DE2432399A1

DE2432399A1 - Anordnung zur bilduebertragung nach dem dpcm-verfahren

Info

Publication number: DE2432399A1
Application number: DE19742432399
Authority: DE
Inventors: Willmut Dr Ing Zschunke
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1974-07-05
Filing date: 1974-07-05
Publication date: 1976-01-22
Also published as: DE2432399C3; FR2277482A1; DE2432399B2; FR2277482B1; AU8256875A

Description

Anordnung zur Bildübertragung nach dem DPCM-Verfahren

Zur digitalen Übertragung von Bildern wird das räumliche Nebeneinander von Helligkeitswerten zuerst in ein zeitliches Hintereinander von Abtastwerten umgesetzt, deren Amplitude die Helligkeit repräsentiert. Diese Abtastwerte werden dann codiert und als PCM-Worte übertragen oder es wird nur die Differenz zu dem jeweilig vorhergehenden Impuls als Codewert übertragen (Differenz-Puls-Code-Modulation, DPCM). Das DPCM Verfahren, das zur Übertragung eines Differenzwertes eine geringere Bitzahl benötigt als zur Übertragung des Absolutwertes nach dem PCM-Verfahren erforderlich ist, kann bei der Bildübertragung vorteilhaft eingesetzt werden, da die zu übertragende Differenz wegen der vorhandenen Redundanz (Flächen gleicher Helligkeit) meist sehr gering ist.

Bei diesem Verfahren treten jedoch dann Schwierigkeiten auf, wenn die Differenz zweier Abtastwerte groß ist, z.B. bei

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3.7.1974

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scharfen Helligkeitsübergängen an Kanten,Sind die Quantisierungsstufen für die DPCM klein gewählt, wie es zur Wiedergabe von Flächen mit sich wenig ändernder Helligkeit wünschenswert wäre, so ist es nicht möglich, mit diesen kleinen Stufen dem scharfen Übergang zu folgen. Wählt man grobe Quantisierungsstufen, so werden Flächen infolge des auftretenden Quantisierungstauschens schlecht wiedergegeben und es kann Kantenunruhe auftreten, wenn die quantisierten Abtastwerte an einer Kante bei aufeinanderfolgenden Bildern um eine Quantisierungsstufe springen.

Um dem abzuhelfen, wurde bereits vorgeschlagen, daß in der Sendeeinrichtung und in der Empfangseinrichtung eine überwachungseinrichtung vorgesehen ist, die die Differenzwerte auf ihre Größe überwacht und veranlaßt, daß beim Überschreiten einer vorgegebenen Größe des Differenzwertes die Amplitude für diesen Abtastpunkt zusammen mit einer die Lage innerhalb der Zeile oder des Bildes kennzeichnenden Angabe erfaßt und gespeichert wird, daß eine weitere Einrichtung vorgesehen ist, in der diese Werte mit entsprechenden Werten der vorhergehenden Seile oder des vorhergehenden Bildes'verglichen und aus zwei entsprechenden Punkten die voraussichtliche Lage und Amplitude eines entsprechenden Punktes für die nächste Zeile oder das nächste Bild berechnet und gespeichert wird und daß bei der Abtastung der nächsten Zeile oder des nächsten Bildes an der vorhergesagten Stelle die Rückkopplungsschleife für die Differenz-Puls-Code-Modulation unterbrochen und statt dessen die berechnete Amplitude in diese Schleife eingespeist wird (P 23 09 444.2),

Zur Verbesserung der Prädiktion können auch mehrere Bildpunkte verwendet werden (Linearkombinationen mit festem Prädiktionsalgorithmus).

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Ein Nachteil all dieser festen Prädikationsalgorithmen ist, daß sie entweder eine bestimmte Kantenrichtung bevorzugen und die entsprechende Kante besonders gut vorraussagen oder aber eine Kompromißlösung darstellen, bei der die Güte der Vorhersage einigermaßen gleichmäßig auf mehrere Richtungen verteilt ist, so daß keine Richtung besonders gut aber auch nicht besonders schlecht vorrausgesagt wird. Es sind darüberhinaus Kantenverläufe denkbar, bei denen diese Algorithmen den gleichen schlechten Vorhersagewert liefern wie die einfachste Prädikation: Helligkeit des aktuellen Bildpunktes = Helligkeit des vorhergehenden Bildpunktes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Bildübertragung nach dem DPCM-Verfahren, bei der sowohl im Sende- als auch im Empfangsteil in einer Rückkopplungsschleife ein Laufzeitglied angeordnet ist_? mit der eine Prädition für den aktuellen Bildpunkt adaptiv vorgenommen wird.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß an der Stelle des Laufzeitgliedes mit seinem Eingang m und seinem Ausgang η ein Kreis angeschaltet ist, der eine Laufzeitkette sowie Subtrahierstufen enthält, an denen die am Eingang m anstehenden Signale (Helligkeitswerte) anliegen, daß die Laufzeitkette an mehreren Stellen Abgriffe aufweist, von denen die Helligkeitswerte der zu berücksichtigenden Bildpunkte abgegriffen werden, daß die von der Laufzeitkette abgegriffenen Signale an die Subtrahierstufen angelegt werden, die an ihren Ausgängen Differenzsignale ihrem Betrag nach bereitstlelen, daß Komparatoren vorgesehen sind, an die je zwei Differenzsignale angelegt werden, von denen mittels einer

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Logik das Differenzsignal mit dem kleinsten Betrag ermittelt wird, daß aus den AusgangsSignalen der Komparatoren ein Ortskennzeichen abgeleitet wird, daß ein Laufzeitglied vorgesehen ist, welches das Ortskennzeichen um eine dem Abstand von aktuellem Bildpunkt zu einem Referenzpunkt analog* Zeit verzögert, daß Torschaltungen vorgesehen sind, die mit den Anzapfungen der Laufzeitkette verbunden sind und durch ein Ortskennzeichen gesteuert den anliegenden Wert als Vorhersagewert abgeben.

Es ergibt sich dadurch der Vorteil, daß beliebige Kantenverläufe annähernd gleich gut wiedergegeben werden können, wobei der Aufwand kaum größer ist als bei der Vorhersage mittels Linearkombination mit festem Prädiktionsalgorithmus.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Laufzeitkette weitere Anzapfungen hat, von denen Signale abgegriffen werden , die bezüglich ihrer Verzögerung gegenüber dem aktuellen Signal des Bildpunktes weiteren zu berücksichtigenden benachbarter Bildpunkten entsprechen. Eine andere Weiterbildung besteht darin, daß eine zusätzliche Einrichtung mit einem erkennenden und einem auswertenden Teil vorgesehen ist, daß der erkennende Teil von mehreren und unterhalb eines bestimmten Betrages liegenden Differenzsignalen aus den Subtrahierstufen erregt wird und einen ortsentsprechenden Befehl an den auswertenden Teil abgibt, daß der auswertende Teil eingangsseitig mit den Abgriffen der Laufzeitkette verbunden ist und auf den ortskennzeichnenden Befehl hin eine Mittelung bestimmter Eingangssignale durchführt und daß der gemittelte Wert an dem Ausgang als Vorhersagewert bereitgestellt wird.

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Es ergibt sich dadurch der Vorteil, daß die Bildqualität weiter verbessert werden kann.

Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig.l die Lage von Bildpunkten und Zeilen in der Nähe eines zu verarbeitenden Bildpunktes sowie eine Tabelle, in der einige mögliche Linearkombinationen mit festen Prädiktionsalgorithmen aufgestellt sind,

Fig.2 den Spannungsverlauf eines Bildsignals längs einer Zeile beim Auftreten einer Kante,

Fig.3 Amplituden-Höhenlinien in der Bildebene, die zu der Projektion des in Fig.2 dargestellten Spannungsverlaufs gehören und

Fig.4 ein Blockschaltbild einer DPCM-Einrichtung mit der erfindungsgemäßen adaptiven Prädiktion.

Zur Übertragung eines scharfen HelligkeitsSprungs muß ein möglichst guter Vorhersage- oder Prädiktionswert gebildet werden,

Zur Gewinnung eines Prädiktionswertes eignen sich insbesondere Bildpunkte in derselben und der vorhergegangenen Zeile. Fig.l zeigt schematisch die Zellenstruktur und die Lage geeigneter Bildpunkte in der Nähe des zu verarbeitenden

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(aktuellen) Bildpunktes X. Gestrichelt sind die beim Zeilensprungverfahren auftretenden Mlen des vorhergegangenen Halbbildes. Für die Ermittlung eines Prädiktionswertes £ für den aktuellen Bildpunkt X gibt es eine Reihe von Algorithmen, von denen einige in der zugehörigen Tabelle aufgeführt sind. Der Prädiktionswert ic ergibt sich aus einer Linearkombination der Abtastwerte der umliegenden Bildpunkte. Durch Verwendung mehrerer Bildpunkte soll die Prädiktion verbessert werden, was jedoch, wie schon gesagt, nicht für jedem Fall möglich ist.

Fig.2 zeigt den Spannungsverlauf eines Bildsignals längs einer Zeile beim Auftreten einer Kante, Zusätzlich sind die Äbtastpunkte eingezeichnet. Möchte man eine das Bild durchziehende Kante in der Bildebene zweidimensional darstellen, so eignen sich dazu - wie bei einer Landkarte die Höhenlinien - hier die Amplitudenhöhenlinien, zu deren Ermittlung der Aussteuerungsbereich durch Höhenstufen linear geteilt durchzogen ist. Durch Projektion der Schnittpunkte des Bildsignals mit diesen Höhenstufen erhält man die in Fig.3 dargestellten Amplitudenhöhenlinien. Sind diese weit voneinander entfernt, so liegt ein flacher Anstieg vor; drängen sie sich, so handelt es sich um einen steilen Anstieg.

Der in Fig.3 in Form von Höhenlinien dargestellte Kantenverlauf soll die erfinderische Lehre anschaulich machen.

Es fällt auf, daß die Richtung der Kante am Punkt X aus der Richtung der Kante eines bdiebigen benachbarten Punktes z.B. ^Xi-1 ^{der vor}hergehenden Seile entnommen werden kann. Ermittelt man also in der Zeile vorher den aufgrund seiner Differenz2um Punkte X·, am besten für eine Prädiktion

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geeigneten Punkt (A oder B oder C oder D, jeweils mit Index i-1), so kann diese Richtung auch für den Punkt X. der aktuellen Zeile verwendet werden.

Im vorliegenden Beispiel gemäß Fig.3 ergibt sich als beste Voraussage für X^₁ der Punkt B_1-1. Verwendet man also in der aktuellen Zeile für den Punkt X. als Vorhersage den Punkt B. (Punkt A. , der Zeile i-1), so erhält man aufgrund des weitgehend parallelen Verlaufs der Höhenlinien im betrachteten kleinen Bildausschnitt auch für den aktuellen Bildpunkt X^ eine gute Voraussage, Im Beispiel wurde der um eine Zeilendauer verzögerte Punkt Cj (X-, der Zeile i-1) als Referenzpunkt zur Bestimmung der Kantenrichtung verwendet, Die vier möglichen Richtungen (A,B,C,D) können durch zwei Richtungsbit gekennzeichnet werden und stehen nach einer Verzögerung um eine Zeile T₂ für den Punkt Xj zur Verfügung. Gemäß Fig.3 kann jedoch auch ein anderer Punkt, also A oder B oder D als Referenzpunkt zur Richtungsbestimmung verwendet werden, wobei der Punkt A deshalb besonders günstig erscheint, weil er bei einer maßstäblichen Darstellung von Zeilen- und Bildpunktabstand dem Punkt Xj näher liegt und weil die Richtungsinformation nur um das Abtastintervall T verzögert werden muß. Es läßt sich zeigen, daß immer

die Kantenrichtung besonders gut verarbeitet wird, die in Richtung zum Referenzpunkt liegt. Bei A. als Referenzpunkt werden demnachvj&agerechte, bei C. senkrechte Kanten völlig fehlerfrei vorausgesagt. Bei anderen Richtungen kann es für den ersten und letzten Punkt einer Kante unter Umständen zu einer ungünstigen Richtungsvorhersage kommen, da am Kantenanfang und -ende die Höhenlinien weit auseinanderliegen und eine Bestimmung der Richtung aufgrund der kleinsten

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Differenz deshalb unsicher ist. Durch Erweiterung des prinzipiellen Verfahrens lassen sich diese Unsicherheiten jedoch ausräumen.

Für die Durchführung dieser adaptiven Prädiktion ergibt sich demnach die folgende einfache Regel:

Man bestimme an einem Referenzpunkt denjenigen Punkt A, B, C oder D, von dem die Vorhersage am günstigsten vorgenommen worden wäre. Für den aktuellen Bildpunkt X wähle man als Vorhersage dann denjenigen der ihn umgebenen Punkte A, B, C oder D, der zu X die gleiche relative Lage hat wie der für den Referenzpunkt ausgewählte Punkt,

Diese Regel ist in dem in Fig.4 dargestellten Ausführungsbeispiel realisiert. Sende- und Empfangsseite sind durch eine enggestrichelte Linie getrennt, Unter&alb der weitgestrichelten Linie ist der adaptive Prädiktor mit Eingang m und Ausgang η dargestellt. Der Prädiktor auf der Empfangsseite ist nicht dargestlelt, da er mit dem der Sendeseite identisch ist; er wird an Eingang m¹ und Ausgang η¹ angeschlossen.

Oberhalb der weitgestrichelten Linie sind die Elemente einer bekannten DPCM-Einrichtung dargestellt, deren Arbeitsweise als bekannt vorausgesetzt wird. Zu erwähnen ist, daß zu der bekannten DPCM-Einrichtung ein Laufzeitglied gehört, das mit seinem Eingang an Punkt m bzw, m¹ und mit seinem Ausgang an Punkt η bzw, η' angeschlossen wird. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird das bekannte Laufzeitglied durch den adaptiven Prädiktor ersetzt.

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Alle am Eingang m des Prädiktors eintreffenden Bildsignale durchlaufen eine für 8-Bit-Signale eingerichtete Laufzeitkette, die entsprechend der in diesem Beispiel berücksichtigten vier Bildpunkte A.,,D, viergliedrig ist. Nach einer Verzögerung um T , diese Zeit entspricht dem Abtastintervall von Bildpunkt zu Bildpunkt, wird die Laufzeitkette nach dem ersten Glied an der mit A gekennzeichneten Stelle abgegriffen. Mit dieser Zeitverzögerung wird die örtliche Zuordnung des Bildpunktes A relativ zum aktuellen Bildpunkt X festgelegt. Die Bildpunkte B, C und D erhält man durch entsprechende weitere Laufzeitglieder.

Angemerkt sei, daß es sich bei den Bildpunkten A,,,D selbstverständlich nicht um feste Bildpunkte, sondern um solche gemäß Fig.l handelt, die in Relation zum aktuellen Bildpunkt X stehen.

Jedes positionsanaloge, von der Laufzeitkette abgegriffene Signal wird je einer Subtrahierstufe Diff2,.,5 zugeführt, in der die absoluten Differenzen IX-Ai , iX-Bi , IX-CI gebildet werden, die an den Punkten a, b, c und d anstehen. Es soll die betriebsmäßig kleinste Differenz zum Abtastwert des aktuellen Bildpunktes X ausgesucht und der zugehörige Bildpunkt durch eine Ortsangabe mit 2 Bit gekennzeichnet werden. Dazu werden die Differenzen an den Punkten a und b einem Komparator Kl und die Differenzen an den Punkten c und d einem Komparator K2 zugeführt. Der eine Ausgang des Komparators Kl führt ein Signal, wenn a>b und der andere, wenn aSb, Entsprechend liefert der Komparator K2 die Ausgangssignale c> d und c^d, Es sei angenommen, daß a> b. An dem einen Eingang des UND-Tores Ul liegt dann ein entsprechendes

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binäres Durchschaltesignal an. Da an dem anderen Eingang des UND-Tores Ul das kleiners Signal b anliegt, wird dieses durchgeschaltet zu dem Eingang e eines dritten Komparators K3. Eingang e führt also das vom Komparator Kl durchgeschaltete kleinere Signal b. Im Komparator K3 werden die Signale, die die Punkte e und f führen,verglichen; der eine Ausgang liefert ein Ausgangssignal 0B2, wenn e> f. Zur Kennzeichnung der vier möglichen Richtungen sind zwei Ortsbit erforderlich (vgl, Tabelle Fig,4), Eines ist das Ortsbit 0B2 und das andere, OBl, wird von einer ODER-Torschaltung O geliefert,die von den Signalen a> b aus dem Komparator Kl und c^>d aus Komparator K2 gesteuert wird. Die Zwei-Bit-Ortsangabe dient zur Durchschaltung des Prädikationswertes S an den Ausgang η.

Da die Vorhersage an einem der Punkte A, B, C oder D erfolgt, muß die Durchschaltung zu einem ortsanalogen Zeitpunkt erfolgen. Dies wird durch ein ortsentsprechendes Laufzeitglied TO erreicht. Je nachdem, ob als Referenzpunkt für die Richtungsbestimmung A, B, C oder D genommen wird, müß die Laufzeit TO entweder gleich T , T +T , T oder T-T sein. Diese Laufzeit wird einmal fest eingestellt.

Die Durchschaltung des Prädiktionswertes S wird von einem der ÜND-Tore U5, U6, U7 oder U8 ausgeführt. Der Durchschaltebefehl ist die vom Laufzeitglied TO abgegebene 2-Bit-Ortsausgabe, die für jedes der leiden Bit OBl und 0B2 getrennt voneinander allen ersten und zweiten Eingängen den ÜND-Toren U5...U8 zugeleitet wird. Um zu verhindern, daß ein Durchschaltebefehl mehr als ein bestimmtes Tor öffnet, sind die ersten und zweiten Eingänge der ÜND-Tore U5...U8 unterschiedlich

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ausgebildet (z.T. iJegationseingänge) , So wird erreicht, daß z.B. der Durchschaltebefehl OBl und das Tor U6 öffnet und den Prädiktionswert vom Abgriff C der Laufzeitkette durchschaltet. Alle Ausgänge der Tore U5,,.U8 sind in dem Punkt η zusammengefaßt, der der Ausgang des Prädiktors ist.

Das beschriebene Prinzip läßt sich sd.bstverständlich auf weitere, flacher verlaufender Richtungen durch Aufnahme von Punkten links und rechts von B und D und durch zusätzlich eingefügte Punkte zwischen B...C und C...D für nahezu senkrecht verlaufende Kanten erweitern«

Ferner läßt sich die erwähnte Unsicherheit der Richtungsentscheidung zu Beginn und Ende einer Kante verringern oder ganz vermeiden. Dazu werden sämtliche Punkte A,B,C und D als Prädiktionspunkte für die Richtungsbestimmung verwendet. Eine Verringerung der Unsicherheit erhält man durch eine Mittelung über die ermittelten Ortsangaben, was sich sehr einfach in nicht dargestellter Weise durch eine Addition der vier Binärzahlen und eine Verschiebung der Summenbinärzahl um zwei Stellen nach rechts, was einer Division durch vier entspricht, erreichen läßt. In Gebieten am Anfang und Ende einer Kante gibt es im allgemänen mehrere Punkte, die als gute Prädiktion dienen könnten, von denen aber aufgrund der in Fig.4 gezeigten harten Größer-Kleiner-Entscheidung ein Punkt ausgewählt wird. iJimmt man jedoch alle Punkte, deren Differenz zum aktuellen Bildpunkt einen gewissen Betrag nicht überschreitet, in die Gruppe der möglichen Prädiktionspunkte auf und mittelt für die vier Referenzpunkte über all diese möglichen Prädiktionspunkte, so wird sich eine Vorzugsrichtung für die Prädiktion herausbilden, die nicht durch knappe Entscheidungen zugunsten einer Richtung verfälscht sein kann. Allerdings bedeuten diese Erweiterungen einen zusätzlichen Aufwand.

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Claims

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Patentansprüche

QA Anordnung zur Bildübertragung nach dem DPCM-Verfahren, bei der sowohl im Sende- als auch im Empfangsteil in einer Rückkopplungsschleife ein Laufzeitglied angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stelle des Laufzeitgliedes mit seinem Eingang m und seinem Ausgang η ein Kreis angeschaltet ist, der eine Laufzeitkette sowie Subtrahierstufen (Diff2.,.5) enthält, an denen die am Eingang m anstehenden Signale (Helligkeitswerte) anliegen, daß die Laufzeitkette an mehreren Stellen Abgriffe aufweist, von denen die Helligkeitswerte der zu berücksichtigenden Bildpunkte (A,,,D) abgegriffen werden, daß die von der Laufzeitkette abgegriffenen Signale (A..,D) an die Subtrahierstufen (Diff2..,5) angelegt werden, die an ihren Ausgängen Differenzsignale ihrem Betrag nach (z.B. /X-Ci ) bereitstellen, daß Komparatoren (Kl,,,3) vorgesehen sind, an die je zwei Differenzsignale angelegt werden, von denen mittels einer Logik (Ul...4) das Differenzsignal mit dem kleinsten Betrag ermittelt wird, daß aus den AusgangsSignalen der Komparatoren ein Ortskennzeichen abgeleitet wird, daß ein Laufzeitglied (TO) vorgesehen ist, welches das Ortskennzeichen um eine dem Abstand von aktuellen Bildpunkten (X) zu einem Referenzpunkt (z.B. A) analoge Zeit verzögert, daß Torschaltungen (U5...8) vorgesehen sind, die mit den Anzapfungen (A...D) der Laufzeitkette verbunden sind und durch ein Ortskennzeichen (OBl-2) gesteuert, den anliegenden Wert als Vorhersagewert (£) abgeben.

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2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Laufzeitkette weitere Anzapfungen hat, von denen Signale abgegriffen werden, die bezüglich ihrer Verzögerung gegenüber dem aktuellen Signal des Bildpunktes (X) weiteren zu berücksichtigend«!benachbarten Bildpunkten entsprechen.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Subtrahierstufen (Diff2.,.5) in Zweiergruppen zusammengefaßt werden, so daß von je zwei Subtrahier stuf' ;n (Diff2-3, Diff4-5) und einem Komparator (Kl ,K2) mit einer zugehörigen Logik (Ul-2, U3~4) das Differenzsignal mit dem kleineren Betrag aus den Subtrahierstufen (Diff2,..5) weitergegeben wird, daß die jeweils kleineren weitergegebenen Differenzsignale aus zwei Zweiergruppen an einen nächsten Komparator gegeben werden, so daß der letzte Komparator das kleinste der kleineren Differenzsignale feststellt.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Einrichtung mit einem erkennenden und einem aus_T wertenden Teil vorgesehen ist, daß der erkennende Teil von mehreren und unterhalb eines bestimmten Betrages liegenden Differenzsignalen aus den Subtrahierstufen (Diff2.,.5) erregt wird und einen ortsentsprechenden Befehl an den auswertenden Teil abgibt, daß der auswertende Teil eingangsseitig mit den Abgriffen der Laufzeitkette verbunden ist und auf den ortskennzeichnenden Befehl hin eine Mittelung bestimmter Eingangssignale durchführt und daß der gemittelte Wert an dem Ausgang (η) als Vorhersagewert £ bereitgestellt wird.

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