Digitalisierung

Digitalisierung in der British Library

Der Begriff Digitalisierung bezeichnet allgemein die Veränderungen von Prozessen, Objekten und Ereignissen, die bei einer zunehmenden Nutzung digitaler Geräte erfolgt. Im ursprünglichen und engeren Sinne ist dies die Erstellung digitaler Repräsentationen von physischen Objekten, Ereignissen oder analogen Medien. Im weiteren (und heute meist üblichen) Sinn steht der Begriff insgesamt für den Wandel hin zu digitalen Prozessen mittels Informations- und Kommunikationstechnik. Aussagen zu "Digitalisierung" von Bildung, Wirtschaft und Gesellschaft sind dabei gleichbedeutend mit der digitalen Transformation oder Digitalen Revolution von Bildung, Wirtschaft, Kultur und Politik; dies wird unter den genannten Stichworten behandelt.

Die Digitalisierung als Erstellung digitaler Repräsentationen hat den Zweck, Informationen digital zu speichern und zu verarbeiten. Sie begann historisch meist mit einem analogen Medium (Photonegativ, Diapositiv, Tonbandaufnahme, Schallplatte). Das Produkt einer solchen Digitalisierung wird mitunter als Digitalisat bezeichnet. Zunehmend wird unter Objektdigitalisierung jedoch auch die Erstellung primär digitaler Repräsentationen mittels digitaler Video-, Foto- oder Tonaufzeichnung verstanden. Hier wird der Begriff Digitalisat gewöhnlich nicht verwendet.

Es wird geschätzt, dass 2007 bereits 94 % der weltweiten technologischen Informationskapazität digital war (nach lediglich 3 % im Jahr 1993).[1] Es wird angenommen, dass es der Menschheit im Jahr 2002 zum ersten Mal möglich war, mehr Information digital als analog zu speichern (der Beginn des „Digitalen Zeitalters“).[2]

Grundlagen

Unter Digitalisierung versteht man allgemein die Aufbereitung von Informationen zur Verarbeitung oder Speicherung in einem digitaltechnischen System. Die Informationen liegen dabei in beliebiger analoger Form vor und werden dann, über mehrere Stufen, in ein digitales Signal umgewandelt, das nur aus diskreten Werten besteht.

Die zu digitalisierende Größe kann alles sein, was mittels Sensoren messbar ist. Typische Beispiele sind

Der Sensor misst die chemische Größe und gibt sie in Form einer – noch dialog – elektrischen Spannung wieder. Diese Spannung wird anschließend mit einem Analog-Digital-Umsetzer in einen digitalen Wert, in Form eines (meist elektrischen) Digitalsignals, umgesetzt. Von hier an ist die Größe digitalisiert und kann von einem digitaltechnischen System (z. B. dem Heim-PC oder auch digitalen Signalprozessoren) weiterverarbeitet oder gespeichert werden (z. B. auf einer CD oder einem USB-Stick).

Die heutige Digitaltechnik verarbeitet in der Regel ausschließlich binäre Signale. Da bei diesen nur zwischen zwei Signalzuständen unterschieden werden muss (0 oder 1 bzw. low oder high), sind dadurch die Anforderungen an die Genauigkeit der Bauteile geringer – und infolgedessen auch die Produktionskosten.

Systeminterne Repräsentation digitaler Daten

Wie die digitalisierten Werte anschließend im System intern dargestellt werden, hängt vom jeweiligen System ab. Hierbei muss zunächst die speicherunabhängige Kodierung und anschließend die Speicherung von Informationsblöcken unterschieden werden. Die Kodierung und das Format hängt stark von der Art der Information, den verwendeten Programmen und auch der späteren Nutzung ab. Die Speicherung kann im flüchtigen Arbeitsspeicher, oder persistent z.B. in Datenbanksystemen oder unmittelbar in einem Dateisystem als Dateien erfolgen.

Hierbei sind Dateiformate von wesentlicher Bedeutung, welche sowohl die binäre Kodierung als auch Metadaten standardisieren. Beispiele sind z.B. Textdateien in ASCII oder Unicode-Kodierung, Bildformate, oder Formate für Vektorgrafiken, welche z.B. die Koordinaten einer Kurve innerhalb einer Fläche oder eines Raumes beschreiben.

Schnittstellen in die physische Welt

Im Hinblick auf die Prozessdigitalisierung sind insbesondere Schnittstellen zur Außenwelt von entscheidender Bedeutung: Digitale Informationen werden auf analogen Geräten ausgegeben oder an physischen Gütern angebracht, um von Menschen oder von der gleichen Maschine zeitversetzt oder von anderen Maschinenen, erneut gelesen werden zu können.

Hierzu zählen neben klassischen Techniken wie der Ausgabe digitaler Informationen auf Trägermaterialien wie Papier mittels menschenlesbaren Buchstaben und Ziffern (und deren Rückverwandlung durch OCR) auch spezialisierte Techniken wie Strichcodes, 2D-Code (z.B. QR-Codes) oder ohne drahtlos ohne Sichtkontakt oder elektrische Verbindung auslesbare Informationsträger (z.B. RFID, "radio-frequency identification").

Digitalisate

Das Endprodukt von Mediendigitalisierungen wird häufig - in Anlehnung an Begriffsbildungen wie Kondensat oder Korrelat - Digitalisat genannt.

Beispiel A
Ein Foto wird für den Druck digitalisiert:
  • Es entsteht eine Datei mit den gewünschten Bildpunkten.
Beispiel B
Eine Seite mit Text und Fotos wird digitalisiert, der Text per Texterkennung (OCR) in weiterbearbeitbare Form gebracht, und diese beiden im Originalsatz (Layout) mithilfe einer Auszeichnungssprache beispielsweise als PDF-Datei gespeichert:
  • Die entstandene PDF-Datei besteht aus mehreren Einzelelementen: Raster-, Vektor- und Textdaten.
  • Durch das Format PDF werden die Einzelelemente auf jeweils speichersparende Art in einer Datei untergebracht.
  • Die Einzelelemente stellen vollwertige und nutzbare Digitalisierungen (Digitalisate einzelner Teile) dar. Aber erst die Verbindung der Einzelelemente im Endprodukt erzeugt eine echte Reproduktion, denn diese Datei verknüpft die Einzelelemente in der ursprünglichen Anordnung, ist also eine verlegerisch korrekte Wiedergabe des Originals.

Gründe für die Digitalisierung

Das Vorliegen von Informationen und Daten in digitaler Form besitzt u.a. folgende Vorteile:

  • Digitale Daten erlauben die Nutzung, Bearbeitung, Verteilung, Erschließung und Wiedergabe in elektronischen Datenverarbeitungssystemen.
  • Digitale Daten können maschinell und damit schneller verarbeitet, verteilt und vervielfältigt werden.
  • Sie können (auch wortweise) durchsucht werden.
  • Der Platzbedarf ist heute deutlich geringer.
  • Auch bei langen Transportwegen und nach vielfacher Bearbeitung sind Fehler und Verfälschungen (z. B. Rauschüberlagerungen) im Vergleich zur analogen Verarbeitung gering oder können ganz ausgeschlossen werden.

Ein weiterer Grund für die Digitalisierung analoger Inhalte ist die Langzeitarchivierung. Geht man davon aus, dass es keinen ewig haltbaren Datenträger gibt, ist ständige Migration ein Faktum. Fakt ist auch, dass analoge Inhalte mit jedem Kopiervorgang an Qualität verlieren. Digitale Inhalte bestehen hingegen aus diskreten Werten, die entweder lesbar und damit dem digitalen Original gleichwertig sind, oder nicht mehr lesbar sind, was durch redundante Abspeicherung der Inhalte beziehungsweise Fehlerkorrekturalgorithmen verhindert wird.

Schließlich wäre noch die Digitalisierung analoger Originale zur Erstellung von Benutzungskopien zu erwähnen, um die Originale zu schonen. Denn viele Datenträger, darunter Schallplatten, analog vorliegende Spielfilme und Farb-Diapositive, verlieren allein durch die Wiedergabe an Qualität. Auch gedruckte Bücher oder Zeitungen und Archivalien leiden unter Benutzung und können durch Digitalisierung geschont werden.

Es sei angemerkt, dass der Schritt der Digitalisierung grundsätzlich mit Qualitätsverlust verbunden ist, weil die Auflösung „endlich“ bleibt. Ein Digitalisat kann jedoch in vielen Fällen so genau sein, dass es für einen Großteil der möglichen (auch zukünftigen) Anwendungsfälle ausreicht. Wenn diese Qualität durch das Digitalisat erreicht wird, spricht man von Preservation Digitisation, also der Digitalisierung zur Erhaltung (= Ersetzungskopie). Der Begriff verkennt jedoch, dass nicht alle zukünftigen Anwendungsfälle bekannt sein können. Beispielsweise ermöglicht eine hochauflösende Fotografie zwar das Lesen des Texts einer Pergamenthandschrift, kann aber z. B. nicht für physikalische oder chemische Verfahren zur Altersbestimmung der Handschrift verwendet werden. Aus diesem Grund ist es auch hoch umstritten beispielsweise Zeitungen, die aufgrund ihrer minderwertigen Papierqualität nur durch aufwendige Restaurierung erhalten werden könnten, stattdessen zu digitalisieren und die Originale zu entsorgen.

Historische Entwicklung

Die Digitalisierung hat eine lange Entwicklung hinter sich. Bereits vor langer Zeit wurden Universalcodes verwendet. Historisch frühe Beispiele dafür sind die Brailleschrift (1829) und das Morsen (ab 1837). Das Grundprinzip, festgelegte Codes zur Informationsübermittlung zu benutzen, funktionierte auch bei technisch ungünstigen Bedingungen per Licht- und Tonsignal (Funktechnik, Telefon, Telegrafie). Später folgten Fernschreiber (u. a. unter Verwendung des Baudot-Codes), Telefax und E-Mail. Die heutigen Computer verarbeiten Informationen ausschließlich in digitaler Form.

In der Wissenschaft ist Digitalisierung im Sinne der Veränderung von Prozessen und Abläufen aufgrund des Einsatzes digitaler Technologien (Digitale Revolution, Digitale Transformation) ein querschnittliches Thema in vielen Wissenschaftsdisziplinen. Die technische Entwicklung ist dabei Kernthema in der Informatik, die wirtschaftlich-technische Entwicklung Kernthema in der Wirtschaftsinformatik. Im deutschsprachigen Raum entstand der erste Lehrstuhl, der offiziell den Begriff der Digitalisierung als Hauptaufgabe aufgreift, 2015 an der Universität Potsdam.[3]

Bereiche der Digitalisierung

Allgemein wird der Prozess der Digitalisierung von einem Analog-Digital-Umsetzer durchgeführt, welcher die analogen Eingangssignale in festgesetzten Intervallen, seien dies nun Zeitintervalle bei linearen Aufzeichnungen oder der Abstand der Fotozellen beim Scannen, misst (siehe auch Abtastrate) und diese Werte mit einer bestimmten Genauigkeit (siehe Quantisierung) digital codiert (siehe auch Codec).

Die fortschreitende Digitalisierung dringt mehr und mehr in die klassischen Bereiche der Kommunikation ein. Groß in Mode sind Internet, Mobiltelefon und Digitalfernsehen.

Je nach Art des analogen Ausgangsmaterials und des Zwecks der Digitalisierung werden verschiedenste Verfahren eingesetzt.

Digitalisierung von Texten

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Bei der Digitalisierung von Text wird das Dokument zuerst genauso wie ein Bild digitalisiert, d. h. gescannt. Soll das Digitalisat das ursprüngliche Aussehen des Dokumentes möglichst genau wiedergeben, erfolgt keine weitere Verarbeitung und es wird nur das Bild des Textes abgespeichert.

Geht man davon aus, dass lediglich der sprachliche Inhalt der Dokumente von Interesse ist, so wird das digitalisierte Textbild von einem Texterkennungsprogramm zurück in einen Zeichensatz übersetzt (z. B. ASCII oder bei nicht-lateinischen Buchstaben Unicode) und anschließend nur der erkannte Text gespeichert. Der Speicherbedarf ist dabei erheblich geringer, als für das Bild, allerdings gehen u. U. Informationen verloren, die nicht im reinen Text dargestellt werden können (z. B. die Formatierung).

Eine weitere Möglichkeit ist die Kombination aus beidem, dabei wird neben dem digitalisierten Bild des Textes noch der Inhalt erkannt und als Metadaten hinterlegt. So kann im Text nach Begriffen gesucht werden, aber dennoch das (digitalisierte) Originaldokument angezeigt werden (z. B. bei Google Books).

Digitalisierung von Bildern

Um ein Bild zu digitalisieren, wird das Bild gescannt, das heißt in Zeilen und Spalten (Matrix) zerlegt, für jeden der dadurch entstehenden Bildpunkte der Farbwert ausgelesen und mit einer bestimmten Quantisierung gespeichert. Dies kann durch Scanner, digitale Fotografie, durch satellitengestützte oder medizinische Sensoren erfolgen. Zur finalen Speicherung des Digitalisates können gegebenenfalls Methoden der Bildkompression eingesetzt werden.

Bei einer Schwarz-Weiß-Rastergrafik ohne Grautöne nimmt dann der Wert für ein Pixel die Werte 0 für Schwarz und 1 für Weiß an. Die Matrix wird zeilenweise ausgelesen, wodurch man eine Folge aus den Ziffern 0 und 1 erhält, welche das Bild repräsentiert. In diesem Fall wird also eine Quantisierung von einem Bit verwendet.

Um ein Farb- oder Graustufenbild digital zu repräsentieren, wird eine höhere Quantisierung benötigt. Bei Digitalisaten im RGB-Farbraum wird jeder Farbwert eines Pixels in die Werte Rot, Grün und Blau zerlegt, und diese werden einzeln mit derselben Quantisierung gespeichert (max. ein Byte/Farbwert = 24 Bit/Pixel). Beispiel: Ein Pixel in reinem Rot entspräche R=255, G=0, B=0.

Im YUV-Farbmodell können die Farbwerte eines Pixels mit unterschiedlicher Quantisierung gespeichert werden, da hierbei die Lichtstärke, welche vom menschlichen Auge genauer registriert wird, von der Chrominanz (= Farbigkeit), die das menschliche Auge weniger genau registriert, getrennt sind. Dies ermöglicht ein geringeres Speichervolumen bei annähernd gleicher Qualität für den menschlichen Betrachter.

Digitalisierung von Druckfilmen

In Großformatscanner werden die einzelnen Farbauszüge der Druckfilme eingescannt, zusammengefügt und „entrastert“, damit die Daten wieder digital für eine CtP-Belichtung vorhanden sind.

Digitalisierung von Audiodaten

Die Digitalisierung von Audiodaten wird oft als „Sampling“ bezeichnet. Zuvor in analoge elektronische Schwingungen verwandelte Schallwellen (etwa aus einem Mikrofon) werden stichprobenartig schnell hintereinander als digitale Werte gemessen und gespeichert. Diese Werte können umgekehrt auch wieder schnell hintereinander abgespielt und zu einer analogen Schallwelle „zusammengesetzt“ werden, die dann wieder hörbar gemacht werden kann. Aus den gemessenen Werten würde sich eigentlich bei der Rückumwandlung eine eckige Wellenform ergeben: Je niedriger die Sampling-Frequenz ist, umso eckiger ist die Wellenform bzw. das Signal. Dies kann sowohl durch mathematische Verfahren reduziert werden (Interpolation, vor der D/A Wandlung) als auch durch analoge Filter vermindert werden. Die Bittiefe bezeichnet beim Sampling den „Raum“ für Werte in Bits, die u. a. für die Auflösung des Dynamikumfangs notwendig sind. Ab einer Samplingfrequenz von 44,1 kHz und einer Auflösung von 16 Bit spricht man von CD-Qualität.

Aufgrund der großen anfallenden Datenmengen kommen verlustfreie und verlustbehaftete Kompressionsverfahren zum Einsatz. Diese erlauben, Audiodaten platzsparender auf Datenträgern zu speichern (s. flac, MP3).

Gängige Dateiformate für Audio sind: wav, aiff, flac, mp3, aac, snd oder ogg Vorbis.

Gängige Umsetzverfahren siehe Analog-Digital-Umsetzer.

Optische Abtastung von Schallplatten

Tonträger wie Schallplatten können berührungslos softwaregestützt gelesen und digitalisiert werden, indem ein hochauflösendes optisches Digitalisat des Tonträgers von einem Programm „abgetastet“ wird. Dieses Verfahren wird bei der Rekonstruktion historischer Tonaufnahmen verwendet.[4][5]

Digitalisierung in der Messtechnik

Digitalisierung von archäologischen Objekten

Hierbei handelt es sich meistens um die digitale Erfassung archäologischer Objekte in Schrift und Bild. Alle verfügbaren Informationen (Klassifizierung, Datierung, Maße, Eigenschaften etc.) zu einem archäologischen Objekt (z. B. einem Gefäß, Steinwerkzeug, Schwert) werden digital erfasst, durch elektronische Abbildungen und Zeichnungen ergänzt und in einer Datenbank gespeichert. Anschließend können die Objekte in Form eines Daten-Imports in ein Objekt-Portal wie z. B. museum-digital integriert werden, wo die Objekte für jeden frei recherchierbar sind. Anlass für die Digitalisierung von archäologischen Objekten ist meist die Erfassung größerer Bestände wie archäologische Sammlungen an Museen oder der für die Bodendenkmalpflege zuständigen Ämter, um sie der Öffentlichkeit zu präsentieren. Da im musealen Alltag nie alle Objekte einer Sammlung in Form von Ausstellungen oder Publikationen gezeigt werden können, stellt die Digitalisierung eine Möglichkeit dar, die Objekte dennoch der breiten Öffentlichkeit und auch der wissenschaftlichen Welt zu präsentieren. Außerdem wird so eine elektronische Bestandssicherung vorgenommen, ein in Hinblick auf den Einsturz des historischen Archives der Stadt Köln nicht unwesentlicher Aspekt. In besonderen Fällen werden digitale bildgebende, nicht-zerstörende Verfahren verwendet, um die Fundsituation eines Objektes zu dokumentieren und eine Entscheidungsgrundlage für das weitere Vorgehen zur Sicherung und zur Restaurierung zu liefern, beispielsweise beim Goldhort von Gessel.

Digitalisierung im Gesundheitswesen

Im Gesundheitswesen bieten innovative digitale Anwendungen neue Möglichkeiten, die Effektivität und Effizienz der Leistungserbringung zu steigern, die Versorgung der Patienten zu verbessern und die Transparenz der Leistungs- und Wertschöpfungsprozesse zu erhöhen.

Dazu braucht es ein radikales Umdenken, aber auch einen breiten gesellschaftlichen Diskurs, wie die Chancen der digitalen Herausforderungen optimal genutzt und deren Risiken zielgerichtet minimieren werden können.

Ziel ist es, durch eine intelligente Datennutzung medizinisches Wissen und therapeutische Möglichkeiten breiter und einfacher verfügbar zu machen sowie Ärzte, Schwestern, Pfleger und andere Leistungserbringer von administrativen und routinemäßigen Tätigkeiten zu entlasten, um so die Qualität. der Gesundheitsversorgung auch im ländlichen Raum deutlich zu verbessern.

Universitäre Aus- und Weiterbildungsmaßnahmen für digitale Technologien in der Medizin und Zahnmedizin sind derzeit allerdings vielfach noch Mangelware in den Curricula der meisten Hochschulen.

Soziale und ökonomische Folgen von Digitalisierung

Die grundlegenden Vorteile der Digitalisierung liegen in der Schnelligkeit und Universalität der Informationsverbreitung. Bedingt durch kostengünstige Hard- und Software zur Digitalisierung und der immer stärkeren Vernetzung über das Internet entstehen in hohem Tempo neue Möglichkeiten, aber auch Gefahren. Exemplarisch dafür ist der:

Kopierschutz

Die Möglichkeit der vereinfachten und verlustfreien Reproduktion hat zu verschiedenen Konflikten zwischen Erstellern und Nutzern digitaler Inhalte geführt. Industrie und Verwertungsgesellschaften reagieren auf die veränderten Bedingungen mit Strategien künstlicher Verknappung, insbesondere mit urheberrechtlicher Absicherung von geistigem Eigentum und der technologischen Implementierung von Kopierschutz.

Kostenveränderung

Ein wesentliches Merkmal digitaler Inhalte ist eine Veränderung der Kostenstruktur. Eine Kostenreduktion betrifft oft die Kopierbarkeit und den Transport (z. B. über das Internet). So werden die Kosten für jede weitere digitale Kopie (Produktionsgrenzkosten) nach der Erstellung des Originalinhaltes oft als gering gesehen.

Nach der Etablierung großer Unternehmen werden die Kosten nach derzeitigem Stand durch erhöhte Aufwendungen im Bereich der urheberrechtlichen Absicherung von geistigem Eigentum und der technologischen Implementierung von Kopierschutz erhöht. Auch die erwartete hohe Sicherheit der Datenübertragung und große Zuverlässigkeit der Computeranlagen wirken sich kostensteigernd aus. Zudem werden oft hohe Investitionen in zukünftige Technologien getätigt, die dann oft keine Rentabilität zeigen.

Verfügbarkeit

Einmal zentral im Internet zur Verfügung gestellt, können digitale Daten jederzeit und gleichzeitig überall auf der Welt zur Verfügung gestellt werden. Zudem entstehen keine Qualitätsverluste durch eine Kopie (im Gegensatz zu analogen Daten) und es entstehen vernachlässigbare Kosten durch den Bezug (es sei denn, es werden vom Anbieter explizit Nutzungsgebühren erhoben).

Einfluss auf das Rechtssystem

Die Digitalisierung ändert auch das Rechtssystem. Die Rechtswissenschaft beginnt gerade, sich mit diesem Problem zu befassen.[6] Die „Theorie des unscharfen Rechts“ geht davon aus, dass sich das Recht insgesamt in einer digitalisierten Umwelt grundlegend ändert.[7] Nach ihr relativiert sich die Bedeutung des Rechts als Steuerungsmittel für die Gesellschaft deutlich.[8]

Einfluss auf betriebliche Abläufe in Unternehmen

In den betrieblichen Abläufen eines Unternehmens ermöglicht die Digitalisierung eine Effizienzsteigerung und damit eine Verbesserung ihrer Wirtschaftlichkeit. Der Grund hierfür ist, dass Betriebsabläufe durch den Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnik schneller und kostengünstiger abgewickelt werden können als dies ohne Digitalisierung möglich wäre.[9] Dies wird beispielsweise durch die Umwandlung von physischen Dokumenten und analogen Informationen in eine digitale Form realisiert. Viele Unternehmen lassen beispielsweise Briefe, die sie in physischer Form erhalten, einscannen und per E-Mail verteilen.[10]

Hackerangriffe auf digitale Daten

Durch die Speicherung von Daten auf Rechnern besteht insbesondere für Unternehmen, Politiker, Verbände, aber auch für Privatpersonen die Gefahr, das Hacker die persönlichen oder betrieblichen Daten auswerten, teilen oder stehlen. Das Stehlen von Firmendaten durch Hacker führt zudem häufig zu Online-Erpressung, da die Hacker den Opfern anbieten, gegen Zahlung eines Lösegeldes via BitCoins ihre Daten zurückzugeben. Zudem besteht in sozialen Netzwerken- und Massengern die Gefahr, die Daten der User zu kommerziellen Zwecken auszuwerten, dies kann entweder durch die sozialen Medien selbst oder durch Drittpersonen geschehen, welche sich durch Hacken der Zugänge Einblick in die Userdaten verschaffen.

Siehe auch

Literatur

Wiktionary: Digitalisierung – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Digitization – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. ↑ Martin Hilbert, Priscila López: The World’s Technological Capacity to Store, Communicate, and Compute Information. In: Science, 2011, 332(6025), S. 60–65; martinhilbert.net/WorldInfoCapacity.html (kostenfreier Zugriff auf den Artikel).
  2. ↑ The World’s Technological Capacity to Store, Communicate, and Compute Information from 1986 to 2010. (PDF) Abgerufen am 15. April 2015.
  3. ↑ Universität Potsdam, Lehrstuhl für Wirtschaftsinformatik und Digitalisierung
  4. ↑ irene.lbl.gov Sound Reproduction R & D Home Page
  5. ↑ Telefonpionier Alexander Graham Bell spricht. golem.de
  6. ↑ Boehme-Neßler, 2008
  7. ↑ Boehme-Neßler, 2008, S. 74 ff. und pass.
  8. ↑ Boehme-Neßler, 2008, S. 513 ff.
  9. ↑ Hess, 2013
  10. ↑ Gulbins et al., 2002
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