vorhergehenden Abtastungen auf die erforderliche Schräglage des nachfolgend benutzten Abtastrasters geschlossen.

Die dafür benutzten Verknüpfungsschaltungen sind symbolisch als UND-Schaltungen 51, 53 und 55 dargestellt. Sie dienen zur Durchführung der 60°-, 70°- und 90°-Messung. Die AusgangesignaIe
dieser UND-Schaltungen werden puffernden Verriegelungsschaltungen 61, 63 und 65 zugeführt. Diese werden jeweils dann zurückgestellt, wenn eine neue Spur ("Spuranfang") begonnen wird. Während des
Durchfahrens einer Spur oder Abtastlinie wird die entsprechende Verrieglungsschaltung mit einem Eingangssignal beaufschlagt, sobald eine der logischen Verknüpfungen erfüllt ist. Ein solches Eingangssignal bewirkt eine Umschaltung des Puffers in die Einstellung. Am Ende einer Abtastung wird über Leitung 67 ein Signal auf die UND-Schaltungen 71, 73 und 75 gegeben, deren zweite Eingänge mit den Ausgängen der drei Verriegelungsschaltungen 61, 63 und 65 verbunden sind. Das auf Leitung 67 gegebene Signal
ist in der Figur mit "Spurende" bezeichnet.

Sobald demnach die Abtastung einer Spur beendet ist, werden die VerrieglungsSchaltungen abgetastet und ihre möglicherweise vorhandenen Inhalte bringen die zugeordneten Zähler 81, 83 und 85 ggf. zum Weiterschalten. Diese Zähler - sie sind in der Figur
als 60°-, 70°-, 70°- und 90°-Zähler bezeichnet - besitzen eine vorgegebene Zählkapazität. In der Figur sind sie als sechsstellige binäre Zähler dargestellt. Bei der Abtastung eines neuen
Aufzeichnungsträgers wird auf Leitung 88 ein Signal "neuer Aufzeichnungsträger" gegeben, das zu einer Rückstellung der Zähler-

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- 10 -Inhalte führt.

Betrachtet man die Gesamtfunktion der in Fig. 4 dargestellten Schaltung, so ergibt sich, daß während der Vorabtastüng über die den Schräglagen zugeordneten Verriegelungsschaltungen 61, 63 und 65 die Zählerinhalte jeweils beim Auftreten von Iiiniensegmenten in der entsprechenden Schräglage aufgefüllt werden. Die Zählerstände zeigen demnach die Häufigkeit des Auftretens einer Schräglage an. Die Ausgangssignale der drei Zähler werden einem Vergleicher 91 zugeführt, der die Zähler beim Auftreten eines Signals "Aufzeichnungsträger-Ende" auf Leitung 93 abtastet. Diese Abtastung erfolgt demnach, sobald ein Aufzeichnungsträger oder ein Äufzeichnungsträgerbereich vollständig abgetastet wurde. Auf einer der Ausgangsleitungen 1Ol, 1O3 oder 105 erscheint dann ein entsprechendes Ausgangssignal des Vergleichers 91. Dieses Ausgangssignal wird der in Fig. 1 dargestellten Steuerschaltung zugeführt, wodurch die Ablenksteuerung 7 so auf das Abtastraster einwirkt, daß dessen Schräglage entsprechend der ermittelten Schräglage des Zeichens eingestellt wird.

Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es demnach möglich, auch solche Zeichen abzutasten, die untereinander verschiedene Schräglagen aufweisen, wie dies allgemein bei handschriftlichen Zeichen der Fall zu sein pflegt.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zur Einstellung eines Abtastrasters und/oder einer Erkennungslogik auf die Schräglage von abzutastenden bzw. zu erkennenden, auf einem Aufzeichnungsträger befindlichen, insbesondere handschriftlichen Zeichen, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorgegebener Bereich des Aufzeichnungsträgers abgetastet und digitalisiert wird, daß die digitale Darstellung des Abtastergebnisses anhand vorgegebener Kriterien untersucht und so zumindest näherungsweise die Schräglage des oder der im vorgegebenen Bereich des Aufzeichnungsträger befindlichen Zeichen ermittelt wird und daß das Abtastraster und/oder die Erkennungslogik auf diese Schräglage eingestellt wird bzw. werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Zeichen oder jeder Aufzeichnungsträgerbereich einer Vorabtastung zur Ermittlung der Zeichenschräglage und einer nachfolgenden Erkennungsabtastung unterworfen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der oder den Schräglagenbereits abgetasteter Zeichen auf die Schräglage des oder der nachfolgend abzutastenden Zeichen geschlossen wird und daß das Abtastraster und/oder die Erkennungslogik auf diese vermutete Schräglage eingestellt wird bzw. werden.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicher (13) zur Aufnahme der digitalen Darstellung des Abtastergebnisses vorgesehen ist, daß an diesen Speicher logische Schaltkreise (19) angeschlossen sind, die die zumindest näherungsweise Ermittlung der Schräglage des oder der abgetasteten Zeichen durchführen und daß die logischen Schaltkreise (19) mit Entscheidungsschaltungen (21, 23) verbunden sind, deren Ausgangssignale auf eine Steuerschaltung (7) für

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die das Abtastraster auf dem Aufzeichnungsträger (3) erzeugende Strahlablenkung einwirken oder eine Erkennungslogik entsprechend der ermittelten oder vermuteten Schräglage einstellen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet/ daß die Schaltkreise zur Schräglagebestimmung (19) aus einer Anzahl logischer Grundschaltungen (51, 53, 55) bestehen, deren Eingänge an Speicherstellen des matrixartig aufgebauten Speichers (13) zur Aufnahme der digitalen Darstellung angeschlossen sind, und deren Ausgangssignale signifikant für einzelne Schräglagen oder Schräglagenbereiche sind, und daß die Ausgänge der Schaltkreise (19) ggf. über Pufferspeicher (61, 63, 65) und/oder Torschaltungen (71, 73, 75) mit Zählern (81, 83, 85) verbunden sind, die die Häufigkeit der aufgetretenen Schräglagen von Zeichen oder Zeichenteilen anzeigen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Zähler (81, 83, 85) mit einem Vergleicher (23) verbunden sind, dessen Ausgangssignale den Zähler mit dem höchsten Stand identifizieren und der Steuerschaltung (25) zugeführt werden.

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