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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Darstellung von Bildern sowie
eine zur Durchführung
des Verfahrens geeignete Vorrichtung.
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Bildes hoher Auflösung ist
beispielsweise aus der
EP
0 731 600 B1 bekannt. Hierbei soll ein Bild hoher Auflösung aus
einer Folge von Bewegungsbilder niedriger Auflösung generiert werden.
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Aus
der
EP 0 992 942 B1 ist
ein Verfahren zur Glättung
des Stufen-Effekts in vergrößerten Bildern
geringer Auflösung
bekannt. Bei diesem Verfahren, mit dem das Aussehen eines digitalen
Bildes verbessert werden soll, werden zunächst mehrere durch ein Pixel
verlaufende Linien definiert und anschließend den verschiedenen Linien
zugeordnete Gradientenwerte berechnet. Die Gradientenwerte gehen
schließlich
in die Bestimmung eines neuen Pixelwertes ein.
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Grundlegende
Infomationen zur Digitalisierung von Bildern sowie zur Funktionsweise
handelsüblicher
Bildschirme sind beispielsweise folgender Publikation zu entnehmen:
L. Madrazo: Digital Image, ETH Zürich,
Oct. 1997, 9 Pgs. (http://caad.arch.ethz.ch/teaching/nds/ws98/computing/image/index.html).
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Verschiedene
Möglichkeiten,
aus zwei- oder dreidimensionalen Datensätzen Bilder zu generieren und
diese zu transformieren werden in folgendem Vorlesungsskript detailliert
behandelt: David M. Mount: CMSC 427 Computer Graphics, Pgs. 131, Dept.
of Computer Science, Univ. of Maryland, 2004.
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Mit
Transformationen wie der Rotation von digitalisierten Darstellungen
befasst sich auch folgende Veröffentlichung: C.
F. R. Weimann: Continuous Anti-Aliased Rotation and Zoom of Raster Images,
General Electric, ACM 1980, Pgs. 286-293. Hierbei wird insbesondere
auf die Ezeugung möglichst
glatter Bewegungsabläufe
eingegangen.
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Die
US 5,619,226 A hat
die Transformation von Bildern mit horizontaler und vertikaler Skalierung zum
Gegenstand. In diesem Zusammenhang sind Einzelheiten zur Zusammenwirkung
eines externen Speichers mit einem internen Speicher einer Datenverarbeitungsanlage
offenbart.
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Ein
digitalisiertes Bild, das mittels einer Anzeigevorrichtung, beispielsweise
eines Bildschirms, darzustellen ist, liegt häufig in einer Auflösung vor, welche
höher ist
als die Auflösung
der Anzeigevorrichtung. In einem solchen Fall können Interpolationsfunktionen
genutzt werden, die die Pixelzahl des Bildes herabsetzen. Zwangsläufig geht
damit Information verloren.
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Um
Teile des Bildes mit optimaler Auflösung darzustellen, ist prinzipiell
auch die Möglichkeit
gegeben, den entsprechenden Bildausschnitt vergrößert darzustellen. Der vergrößerte Bereich
wird hierbei entweder allein oder zusammen mit nicht vergrößerten Teilen
des restlichen Bildes dargestellt, wobei in beiden Fällen nicht
die Gesamtinformation des Bildes wiedergegeben wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bild, welches in einer
Auflösung
vorliegt, die höher
als die Auflösung
einer zur Darstellung des Bildes vorgesehenen Anzeigevorrichtung
ist, mit größtmöglichem
Informationsgehalt darzustellen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine
zur Durchführung
dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
10.
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Das
Verfahren geht von einem in digitalisierter Form vorliegenden Bild
aus. Zur Darstellung des Bildes steht eine Anzeigevorrichtung zur
Verfügung, deren
Auflösung
geringer als die Auflösung
des Bildes ist. Die Pixel des angezeigten Bildes werden mit Hilfe
mindestens einer Interpolationsfunktion auf der Basis von Pixeln
des ursprünglichen
Bildes generiert. Als Interpolationsmethoden kommen beispielsweise die ”nearest
neighbor”-Interpolation
oder kubische Splines in Betracht. Das Bild wird jedoch nicht statisch,
sondern zu unterschiedlichen Zeitpunkten in verschiedener Weise
angezeigt. Hierbei werden unterschiedliche Interpolationen durchgeführt, mittels derer
das Bild sukzessive in unterschiedlichen Positionen angezeigt wird.
Da mit jeder Interpolation andere Merkmale des Bildes detaillierter
sichtbar sind, wird das sich zumindest geringfügig verschiebende Bild insgesamt
mit einer Genauigkeit dargestellt, die bei einem statisch wiedergegebenen
Bild nicht erreichbar wäre.
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Diejenigen
Pixel des ursprünglichen
Bildes, die als Quellpixel zur Generierung eines Pixels des Bildes
in der anzeigbaren Auflösung
herangezogen werden, werden als Pixelgruppe bezeichnet. Eine Pixelgruppe,
die zur Generierung eines zu einem bestimmten Zeitpunkt anzuzeigenden
Pixels gebildet wird, ist mit keiner Pixelgruppe identisch, die
zur Bestimmung eines Zielpixels für die letzte vorausgehende
oder für
die nächste
nachfolgende Anzeige des Bildes vorgesehen ist. Auf diese Weise
wird erreicht, dass mit jeder neuen Darstellung des Bildes nicht
nur eine zumindest minimale Ver schiebung des Bildes einhergeht,
sondern in allen Teilen des Bildes auch eine im Vergleich zur unmittelbar
vorausgegangenen Darstellung geänderte
Interpolation. Dies gilt sinngemäß, wie auch
alle übrigen
Aspekte und Weiterbildungen der Erfindung, auch für dreidimensionale Bilddaten.
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Die
zu verschiedenen Zeitpunkten für
die Interpolation gewählten
Pixelgruppen sind auf einfache Weise durch Verschiebung eines beispielsweise rechteckigen,
insbesondere quadratischen, Bereiches des ursprünglichen Bildes ineinander überführbar. Die
Verschiebung von einer Pixelgruppe zur zeitlich nächsten Pixelgruppe
kann durch eine Pixelanzahl ausgedrückt werden. Diese Pixelanzahl,
die das Maß der
Verschiebung in einer bestimmten Richtung, beispielsweise als x-Richtung
oder y-Richtung bezeichnet, angibt, ist vorzugsweise geringer als
der Quotient aus der Auflösung
des ursprünglichen
Bildes in derselben Richtung und der Auflösung des anzeigbaren Bildes,
das heißt
des Zielbildes, in der entsprechenden Richtung. Mit anderen Worten:
Der Quotient aus der Gesamtzahl der Pixel des ursprünglichen
Bildes in derjenigen Dimension, in der die Pixelgruppe verschoben
wird, und der Anzahl der Pixel, um die die Pixelgruppe verschoben
wird, ist größer als
die Gesamtzahl der Pixel des angezeigten Bildes in der entsprechenden
Dimension. Anschaulich bedeutet dies, dass das Bild in einem einzelnen
Schritt um weniger als ein Pixel im Zielbild verschoben wird. Geht
man davon aus, dass die Koordinaten der Anzeigevorrichtung ein ortsfestes
Gitter definieren, wird also das ursprüngliche Bild in sehr kleinen
Schritten unter diesem Gitter verschoben. In bevorzugter Weise entspricht
jeder einzelne Verschiebeschritt lediglich einem Pixel im ursprünglichen
Bild, das heißt
im Quellbild. Damit ist jede einzelne Verschiebung in der Regel
nur mit geringen Änderungen
des dargestellten Bildes verbunden, so dass der Wechsel von einer Darstellung
zur nächsten
Darstellung auf den Betrachter nicht irritierend wirkt, sondern
vielmehr den Detailreichtum des Bildes hervorhebt.
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In
bevorzugter Ausgestaltung wird das angezeigte Bild zyklisch wiederkehrend
in mehreren relativ zueinander versetzten Positionen dargestellt,
wobei die verschiedenen Positionen, in denen das Bild sukzessive
dargestellt wird, eine geschlossene Kurve beschreiben. Die Wiederholfrequenz,
mit der diese Kurve durchlaufen wird, beträgt vorzugsweise zwischen 1
Hz und 12 Hz, so dass die Bewegung des Bildes vom Auge wahrgenommen
werden kann. Auch ein vom menschlichen Auge verfolgbares schrittweises
Verschieben des Bildes auf einer offenen, sich nicht in geplanter
Weise wiederholenden Kurve ist realisierbar.
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Nach
einer alternativen Ausgestaltung erfolgt die Verschiebung des Bildes
derart schnell, dass sie nicht mehr bewusst wahrnehmbar ist. Auch
in diesem Fall kann das Bild beispielsweise auf einer kreisförmigen,
rechteckigen oder stochastischen Bahn verschoben werden. Wesentlich
bei der Wahl der Kurve oder Bahn ist in allen Fällen, dass alle Quellbildpunkte
zu irgendeinem Zeitpunkt im Laufe der Bilddarstellung mit einem
maximalen Beitrag zum Zielbild dargestellt werden.
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Der
Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass durch eine
zyklische, durch den Betrachter erkennbare, geringfügige Bewegung
eines Bildes dessen Detailreichtum über das bei starrer Darstellung
des Bildes erreichbare Maß hinaus
erhöht
wird, ohne das Bild zu verzerren oder Teile des Bildes auszublenden
oder zu verdecken. Anwendbar ist die Erfindung beispielsweise in
der Medizintechnik, etwa bei der Anzeige einer Mammographie auf
einem Standardmonitor. Ebenso können
gemäß der Erfindung
zum Beispiel Stadtpläne
auf Bildschirmen von Mobiltelefonen angezeigt werden, Grafik oder
Text auf kleinen mobilen Geräten
wie MP3-Playern wiedergegeben werden, oder – in sehr viel größeren Dimensionen – Werbegrafiken
auf LED-Displays dargestellt werden. Im letztgenannten Fall wird
durch die ständige
Verschiebung des Bildes in besonders vorteilhafter Weise ein zusätzlicher,
die Aufmerksamkeit steigernder Effekt erzielt.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
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1 Ein
Bildverarbeitungssystem, welches die Darstellung eines Bildes hoher
Auflösung
auf einer Anzeigevorrichtung niedrigerer Auflösung ermöglicht,
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2 in
einem Flussdiagramm ein mit dem Bildverarbeitungssystem nach 1 durchführbares Verfahren,
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3 in
einem Diagramm die Verschiebung von Quellpixeln eines Bildes im
Rahmen des Verfahrens nach 2,
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4 in
einer Prinzipdarstellung zwei in Pixel gegliederte Darstellungen
in unterschiedlicher Auflösung,
und
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5 in
einer Darstellung analog 4 verschiedene Interpolationen
eines Bildes.
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Einander
entsprechende Teile und Parameter sind in allen Figuren mit den
gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die 1 zeigt
grob schematisiert ein Bildverarbeitungssystem 1, welches
einen Datenspeicher 2, eine Datenverarbeitungsanlage 3,
sowie eine Anzeigevorrichtung 4, nämlich einen Bildschirm, umfasst.
Abweichend von der symbolisierten Darstellung können der Datenspeicher 2 und
die Datenverarbeitungsanlage 3 auch in einem einzigen Gerät oder in
einer größeren Anlage,
beispielsweise in einem Datenverarbeitungsnetzwerk, realisiert sein.
Im Datenspeicher 2 sind in digitalisierter Form beispielsweise
medizintechnische Bilder, z. B. Röntgenbilder, insbesondere Computertomographiebilder,
gespeichert. Die Auflösung
dieser als Quellbilder bezeichneten ursprünglichen Bilder Bu ist
höher als
die maximale Auflösung
der Anzeigevorrichtung 4.
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Die
Datenverarbeitungsanlage 3 ist programmtechnisch derart
eingerichtet, dass das Verfahren nach 2 durchgeführt wird.
Ausgangspunkt des Verfahrens ist das in hoher Auflösung, das heißt hoher
Pixelzahl, vorliegende ursprüngliche
Bild Bu. In einem ersten Schritt S1 wird
eine Interpolation durchgeführt,
mit der die Anzahl der Pixel Pu des ursprünglichen
Bildes Bu verringert wird, um ein anzeigbares
Bild Ba1 zu erhalten, welches eine im Vergleich zum
ursprünglichen
Bild Bu reduzierte Anzahl an Pixeln Pa aufweist. Das Bild Ba1 wird
im Schritt S2 mittels der Anzeigevorrichtung 4 dargestellt.
Im nächsten
Schritt S3 wird das ursprüngliche
Bild Bu geringfügig verschoben, um anschließend im
Schritt S1 erneut eine Interpolation durchzuführen, die aufgrund der Verschiebung
des Bildes Bu von veränderten Quelldaten ausgeht.
Das damit gewonnene anzuzeigende Bild Ba2,
auch als Zielbild bezeichnet, wird wiederum im Schritt S2, das erste
Zielbild Ba1 ersetzend, dargestellt.
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Um
aus Pixeln Pu des ursprünglichen Bildes Bu einen
bestimmten Pixel Pa des Zielbildes Ba1 zu generieren, wird innerhalb des ursprünglichen
Bildes Bu eine zeitabhängige Zusammensetzung aufweisende
Pixelgruppe PG1(t) bestimmt, die die Basis
für die
durchzuführende
Interpolation bildet. In einer eindimensionalen Betrachtung, wie
nach 3, wird lediglich ein Abschnitt A aus einer Reihe
ursprünglicher Pixel
Pu betrachtet. Zu einem ersten Zeitpunkt
t1 sind in der Reihe der Pixel Pu des ursprünglichen Bildes Bu Abschnittsgrenzen
Min1, Max1 gegeben.
Sämtliche Pixel
Pu des ursprünglichen Bildes Bu,
die zwischen dem ersten Minimalwert Min1 und
dem ersten Maximalwert Max1 liegen, bilden
die erste Pixelgruppe PG1(t1)
wobei diese mehr als einen Pixel Pu umfasst. Auf
Grundlage dieser Pixelgruppe PG1(t1) wird ein zum ersten Zeitpunkt t1 anzuzeigender Pixel Pa des ersten
Zielbildes Ba1 bestimmt. Im einfachsten
Fall wird ein dem Zielpixel Pa zugeordneter
Grauwert beispielsweise durch Mittelwertbildung aus den Grauwerten
der zugehörigen
Quellpixel Pu berechnet.
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Das
erste Zielbild Ba1 wird zum Zeitpunkt t2 durch das zweite Zielbild Ba2 ausgetauscht.
Die erste Pixelgruppe PG1(t1)
ist hierbei durch eine zweite Pixelgruppe PG1(t2) ersetzt, deren Grenzen durch einen zweiten
Minimalwert Mine und einen zweiten Maximalwert Max2 gegeben
sind. Wie aus 2 hervorgeht, liegt der zweite
Minimalwert Mine zwischen dem ersten Minimalwert Min1 und
dem ersten Maximalwert Max1. Das Intervall,
in dem die der ersten Interpolation zugrunde liegenden Quellpixel
Pu angeordnet sind, überschneidet sich somit mit
dem Intervall, in welchem die der zweiten Interpolation zugrunde
liegenden Quellpixel Pu angeordnet sind.
Der Änderung
der Intervallgrenzen Min1, Max1,
Min2, Max2 entspricht
eine Verschiebung des auf dem Bildschirm 4 dargestellten
Bildes Ba1, Ba2.
Das Bild Ba1, Ba2 wird in
mehreren aufeinander folgenden Schritten jeweils in derselben Richtung
verschoben, bis es schrittweise wieder in die ursprüngliche
Position zurück
verschoben wird. Dieser Vorgang wird zyklisch beliebig oft wiederholt.
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Die 4 veranschaulicht
den Übergang zwischen
dem ursprünglichen
Bild Bu hoher Auflösung und dem auf dem Bildschirm 4 anzeigbaren
Bild Ba1 geringerer Auflösung. Während das gespeicherte Quellbild
Bu 9 × 9
Pixel Pu aufweist, hat das Zielbild Ba1 lediglich eine Auflösung von 3 × 3 Pixeln Pa. Über die
insgesamt 81 Quellpixel Pu ist ein Gitter
G gelegt, welches eine Rasterung vorgibt, die der Auflösung des
Zielbildes Ba1 entspricht. Auf diese Weise
sind neun Pixelgruppen PG1, PG2,
...PG9 mit jeweils 3 × 3 Pixeln Pu festgelegt.
Durch Interpolation wird beispielsweise aus der links oben im Quellbild
Bu angeordneten ersten Pixelgruppe PG1 ein einzelner Zielpixel Pa an
der entsprechende Stelle des Zielbildes Ba1 generiert.
Die Markierungen der Pixelgruppen PG1, PG3, innerhalb des ursprünglichen Bildes Bu verdeutlichen
in 4 lediglich die Anordnung der jeweiligen Quellpixel
Pu sowie den Zusammenhang zur Anordnung
der zugeordneten Zielpixel Pa. Eine Grauwertinformation
beinhalten diese Markierungen nicht.
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Der
zum ersten Zeitpunkt t1 existierende Mittelpunkt
der ersten Pixelgruppe PG1 ist in den 4 und 5 mit
M1 bezeichnet. Um das zum zweiten Zeitpunkt
t2 darzustellende zweite Bild Ba2 zu
erzeugen, wird das Gitter G relativ zum ursprünglichen Bild Bu derart
verschoben, dass die erste Pixelgruppe PGH den
zweiten Mittelpunkt M2 aufweist, welcher
relativ zum ersten Mittelpunkt M1 um einen
ursprünglichen
Pixel Pu versetzt ist. Die Verschiebung
des Quellbildes Bu relativ zum Gitter G
entspricht somit einem Drittel Pixel Pa des
Zielbildes Ba1, Ba2.
In weiteren Schritten erfolgt jeweils eine weitere Verschiebung
um einen Pixel Pu, wobei insgesamt acht
verschiedene Mittelpunkte M1, M2,
...M8 existieren, die sämtliche möglichen Positionierungen des
ursprünglichen
Bildes Bu relativ zum Gitter G angeben.
Das Gitter G ist relativ zur Anzeigevorrichtung 4 ortsfest. Die
Gesamtheit der Mittelpunkte M1, M2, ...M8 beschreibt
in diesem Beispiel eine geschlossene Kurve, die zyklisch durchlaufen
wird und sich in einem sichtbaren Wandern des Bildes Ba1,
Ba2 auf der Anzeigevorrichtung 4 zeigt.
Abweichend von der Darstellung nach 5 sind auch
weiträumigere
oder kürzere, auch
zufällige,
Verschiebungen des Zielbildes Ba1, Ba2, ... möglich.
Die durch die Lage der Mittelpunkte M1,
M2, ...M8 festgelegte
Kurve wird pro Sekunde vorzugsweise 1- bis 12-mal durchlaufen. Diese Frequenz
kann, abhängig
von der Kurve und dem Pixelverhältnis,
das heißt
dem Quotient aus der Pixelzahl des Zielbildes Ba1,
Ba2 und der Pixelzahl des ursprünglichen
Bildes Bu, variieren.
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Abhängig von
der Lage des Mittelpunktes M1, M2, ...M8 ändert sich
die Zusammensetzung jeder Pixelgruppe PG1,
PG2, ..., wobei zum Zeitpunkt t1 beispielsweise
diejenigen Quellpixel Pu der ersten Pixelgruppe
PG1(t1) = PG1(M1) angehören, die
zugleich in den ersten drei Spalten und in den ersten drei Zeilen des
Quellbildes Bu angeordnet sind.
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Im
Beispiel nach 5 wird vereinfachend von drei
möglichen
Grauwerten, nämlich
weiß,
grau (schraffiert dargestellt) und schwarz, ausgegangen. Dies gilt
für die
Pixel Pu des ursprünglichen Bildes Bu ebenso
wie für
die Pixel Pa des an zeigbaren Zielbildes
Ba. Aus den jeweils neun Quellpixeln Pu einer Pixelgruppe PG1,
PG2, ... werde mit folgenden Regeln ein
einzelner Zielpixel Pa generiert: Ist der
mittlere Pixel Pu einer Pixelgruppe PG1, PG2, ... schwarz,
so wird der zugehörige
Zielpixel Pa ebenfalls schwarz. Sind alle
Quellpixel Pu einer Pixelgruppe PG1, PG2, ... weiß, so wird
der zugehörige
Zielpixel Pa ebenfalls weiß. In allen übrigen Fällen, beispielsweise,
wenn der mittlere Pixel Pu einer Pixelgruppe
PG1, PG2, ... weiß ist und
diesem Pixel Pu innerhalb der Pixelgruppe
PG1, PG2, ... ein
schwarzer Pixel Pu benachbart ist, wird
dem Zielpixel Pa die Farbe grau zugeordnet.
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Der
letztgenannte Fall ist beispielsweise zum Zeitpunkt t1 bei
der Pixelgruppe PG1 gegeben. Das zugehörige darstellbare
Bild Ba1 weist daher in der linken oberen
Ecke ein Pixel Pa in grauer Farbe auf. Zum
Zeitpunkt t2 rückt ein schwarzer Pixel Pu in die Mitte der ersten Pixelgruppe PG1. Der zugehörige Pixel Pa ist
daher im zweiten anzeigbaren Bild Ba2 schwarz.
Insgesamt entstehen durch die sich ändernden Zusammensetzungen
der Pixelgruppen PG1, PG2,
... acht verschiedene Zielbilder Ba1, Ba2, ..., welche sukzessive dargestellt werden.
Dadurch, dass alle Zielbilder Ba1, Ba2, ... aus verschiedenen Interpolationen
des ursprünglichen
Bildes hervorgehen, wird beispielsweise der Verlauf von Konturen wesentlich
deutlicher erkennbar als im Fall nur einer einzigen, gleich bleibenden
Interpolation.
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Zusätzlich zur
im Vergleich zu einer statischen Bilddarstellung erhöhten wahrnehmbaren
Auflösung
hat das mit dem Bildverarbeitungssystem 1 durchführbare Verfahren
auch den Vorteil einer besonders hohen Toleranz gegenüber Fehlern
der Anzeigevorrichtung 4. Existieren beispielsweise Darstellungsfehler
an einzelnen Pixeln Pa, so werden solche
Fehler, zum Beispiel der Ausfall einzelner Pixel Pa,
dadurch zumindest teilweise kompensiert, dass die wiederzugebende
Information auf der Anzeigevorrichtung 4 wandert. Mit hoher
Wahrscheinlichkeit sind die darzustellenden Informationen somit
wenigstens auf einigen Zielbildern Ba1,
Ba2, ... sichtbar.