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Ubertragungssystem mit Differenæ-Pulsmodulation für zeilenweise abgetastete
Bilder.
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(Zusatz zu Patent . ... ... (Aktz. P 21 35 193.9) ) Die Erfindung
betrifft ein Übertragungssystem für zeilenweise abgetastete Bilder mit Differenz-Pulsmodulation
(DPCDvI), bei dem sendeseitig einem Analogsignal in äquidistanten Zeitabständen
Amplitudenproben entnommen werden, bei dem von jeder Amplitudenprobe durch eine
erste Subtrahierschaltung ein Schätzwert abgezogen wird, bei dem die den jeweiligen
Schätzfehler ergebende Differenz in einem Quantisierer quantisiert wird, bei dem
der Schätzwert für jede Amplitudenprobe in einem sendeseitigen Schätzwertbildner
aus dem wenigstens einen, zeitlich vorhergegangenen quantisierten Schätzfehler abgeleitet
wird, bei dem die quantisierten Schätzlehler vorzugsweise mittels Pulscodemodulation
über einen obertragungskanal übertragen werden, bei dem empfangsseitig in einer
ersten Addierschaltung jedem quantisierten Schätzfehler ein in einem empfangsseitigen
Schätzwertbildner aus dem wenigstens einen, zeitlich vorhergegangenen quantisierten
Schätzfehler abgeleiteter Schätzwert hinzugefügt wird, bei dem aus den wiedergewonnenen
Amplitudenproben das Analogsignal zurückgewonnen wird, bei dem als empfangsseitiger
Schätzwertbildner und als erste Addierschaltung zusammen ein erster Vierpol vorgesehen
ist, der aus einer Kettenschaltung aus drei oder vier normierten rekursiven Filtern
oder einer empfangsseitigen Schaltung besteht, die mit den Mitteln der Algebra der
Blockschaltbilder, jedoch chne Veränderung der Anzahl und Bewertungsfaktoren der
Abgriffe an Verzögerungsleitungen, in eine Kettenschaltung aus drei oder vier normierten
rekursiven Filtern übergeführt -werden kann, bei
dem als sendeseitiger
Schätzwertbildner ein zweiter Vierpol vorgesehen ist, der aus einem dem ersten gleichen'Vierpol
und einer zweiten Subtrahierschaltung derart zusammengeschaltet ist, daß der quantisierte
Schätzfehler sowohl dem Eingang des dem ersten gleichen Vierpols als auch dem Minus
eingang der zweiten Subtrahierschaltung zugeführt wird, daß der Ausgang des dem
-ersten gleichen Vierpols mit dem Pluseingang der zweiten Subtrahierschaltung verbunden
ist. und daß der Ausgang der zweiten Subtrahierschaltung als Ausgang des zweiten
Vierpols dient, oder daß als sendeseitiger Schätzwert'bildner eine sendeseitige
Schaltung vorgesehen ist, die mit den Mitteln der Algebra der Blockschaltbilder,
jedoch ohne Veränderung der Anzahl und Bewertungsfaktoren der Abgriffe an Verzögerungsleitungen,
in den zweiten Vierpol übergeführt werden kann, und bei dem normierte rekursive
Filter mit einer zweiten Addierschaltung vorgesehen sind, deren einer Eingang mit
dem Eingang des normierten rekursiven Filters, deren Ausgang unmittelbar und deren
anderer Eingang über eine Reihenschaltung aus einem Verzögerungsglied und einem
Bewertungsglied mit dem Ausgang des normierten rekursiven Filters verbunden sind.
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Ein derartiges Übertragungssystem ist Gegenstand des Hauptpatentes.
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Ein normiert es rekursives Filter ist der Sonderfall eines Verzweigungsnetzwerkes
der ersten oder der zweiten kanonischen Form nach Schüssler, "Zur allgemeinen Theorie
der Verzweigungsnetzwerke", Archiv der elektrischen Ubertragagung, 22 (1968), Seiten
361 bis 367, Bild 1 bzw. Bild 2, bei dem entsprechend dortigem Absatz 3, 1 die Teilsysteme
1/H(s-) Verzögerungsglieder von der Länge einer Bildpunktabstandsdauer sind und
bei dem in der Darstellung nach Schüssler bnw bv, 1: n = 0 sind. Die Erfindung beschränkt
sich auf solche normierte rekursive Filter, bei denen zustäzlich in der Darstellung
nach Schüssler alle mit Ausnahme eines einzigen cD gleich Null sind. Eine solche
Schaltung wurde einleitend geschildert und wird in der noch einzuführenden Fig.
2 erläutert.
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Pig. 1 zeigt das Blockschaltbild des bekannten tbertragungssystems.
Dieses enthält eine erste Subtrahierschaltung 1, einen Quantisierer 2, einen sendeseitigen
SchätzwertbildneT 3, einen Übertragungskanal 4, einen empfangsseitigen Schätzwertbildner
5 und eine erste Addierschaltung 6.
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Die sendeseitig einem Analogsignal in äquidistanten Zeitabständen
entnommenen hmplitudenproben werden dem positiven Eingang der Subtrahierschaltung
1 zugeführt, während deren negativem Eingang ein Schätzwert zugeführt wird. Das
Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 1 ist der SchätzfehLer, welcher~ dem Quantisierer
2 zugeführt und durch ihn quantisiert wird.
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Das Ausgangssignal des Quantisierers 2 ist der quantisierte Schätzfehler,
welcher sowohl dem Ubertragungskanal 4 als auch dem sendeseitigen Schätzwertbildner
3 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Schätzwertbildners 3 ist der Schätzwert,
welcher wie bereits erwähnt, dem negativen Eingang der Subtrahierschaltung 1 zugeführt
wird.
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Das Ausgangssignal des Übertragungskanals 4 wird sowohl dem ersten
Eingang der ersten bddierschaltung 6 als auch dem Eingang des empfangsseitigen Schätzwertbildners
5 zugeführt, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang der ersten Addierschaltung 6
verbunden ist.
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Der ungleichförmige Quantisierer setzt dem Bildsignal dort, wo es
schlecht vorhergesagt wird, mehr Quantisiergeräusch zu als in treffender torhergesagten
Bildteilen.
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In der Literaturstelle "Proc. IDEE1,, 55 (1967) 3, 5. 364-379, ist
die Dimensionierung eines DPCM-Systems mit einem sehr einfachen Schätzwertbildner
untersucht werden. Aus dieser Arbeit ist bekannt, daß die Quantisiererkennlinie
einer DPCM mit diesem einfachen Schätzwertbildner im Bereich betragsmäßig kleiner
Eingangssignale fein und im Bereich betragsmäßig großer Eingang signale gröber verteilte
Stufen haben sollte, da das Quantisiergeräusch
dort, wo der Schätzfehler
groß ist, vom Auge schwer erkennbar ist. Große Schätzfehler treten beim verwendeten
Schätzwertbildner nur an Konturen auf, und in der Nähe von Konturen wird das Quantisiergeräusch
vom menschlichen Auge geringer wahrgenommen als in detailreichen Flächen. Dieser
Effekt wird Maskierungseffekt genannt. Der Gewinn der DPCM liegt im Kompandergewinn
des Quantisierers. In der Arbeit wurde auf Seite 373 die Ansicht vertreten, die
Ausnutzung des Maskierungseffektes sei bei der DPCM nur in Verbindung mit dem einfachen
verwendeten Schätzwertbildner möglich, wenn an allen Bildpunkten die gleiche Quantisierkennlinie
verwendet werden soll. Die einfache Schätzwertberechnung bedingt, daß das Quantisiergeräusch
an vertikalen Konturen im Bildinhalt relativ intensiv ist.
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Andere Autoren versuchten, die Schätzwertberechnung zu verbessern,
indem sie Informationen aus vorangegangenen Bildzeilen mitverwendeten. Die Schätzwertberechnung
wird dadurch zweidimensional. Dabei tritt das Problem auf, wie die zusätzliche Information
zum Schätzwert beitragen soll. Über einen Weg zur Lösung dieses Problems ist im
Hauptpatent berichtet, der mit der gegenüber dem Hauptpatent nachveröffentlichten
Literaturstelle "IEEE Transactions on Communications Technology", COM-19 (1971)
6, S. 948-956, übereinstimmt.
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Im folgenden ist dieser Weg beschrieben: Der sendeseitige Schätzwertbildner
3 und der empfangsseitige Schätzwertbildner 5 sind nach der in der im Hauptpatent
genannten Literatur herrschenden Meinung dann optimal dimensioniert, wenn bei Vorhandensein
eines, den quantisierten Schätzfehler darstellenden Signales im ttbertragungskanal
4 mit einer konstanten Leistungsdichte im Frequenzbereich des Originalsignales sich
als Ausgangssignal der ersten Addierschaltung 6 ein Signal mit einer Leistungsdichte
im Frequenzbereich des Originalsignales ergibt, deren frequenzabhängiger Verlauf
dem der im Normalfall zu erwartenden Leistungsdichte
des Bildsignales
möglichst gut angenähert ist. Diese Aussage ist gleichbedeutend mit der Aussage,
daß sich als Ausgangssignal der ersten Addierschaltung 6 ein Bildsignal mit einer
solchen zweidimensionalen Autokorrelationsfunktion ergeben soll, wie das im Normalfall
zu erwartende originale Bildsignal eine hat. Diese Bedingung kann nur näherungsweise
erfüllt werden, da einesteils das im Normalfall zu erwartende Originalbild nicht
bekannt ist und da andernteils der Aufwand für die Schätzwertbildner möglichst gering
sein soll.
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Diese Dimensionierung mit Hilfe des Leistungsspektrums des Videosignales
strebt eine Minimierung des quadratischen Mittel-wertes des Schätzfehlers an, da
man sich davon ein niedriges Quantisiergeräusch verspricht.
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Im Hauptpatent ist ein günstiges Ausführungsbeispiel für einen sendeseitigen
und einen empfangsseitigen Schätzwertbildner anhand der dortigen Figur 12'beschrieben.
Die Dimensionierung mit Hilfe des Leistungsspektrums ist, wie in der Beschreibung
zum Hauptpatent ausgeführt ist, dann besonders günstig, wenn die mit TZ und TA bezeichneten
Verzögerungselemente eine Verzögerung von einer Zeilendauer bzw. von einem Abtastintervall
haben.
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Die Bewertungsfaktoren müssen dabei aus0,75 und Q/O,875 gewählt werden,
wie sich aus einer Betrachtung des Leistungsspektrums beziehungsweise der Autokorrelationsfunktion
des Videosignales ergibt. (Die im Hauptpatent auf Seite 24, Zeile 24 als Beispiel
genannten Werte 0,96 und 0,94 wurden aus einem Leistungsspektrum für ein Bildsignal
gewonnen, das nicht das im Normalfall zu erwartende originale Bildsignal ist und
deshalb nicht dem dem dortigen siebenten Patentanspruch zugrundeliegenden Erfindungsgedanken
entspricht). In eigenen Experimenten hat sich dieses Ausführungsbeispiel gut bewährt.
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In der bereits angeführten Literaturstelle IEEE Trans.
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COM-19 (1971) 6, S. 948-956, ist in Tabelle II ein 3 rd Order
Predictorlt
angegeben. Ein mit dessen Hilfe realisierter Schätzwertbildner ist zwar erheblich
aufwendiger als der am Hauptpatent anhand der Fig. 12 dargestellte, gibt jedoch
nur geringfügig unterschiedliche Schätzwerte ab. In dem Aufsatz wird anhand der
Fig. 6 die Ansicht vertreten, daß ein Frädiktor mit höherer als dritter Ordnung
gegenüber demjenigen dritter Ordnung keine signifikante Verbesserung beinhalten
wurde. Ähnliche Ansicht ist in "The Bell System Technical Journal", 45 (1966), S.
689-722, vertreten. Aus der bisher veröffentlichten Literatur ist keine gegenteilige
Ansicht bekannt geworden.
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An Ecken im Bildinhalt und an besonders kontrast reichen Konturen
kann ein geringfügiges Übersteuerungsgeräusch zugelassen werden. Ein Übersteuerungsgeräusch
ist Bestandteil des Quantisiergeräusches und tritt dann auf, wenn an einem oder
mehreren benachbarten Bildpunkten der Schätzfehler so groß ist, daß der Quantisierer
amplitudenmäßig übersteuert wird.- Wenn das Übersteuerungsgeräusch gering-ist, führt
es zu einer zulässigen geringfügigen'Verschleifung einer Kontur, wenn es hoch ist,
pflanzt es sich räumlich zu benachbarten Bildpunkten hin fort und führt zum unzulässigen
Ausreißen von Kanten oder zur unzulässigen Verformung von Konturen im Bildinhalt.
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Die bekannte Theorie, die vom Leistungsspektrum des Videosignales
ausgeht, berücksichtigt die Auswirkungen der Quantisierungsübersteuerung und den
Maskierungseffekt nicht.
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In der bereits im Hauptpatent angeführten Arbeit in "The Bell System
Technical Journal", 50 (1971), S. 1049 - 1Q61, sind einige zweidimensionale Schätzwertbildner
mittels Rechnersimulation untersucht worden, deren Algorithmen, ausgehend von Überlegungen
zu den Eigenschaften des Bildsignales, intuitiv gefunden wurden. In der Arbeit wird
beschrieben, daß das Quantisiergeräusch je nach Algorithmus nicht nur unterschiedlich
in
seiner Größe sein kann, sondern auch im wiedergegebenen Bild
an unterschiedlichen Stellen relativ intensiv ist. Es wurde beispielsweise beobachtet,
daß bei einem Algorithmus vertikal, bei einem anderen diagonal verlaufende Konturen
stärker durch Quantisiergeräusch gestört sind. In die Beurteilung der intuitiv gefundenen
Algorithmen wurden die Auswirkung der Quantisiererübersteuerung und die Maskierung
des Geräusche mit einbezogen und festgestellt, daß der Algorithmus auf sie Einfluß
hat.
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In "Xhe Bell System Technical Journal", 51 (1972), 5. 1495-1516, wird
über die Bemessung der Quantisiererkennlinie einer DPCM mit sehr einfachem Schätzwertbildner
mit besonderer BerUcksichtigung des Maskierungseffektes berichtet. Auf Seite 1512
wird vorgeschlagen, die optimale Bemessung der Quantisierkennlinie der DPCM für
jeden der in der Arbeit in "he Bell System Technical Journal1,, 50 (1971), Seiten
1049-1061, angeführten Schätzwertbildner in ähnlicher Weise zu ermitteln.
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Aufgabe der Erfindung ist es, für ein Übertragungssystem für zeilenweise
abgetastete Bilder mit Differenz-Pulsmodulation unter Verwendung von Kettenschaltungen
aus drei oder vier normierten rekursiven Filtern mit Verzögerungsgliedern Bemessungsregeln
für deren Verzögerwigszeiten und Bewertungsfaktoren festzulegen.
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Ausgehend von einem tbertragungssystem der einleitend geschilderten
Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß entweder bei einer Kettenschaltung
aus drei in beliebiger Reihenfolge angeordneten normierten rekursiven Filtern die
Verzögerungszeiten der Verzogerungsglieder und die dazugehörigen Bewertungsfaktoren
T. der Bewertungsglieder die Dauer einer Zeile und den Faktor 0,5, die Dauer eines
Bildpunktabstandes oder die Dauer einer Zeile minus zweier Bildpunktabstände und
den Faktor 0,5 und die Dauer eines Bildpunktabstandes und
den Faktor
0,875 betragen oder daß bei einer Kettenschaltung aus vier in beliebiger Reihenfolge
angeordneten normierten rekursiven Filtern die Verzögerungszeiten 7i der Verzögungsglieder
und die dazugehörigen Bewertungsfaktoren «i der Bewertungsglieder die Dauer einer
Zeile und den Faktor 0,5, die Dauer einer Zeile minus zweier Bildpunktabstände und
den Faktor 0,5, -die Dauer eines Bildpunktabstandes und den Faktor 0,5 und die Dauer
eines Bildpunktabstandes und den Faktor 0,875 betragen.
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Der Erfindung liegt die eigene Erkenntnis zugrunde, daß durch Erweiterung
des aus der Figur 12 des Hauptpatentes bekannten Schätzwertbildners die räumliche
Verteilung des Quantisiergeräusches im wiedergegebenen Bild derart beeinflußt werden
kann, daß es im menschlichen Auge besser maskiert wird und daß die Quantisierübersteuerung
zu geringerer Verformung von Konturen führt.
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Der Erfindung liegt ebenfalls die eigene Erkenntnis zugrunde, daß
der Maskierungseffekt am besten genutzt ist, wenn der Schätzfehler in direkter Nähe
von Konturen gleichen Kontrastes möglichst unabhängig von deren Neigungswinkel ist.
Wenn der Schätzfehler in der Nähe von Konturen gleichen Kontrastes mit bestimmten
Neigungswinkeln geringer ist, ist dort der ungleichförmige Quantisierer weniger
weit ausgësteuert und deshalb das Quantisiergeräusch niedriger; jedoch ist dann
stets in der Nähe von Konturen gleichen Kontrastes mit anderen Neigungswinkeln der
Schätzfehler größer und deshalb das Quantisiergeräusch intensiver. Da die Bildqualität
nach der Wiedergabe der am stärksten gestörten Konturen beurteilt werden muß, ist
ein Schätzwertbildner, der an Konturen gleichen Kontrastes gleich starke Schätzfehler
erzeugt, optimal.
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Der Erfindung liegt zusätzlich die eigene Erfahrung zugrunde, daß
das menschliche Auge das Quantisiergeräusch an Konturen, die parallel und senkrecht
zu Fernsehzeilen verlaufen, besser erkennen kann als an schräg verlaufenden Konturen.
Dies fällt insbesondere bei der Wiedergabe von lateinischen Schriftzeichen
auf,
da bei diesen viele senkrechte und parallele Konturen vorkommen und auf diese besonders
geachtet wird. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn der.Schätzfehler an senkrechten
und parallelen Konturen etwas geringer ist als an schräg verlaufenden Konturen.
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Der Gewinn der DPCM ist bekanntlich 'der Kompandergewinn des Quantisierers,
der wegen der groben Quantisierung entlang den Konturen mehr feine Stufen für die
Quantisierung in detailarmen Bildteilen nutzen kann.
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Bei den folgenden Erläuterungen wird vorausgesetzt, daß es sich bei
dem Bildsignal um ein Bildsignal in einem Bildübertragungssystem mit Zeilensprung
handelt.
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Bei der dreigliedrigen Kette erzeugt jedes Kettenglied mit der Verzögerungszeit
von einer Bildpunktabstandsdauer Autokorrelationen im wesentlichen in Zeilenrichtung
im Bild. Das Kettenglied mit der Verzögerungszeit von einer Zeilendauer erzeugt
Autokorrelationen im wesentlichen in einer richtung, die senkrecht zur Zeilenrichtung
geneigt ist, und das Kettenglied mit der Verzögerungszeit von einer Zeilendauer
minus zweier Bildpunktabstandsdauern im wesentlichen in einer Richtung, die um etwa
135 Grad gegen die Zeilenrichtung geneigt ist.
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Auf diese Weise entsteht am Ausgang der ersten Addierschaltung 6 ein
Bildsignal, das in vielen in der Bildebene liegenden Richtungen korreliert ist.
Eine zweidimensionale Autokorrelationsfunktion im hier verwendetem Sinne ist definiert
in "?he Bell System Technical Journal", 1952, Seiten 751-763, anhand der Gleichung
(2) auf Seite 754.
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Bei der viergliedrigen Kette erzeugt jedes Kettenglied mit der Verzögerungszeit
von einer Bildpunktabstandsdauer Autokorrelationen im wesentlichen in Zeilenrichtung
im Bild. Das Kettenglied mit der Verzögerungszeit von einer Zeilendauer erzeugt
im wesentlichen
Korrelationen in einer Richtung, die zur Zeilenrichtung
senkrecht verläuft. Das Kettenglied mit der Verzögerungszeit von einer Zeilendauer
minus zwei Bildpunktabstandsdauern erzeugt im wesentlichen Autokorrelationen in
einer Richtung, die gegen die Zeilenrichtung um etwa 135 Grad geneigt ist.
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Auf diese Weise entsteht am Ausgang der ersten Addierschaltung 6 ein
Bildsignal, das in fast allen in der Bildebene liegenden Richtungen korreliert ist.-Wenn
die erfindungsgemäße dreigliedrige und viergliedrige Kettenschaltung aus normierten
rekursiven Filtern räumliche Korrelationen in fast allen in der Bildebene liegenden
Richtungen erzeugt, bedeutet das, daß der sendeseitige Schätzwertbildner Schätzwerte
berechnet hat, indem er Bildpunkt werte von Bildpunkten verwendete, die in vielen
Richtungen dem vorherzuschätzenden Bildpunkt benachbart sind. Dadurch wird erreicht,
daß Schätzfehler an Konturen entsprechend den vorgenannten Erkenntnissen und Erfahrengen
verteilt sind.
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Die besonders günstigen erfindungsgemäßen Bemessungsregeln wurden
aufgrund der vorgenannten Erkenntnisse und Erfahrungen zunächst durch Schätzung
gewonnen und dann in subjektiven Tests präzisiert.
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Aus der vom Leistungsspektrum des Videosignales ausgehenden Theorie
ergibt sich kein Hinweis auf eine solche Bemessung, wie die Ergebnisse der bereits
angeführten Arbeiten "The Bell System Technical Journal," 45 (1966), Seiten 689-722,
und "IEEE Drans.COM", 19 (1971) 6, Seiten 948-956, zeigen.
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Offenbar bewährt sich diese theoretische Vorstellung nur bis zu einem
Kompliziertheitsgrad, der bei den erfindungsgemäßen Schätzwertbildnern überschritten
ist.
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In der Arbeit in "?he Bell System Technical Journal", 50 (1971), Seiten
1049-1061, wurde zwar erkannt, daß die räumliche Verteilung des Quantisiergeräusches
im wiedergegebenen Bild vom verwendeten Schätzwertbildneralgorithmus abhängig ist.
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Es wurde jedoch nicht erkannt, daß durch gezielte Veränderung des
Algorithmus die räumliche Verteilung des Geräusches in einer gewünschten Weise beeinflußt
werden kann. Auch in '2he Bell System Technical Journal", 51 (1972), Seiten 1495-1516,
wurde eine solche Möglichkeit nicht erkannt.
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In den Arbeiten in "Proceedings IEEE", 55 (1967) , Seiten 364-379,
'1The Bell System Technical Journal", 50 (1971), Seiten 1049-1061, und "he Bell
System Technical Journal", 51 (1972), Seiten 1495-1516, wurde nicht erkannt, daß
der Maskierungseffekt dann besonders vorteilhaft genutzt wird, wenn der Schätzfehler
an Konturen gleichen Kontrastes möglichst bei allen Neigungswinkeln der Konturen
gleich groß ist oder an senkrechten und parallelen Konturen etwas geringer als an
den restlichen.
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Aus der Arbeit in "Ihe Bell System Technical Journal", 50 (1971),
Seiten 1049-1061, ist bekannt, daß die Dimensionierung des Schätzwertbildners Einfluß
darauf hat, in welchem Maße Kanten ausreißen oder Konturen verformt werden.
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Deshalb ist für die Qualität eines Schätzwertrechners nicht nur seine
Fähigkeit, den Maskierungseffekt auszunutzen, ausschlaggebend, sondern auch seine
Fähigkeit die Auswirkung einer Quantisierüberßteuerung zu begrenzen.
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Die Erfindung beruht zusätzlich auf der Erkenntnis,- daß die Verwendung
eines Schätzwertbildners, der Informationen aus möglichst vielen räumlichen Richtungen
zur Berechnung des Schätzwertes verwendet, zu geringer Fortpflanzung von Übersteuerungsgeräusch
führt ; denn Übersteuerungsgeräusch
pflanzt sich dadurch fort,
daß es im sendeseitigen Schätzwertbildner bei der Berechnung der Schätzwerte unumgänglich
mitverwendet wird. Wenn Informationen aus vielen räumlichen Richtungen für die Schätzwertberechnung
verwendet werden, hat das ffbersteuerungsgeräusch bei der Berechnung wenig Gewicht,
da es im Regelfall nicht in den Informationen aus allen Richtungen enthalten ist,
sondern meist nur aus der Richtung, in der bei einem benachbarten Bildpunkt Übersteuerung
aufgetreten ist.
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In zwei der drei erfindungsgemäßen Bemssungsregeln für Schätzwertbildner
sind in der Kettenschaltung aus normierten rekursiven Filtern je unter anderem zwei
Filter mit einem Verzögerungsglied mit der Verzögerungszeit ein Abtastintervall
vorgesehen. Dadurch wird erreicht, daß die Information aus horizontaler Richtung
bevorzugt für die Schätzwertberechnung verwendet wird. Dadurch wird der Umstand
berücksichtigt, daß die Informationen aus anderen Richtungen von Bildpunkten stammen,
die infolge des Zeilensprungsverfahrens vom vorherzuschätzenden Bildpunkt entfernt
sind als der horizontal direkt benachbarte Bild. punkt.
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Die drei erfindungsgemäßen Bemessungsregeln führen zu unterschiedlich
aufwendig realisierbaren Schätzwertbildnern. Dabei ist zu beachten, daß ein Verzögerungselement
mit Verzögerung um eine Zeilenlänge verhältnismäßig aufwendig ist. Die Qualität
des wiedergegebenen Bildes ist bei den drei Bemessungsregeln ebenfalls unterschiedlich,
und zwar ist die Qualität umso besser, je wufwendiger der Schätzwertbildner ist.
Die unterschiedliche Qualität entsteht dadurch, daß die Zielvorstellung für die
räumliche Verteilung der Intensität des Quantisiergerusches nur näherungseise erfüllt
werden kann.
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Es ist vorteilhaft, wenn als Bewertungsglied mit einem Bewertungsfaktor
0,5 eine Schaltung zur Verschiebung um eine Binärstelle vorgesehen ist, und wenn
als Bewertungsglied mit einem Bewertungsfaktor 0,875 eine- Schaltung zur Verschiebung
um drei Binärstellen vorgesehen ist, deren den Eingang des Bewertungsgliedes bildender
Eingang mit dem Plus eingang und deren Ausgang mit dem Minuseingang einer dritten
Subtrahierschaltung verbunden ist, deren Ausgang den Ausgang des Bewertungsgliedes
bildet.
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In den erfindungsgemäßen Bemessungsregeln für Schätzwertbildner kommen
als Bewertungsfaktoren die Zahlenwerte 0,5 und 0,875 vor. Dabei ist für die Güte
der Schätzwertberechnung eine exakte Einhaltung dieser Werte nicht sehr bedeutend.
Es können statt diesen Zahlenwerten auch etwas größere oder kleinere vorgesehen
werden, ohne daß es großen Einfluß auf die Qualität des wiedergegebenen Bildes hat.
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Der besondere Vorteil dieser Zahlenwerte 0,5 und 0,875 liegt in ihrer
einfachen Realisierbarkeit in binärer digitaler Rechenmaschinentechnik. In dem Buch
"Digital Computer Design Fundamentals" von Yaohan Chu, Mc Graw-Hill, New York -San
Prancisco - Toronto - London, 1962, ist auf Seiten 12-13 in dem Abschnitt "Shifting
Algorithm of Signed Binary Number" dargestellt, wie bei versch»enen gebräuchlichen
binären Zahlendarstellungen die Multiplikation eines Zahlenwertes mit Potenzen von
1/2, also 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 usw., durch Verschiebung (binary shifting) um eine,
zwei, drei, vier usw. Binärstellen ohne Bauelementaufwand möglich ist.
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Der Bewertungsfaktor 0,5 ist auf diese Weise direkt realisierbar;
der Faktor 0,875 ergibt sich, indem 1/8 von der zu bewertenden Größe subtrahiert
wird.
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In den folgenden Ausführungsbeispielen sind zwei empfangsseitige Schaltungen
mit einer dreigliedrigen und einer viergliedrigen
Kette gezeigt.
Zunächst zeigt Pig. 2 ein normiertes rekursive Filter R mit einem Filtereingang
e, einem Filterausgang a, einer zweiten Addie-rschaltung 7, einem Verzögerungsglied
8 und einem Bewertungsglied 9.
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Die einzelnen in den Figuren 3 und 4 verwendeten normierten rekursiven
Filter unterscheiden sich in der Verzögerungszeit T des Verzögerungsgliedes 8 und-dem
Bewertungsfaktor des Bewertungsgliedes 9 oder beiden. Die Verzögerungsseit und der
Bewertungsfaktor sind im einzelnen in einem ersten normierten rekursiven Filter
R1 eine Bildpunktabstandsdauer und der Faktor 0,875, in einem zweiten normierten
rekursiven Filter R2 eine Bildpunktabstandsdauer bzw.
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eine Zeilendauer minus zwei Bildpunktabstandsdauern und der Faktor
0,5, in einem dritten normierten rekursiven Filter R3 eine Zeilendauer und der Faktor
0,5, in einem vierten normierten rekursiven Filter R4 eine Bildpunktabstandsdauer
und der Faktor 0,8875, in einem fünften normierten rekursiven Filter R5 eine Zeilendauer
und der Faktor 0,5, in einem sechsten normierten rekursiven Filter R6 eine Zeilendauer
minus zwei Bildpunktabstandsdauern und der Faktor 0,5, und in einem siebenten normierten
rekursiven Filter R7 eine Bildpunktabstandsdauer und der Faktor 0,5.
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Die Wirkungsweise der normierten rekursiven Filter wird im folgenden
anhand Fig. 2 erläutert.
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Der Eingang e des normierten rekursiven Filters R ist mit dem ersten
Eingang der zweiten Addierschaltung 7 verbunden; deren Ausgang ist sowohl mit dem
Ausgang a des normierten rekursiven Filters R als auch mit dem Eingang des Verzögerungsgliedes
8 verbunden, dessen Ausgang mit dem Bewertungsglied 9 verbunden ist, dessen Ausgang
mit dem zweiten Eingang der zweiten Addierschaltung 7 verbunden ist.
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Zu-dem dem Eingang e des normierten rekursiven Filters R zugeführten
Signal wird in der zweiten Addierschaltung 7 ein mit dem Faktor ai bewertetes um
Ti verzögertes, an der Ausgangsklemme a des normierten rekursiven Filters R anliegendes
Signal addiert. Dadurch entsteht eine Filter wirkung, die von der Wahl der Werte
ai und Ti abhängt.
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Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße empfangsseitige
Schaltung mit dreigliedriger Kettenschaltung, die aus der ersten Addierschaltung
6 und dem empfangsseitigen Schätzwertbildner 5 zusammengenommen besteht (erster
Vierpol).
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Fig. 3 zeigt im einzelnen einen Eingang e', einen Ausgang a', und
die Kettenschaltung aus einem ersten R1, zweiten R2 und dritten R3 normierten rekursiven
Filter.
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Der Eingang e ist mit dem Eingang el des ersten normierten rekursiven
Filters R1, dessen Ausgang a1 mit dem Eingang e2 des zweiten normierten rekursiven
Filters R2, dessen Ausgang a2 mit dem Eingang e3 des dritten normierten rekursiven
Filters R3 und dessen Ausgang a3 mit dem Ausgang a' der empfangsseitigen Schaltung
(erster Vierpol) verbunden.
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Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße empfangsseitige
Schaltung mit viergliedriger Kettenschaltung, die aus einem Eingang e", normierten
rekursiven Filtern R4 bis R7 und einem Ausgang a" besteht und gegenüber der Anordnung
nach Pig. 3 lediglich ein Filter mehr aufweist.
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Bei der praktischen Realisierung des Systems können der empfangsseitige
Schätzwertbildner 5 und die erste Addierschaltung 6 zusammengenommen wie die beschriebene
Kettenschaltung realisiert werden. In der Hauptpatentschrift ist
abgehandelt,
wie man andere'günstige Realisierungsmöglichkeiten findet.
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In den folgenden Ausführungsbeisrielen der Erfindung s ind sendeseitige
Schätzwertbildner 3 zu den erfindungsgemäßen empfangsseitigen Schaltungen mit dreigliedriger
und viergliedriger Kettenschaltung gezeigt. Auch andere Ausführungsformen der sendeseitigen
Schätzwertbildner 3 sind möglich, bei denen beispielsweise die Zähl der Verzögerungselemente
erhöht, diejenige der Bewertungsglieder jedoch beibehalten wird, um Rechenzeit einzusparen.
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Für die Realisierung der empfangsseitigen Schaltung kann man auch
einen empfangsseitigen Schätzwertbildner 5 explizit vorsehen und diesen entsprechend
Fig. 1 mit der ersten Addierschaltung 6 zusammenschalten. Es handelt sich dann auf
der Empfangsseite um Schaltungen, die mit den Mitteln der Algebra der Blockschaltbilder,
jedoch ohne Veränderung der Anzahl und Bewertungsfaktoren der Bewertungsglieder
in eine Kettenschaltung aus drei oder vier normierten rekursiven Filtern übergeführt
werden können. Der sendeseitige Schätzwertbildner 3 und der empfangsseitige Schätzwertbildner
5 können dann gleich aufgebaut sein. In den folgenden Ausführungsbeispielen ist
dies angenommen. Die Algebra der Blockschaltbilder ist bei Merz "Grundkurs der Regelungstechnik",
2. Auflage, Verlag Oldenbourg, München 1964, S. B/30 bis B/34, Abs. 4,5, erläutert.
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Fig. 5 zeigt das Wesentliche der Schätzwertbildner 3 bzw. 5 mit einer
dreigliedrigen Kette, und zwar im einzelnen ein erstes Filter Fl, ein zweites Filter
F2 und ein drittes Filter F3.
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Das Eingangssignal des Schätzwertbildners 3 bzw. 5 wird über den Eingang
E jeweils dem zweiten Eingang E 21, E 22, E 23 des ersten Fl, des zweiten F2 und
des dritten F3 Filters zugeführt. Der Ausgang All des ersten Filters Fl ist mit
dem
ersten Eingang E12 des zweiten Filters P2 verbunden, dessen
Ausgang A12 mit dem ersten Eingang E13 des dritten Filters F3, dessen Ausgang A13
mit dem Ausgang A des Schätzwertbildners 3 biw. 5 identisch ist.
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Fig. 6 zeigt das Wesentliche des Söhätzwertbildners 3 bzw. 5 mit einer
viergliedrigen Kette und zwar im einzelnen ein viertes Filter F4, ein fünftes Filter
F5, ein sechstes Filter F6 und ein siebentes Filter F7.
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Das Eingangssignal des Schätzwertbildners 3 bzw. 5 wird über den Eingang
E' jeweils dem zweiten Eingang E24, E25, E26, E27 des vierten F4,fünften F5, sechsten
F6 und siebenten F7 Filters zugeführt. Der Ausgang A14 des vierten Filters F4 ist
mit dem ersten Eingang E15 des fünften Filters F5 verbunden, dessen Ausgang AlS
mit dem ersten Eingang E16 des sechsten Filters F6 verbunden ist, dessen Ausgang
A16 wiederum mit dem ersten Eingang E17 des siebenten Filters F7 verbunden ist,
und dessen Ausgang A17 schließlich mit dem Ausgang A' des Schätzwertbildners 3 bzw.
5 identisch ist.
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Das Prinzipielle der Filter F1 bis F7 ist in Fig. 7 gezeigt.
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Die Darstellung enthält im einzelnen eine zweite Addierschaltung 7t,
eine dritte Addierschaltung 10, ein Verzögerungsglied 8' und ein Bewertungsglied
9'.
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Der Unterschied zwischen den Filtern F1 bis F7 liegt in der Verzögerungszeit
T. des Verzögerungsgliedes 8' oder dem Bewertungsfaktor ai des Bewertungsgliedes
9' oder beiden. Die Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes 8' und der Bewertungsfaktor
des Bewertungsgliedes 9' sind im einzelnen in dem ersten Filter F1 eine Bildpunktabstandsdauer
und der Faktor 0,875, in dem zweiten Filter F2 eine Bildpunktabstandsdauer bzw.
eine Zeilendauer minus zwei
Bildpunktabstandsdauern und der.Faktor
0,5,- in dem dritten Filter F3 eine'Zeilendauer und der Faktor 0,5, in dem vierten
Filter F4 eine Bildpunktabstandsdauer und der Faktor 0,875, in dem fünften Filter
F5 eine Zeilendauer und der Faktor 0,5, in dem sechsten Filter F6 eine Zeilendauer
minus zwei Bildpunktabstandsdauern und der Faktor 0,5 und in dem siebenten Filter
F7 eine Bildpunktabstandsdauer und-der Faktor 0,5.
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Die Wirkungsweise der Filter wird im folgenden anhand Fig. 7 erläutert.
Der erste Eingang El des Filters F ist mit dem ersten Eingang der zweiten Addierschaltung
7' verbunden. Der Ausgang der zweiten Addierschaltung 7' ist sowohl mit dem Ausgang
A7 des Filters F als auch mit dem zweiten Eingang der dritten Addierschaltung 10
verbunden, deren erster Eingang mit dem zweiten Eingang E2 des Filters F und deren
Ausgang mit dem Eingang des Verzögerungsgliedes 8' verbunden ist. Der Ausgang des
Verzögerungsgliedes 8' ist mit dem Eingang des Bewertungsgliedes 9' verbunden, dessen
Ausgang mit dem zweiten Eingang der zweiten Addierschaltung 7' verbunden ist.
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Die Filter Fl bis F7 gehen aus den normierten rekursiven Filtern R1
bis R7 durch Hinzufügen eines zusätzlichen Einganges und einer Addierschaltung 10
hervor. Verzögerungszeit @iund Bewertungsfaktor αi sind bei Ri und Fi gleich.
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Figur 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Bewertungsgliedes mit
Bewertungsfaktor 0,5 mit erster bis zwölfter Eingangsklemme 30-41 und erster bis
zwölfter Ausgangsklemme 42-53.
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Die erste Eingangsklemme 30 ist mit der ersten 42 und zweiten 43 Ausgangsklemme,
die zweite Eingangsklemme 31 mit der dritten Ausgangsklemme 44, und so weiter, verbunden.
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Die zwölfte Eingangsklemme 41 ist mit keiner anderen Klemme verbunden.
Den Eingangsklemmen wird ein Zahlwert in binärer zwölfstelliger Zweier-Komplement-Darstellung
zugeführt und zwar der ersten Eingangsklemme 30 die höchstwertige, der zweiten 31
die zweithöchstwertige, und so weiter, und der zwölften 41 die geringstwertige Binärstelle.
Entsprechend wird an den Ausgangsklemmen der mit dem Faktor 0,5 multiplizierte Zahlenwert
in der gleichen Darstellungsweise abgegeben, und zwar an der ersten Ausgangsklemme
42 die höchstwertige, und der zweiten 43 die zweithöchstwertige, und so weiter und
der zwölften 53 die geringstwertige Binärstelle.
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Die Wirkungsweise des Bewertungsgliedes nach Fig. 8 ist folgende:
Die höchstwertigen Binärstellen am Ausgang und am Eingang sind gleich. Jede weitere
Binärstelle am Bewertungsgliedausgang ist gleich der um einer höchstwertigen Binärstelle
am Bewertungsgliedeingang. Dadurch wird eine Bifnärstellenverschiebung um eine Binärstelle
durchgeführt.
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Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Bewertungsgliedes mit dem
Bewertungsfaktor 0,875 mit einem Bewertungsgliedeingang 79, zu einem Bewertungsglledausgang
81, einer dritten Subtrahierschaltung 80 und einer Schaltung zur Binärstellenverschiebung
um drei Binärstellen 78.
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Die Wirkungsweise des Bewertungsgliedes nach Fig. 9 ist folgende:
Der Zahlenwert am Bewertungsgliedausgang 81 iat die Differenz aus dem Zahlenwert
am Bewertungsgliedeingang 79 und dem in der Schaltung zur Binärstellenverschiebung
um drei Binärstellen 78 mit 1/8 multiplizierten Zahlenwert am Bewertungsgliedeingang
79.
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Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung zur Binärstellenverschiebung
um drei Binärstellen 78 mit dreizehnter bis vierundzwanzigster Eingangsklemme 54-65
und dreizehnter bis vierundzwanzigster Ausgangsklemme 66-77.
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Die dreizehnte Eingangsklemme 54 ist mit der dreizehnten bis sechzehnten
66-69 Ausgangsklemme, die vierzehnte Eingangsklemme 55 mit der siebzehnten Ausgangsklemme
70,und so weiter, verbunden. Die zweiundzwanzigste bis vierundzwanzigste Eingangsklemme
63-65 sind mit keiner anderen Klemme verbunden. Die Zahlenwerte werden der Schaltung
zugeführt und von ihr abgegeben entsprechend dem Bewertungsglied nach Fig. 8 Die
Wirlmngsweise der Schaltung zur Binärstellenverschiebung um drei Binärstellen nach
Fig. 10 ist folgende: Die höchstwertige Binärstelle am Eingang und die ersten vier
höchstwertigen Binärstellen am Ausgang sind gleich. Jede weitere Binärstelle am
Ausgang der Schaltung ist gleich der um drei Stellen höherwertigen Binärstelle am
Schaltungseingang. Dadurch wird eine Binärstellenverschiebung um drei Binärstellen
durchgeführt.
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Die Ausführungsbeispiele nach Fig. 8 und Fig. 10 verarbeiten Zahlenwerte,
die mit zwölf Binärstellen dargestellt sind.
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Die Rundungsfehler sind bei dieser Binärstellenzahl erfahrungsgemäß
ausreichend klein.
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3 Patentansprüche 10 Figuren