DE2811852A1 - Generator zur erzeugung von speziellen fernseh-effekten - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

Dr. Ing. H. Liska

8 MÜNCHEN 86, DEN J /. \{^ POSTFACH 860 820 - "

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22 DXY/cb

MICRO CONSULTANTS LIMITED

Interface House, Croydon Road, Caterhaa, Surrey, England

Generator zur Erzeugung von speziellen Fernseh-Effekten.

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Die Erfindung befaßt sich mit der Erzeugung von speziellen Fernseh-Effekten und behandelt vor allem solche Erzeugungs- ' verfahren, die auf Digitaltechniken beruhen.

Es besteht stets ein Bedarf an der Schaffung von elektronischen Spezialeffekten, die sich im Rundfunk oder bei Produktionen der Post im Fernsehbereich verwenden lassen.

In der britischen Patentanmeldung Nr. 42751/76 (US-Patentanmeldung Kr. 841 519) ist bereits ein Prozessor beschrieben, der die linearen Abmessungen des Fernsehbildes verändern kann. Solche Variationen bewirken einen Echtzeit-"Zoom", d. h. einen Gummilinseneffekt in Istzeit, in das Bild hinein oder aus diesem heraus. Mit einem solchen Zoom kann das rechteckige Bild in eine kleinere oder größere Rechteckform, bezogen auf die normale Bildgröße, gebracht werden.

Die vorliegende Erfindung enthält eine Abwandlung des oben genannten Prozessorsystems, die eine Änderung der linearen Dimensionen erlaubt, während das Bildmotiv einer Gummilinsenänderung unterworfen wird.

Dieser Effekt soll es ermöglichen, daß ein rechteckiges Bild in ein Bild überführt werden kann, dessen Dimensionen nicht notwendxgerweise linear mit den Abmessungen des ursprünglichen Rechteckbildes verknüpft sind. Beispielsweise könnte das übliche Fernsehbild in ein kleineres kreisförmiges Bild umgewandelt werden.

Die Erfindung beschäftigt sich nicht nur mit symmetrischen Umrissen, wie beispielsweise kreisförmigen Bildern. Das im folgenden beschriebene System ist so ausgelegt, daß irreguläre Muster dem Umwandlungsprozeß zugrunde gelegt werden können, so daß sich in der Tat ein Umriß in den anderen umwandeln läßt.

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Die genannten Effekte sind an sich bekannt und werden bereits in der Filmindustrie eingesetzt. Sie bilden dort die Basis von Filrnproduktionseinrichtungen für "Kredite" und Hintergrundsmaterial -

Bei der Methode, in der diese Effekte bisher erzeugt worden waren, benötigte man beispielsweise einen Digitalrechner und ein Anzeigesystem mit langsamer Abtastung. In diesem vorbeücaBHiten Fall wurde der Effekt langsam Bild für Bild erzeugt und nach jedem Schritt fotografiert. Eine solche Anordnung, bei der Bild für Bild eine Fotografie angefertigt wird, arbeitet; relativ langsam und ist für Fernseh-Verhältnisse weniger geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System anzugeben, das in Echtzeit operiert und dessen Ausgang demzufolge im wesentlichen simultan übertragen oder auf ein Videoband aufgezeichnet werden kann. Zu diesem Zweck ist ein Generator zur Erzeugung von speziellen Fernseh-Effekten erfindungsgejnäß gekennzeichnet durch einen Videobandspeicher, der ein erstes Fernsehbild speichert, durch einen Videomaskenspeicher, der ein zweites, einer Maskenform entsprechendes Fernsehbild {Maskenbild) speichert, durch einen ersten Koeffizienten-Prozessor, der das gespeicherte erste Fernsehbild empfängt und ein Bild mit davon abweichender Größe liefert, durch einen zweiten Koeffizienten-Prozessor, der das gespeicherte Maskenbild empfängt und ein Bild mit davon abweichender Größe liefert, und durch ein veränderbares Steuerorgan, das mit dem ersten und mit dem zweiten Koeffizienten-Prozessor verbunden ist und eine wechselseitig abhängige Veränderung in der Größe der Bilder erzeugt.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 ein erfindungsgemäßes System zur Erzeugung der speziellen' Effekte,

Fig. 2 mehr im Detail den Prozessor für die Speicherung des Bildes und der Maske, zusammen mit dem Steuerorgan für die Kompression und Expansion des Bildes,

Fig. 3 die Flächenprozessor-Funktion der Anordnung der Fig. 2, Fig. 4 eine bekannte Flächenprozessor-Anordnung und Fig. 5 die Berechnung eines kreisförmigen Bildes.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Generators für Videoeffekte dargestellt.

Das übliche Fernsehbild, beispielsweise der in Fig. 1 eingezeichnete Baura, wird von einer Fernsehkamera 10 aufgenommen. Das Bild wird durch einen Analog-Digital-Umwandler (ADC) 11 in bekannter Weise in digitale Form umgewandelt und wird von einem Fernsehbildspexcher 12 empfangen. Zu dem gespeicherten Bild hat ein Videoprozessor 15, der weiter unten noch im einzelnen beschrieben wird, Zugriff. Das Bild wird nach seinem Durchgang durch den Prozessor mittels eines Digital-Analog-Wandlers (DAC) 18 in eine analoge Form zurückverwandelt.

Ein zweiter Bildpfad wird durch eine Kamera 20 geschaffen, die das Bild einer erforderlichen Maske, beispielsweise des eingezeichneten Kreises, empfängt. Die Bildinformation wird durch einen ADC 21 in digitale Form gebracht. Die Maskenbilddaten werden in einem Videonaskenspeicher 22 gespeichert, zu dem der Videoprozessor 15 Zugriff hat. Die vom Prozessor verarbeiteten Maskendaten werden - über einen DAC 28 - als Standardtast-Signal für die (nicht dargestellte) Mischkonsole im Studio verwendet. Das gleiche gilt für den Videoausgang aus dem DAC 18.

Die Maskenform braucht nicht unbedingt durch die Kamera 20

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erzeugt werden. Sie könnte stattdessen auch durch einen Computer 23 (beispielsweise einem PDP 11) aufgebaut werden, der mit dem Videomaskenspeicher 22 verbunden ist.

Die Vergrößerung oder Verkleinerung der Bilder mittels des Prozessors 15 werden durch das Zoom-Steuerorgan 26 gesteuert.

Die Konverter 11, 21 und 18, 28 sind Standardbauteile, die üblicherweise in Digital-Videosystemen Verwendung finden, und werden daher nicht näher beschrieben.

Der Videobildspeicher 12 enthält das Standardbild, das in einem digitalen Format überführt und gespeichert ist. Der Speicher enthält üblicherweise Speichereinheiten mit wahlweisem Zugriff, die über eine Speicherkapazität von mindestens 5OO Punkten in horizontaler Richtung und 500 Spalten in vertikaler Richtung und somit insgesamt über wenigstens 250 000 Plätze verfügen. Jeder Platz hat eine Auflösung von 8 Digital-Bits, dies entspricht 256 Graustufen.

Ein Bildspeicher dieser Art ist bereits aus der britischen Patentanmeldung Nr. 6585/76 (US-Patentanmeldung Nr. 764 148) bekannt. Drei derartige Speicher, die die Farben rot, grün und blau verarbeiten, sind erforderlich.

Um die Speicherkapazität in wirtschaftlich vertretbaren Grenzen zu halten und angesichts der an sich bekannten Tatsache, daß die Farbinformation in einem Fernsehformat in ihrer Frequenz beschränkt ist, ist es üblicher, für die Farbdifferenzsignale eine reduzierte Speicherkapazität einzusetzen. Diese Differenzsignale werden üblicherweise bezeichnet als I und Q bei NTSC-Signalen und als U und V bei PAL-Signalen.'

Der Videomaskenspeicher 22 hat entsprechend 500 Punkte in horizontaler Richtung und 500 Spalten in vertikaler Richtung

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mit 250 OOO Punkten in der Summe. Allerdings hat jeder Punkt nur eine Auflösung von 2 Bits. Dies reicht aus, um die Maskeninformation zu definieren. Man käme in der Tat sogar mit nur 1 Bit aus, da man nur die Anwesenheit bzw. Abwesenheit der Maske an jedem Bildpunkt anzuzeigen hat.

Die Maske kann, worauf bereits hingewiesen wurde, auch alternativ durch den Rechner 23 hergestellt werden. Um auf diese Weise die Maske aufzubauen, muß man nur den Ort eines bestimmten Bildpunktes definieren und bestimmen, ob dieser Punkt innerhalb oder außerhalb der Maskenfläche liegt.

Demzufolge enthält der Videomaskenspeicher 22 ein Muster aus Nullen und Einsen, das die Gestalt bei der stärksten Zoom-Verstellung definiert. Beispielsweise könnte die Videomaske ein kreisrundes Muster aus Nullen und Einsen enthalten. Dieses Muster könnte durch den Digital-Rechner 23 gebildet werden.

In einem anderen Beispiel könnte der Videomaskenspeicher 22 . den Umriß eines Pferdes enthalten. In diesem Fall wird das Bild durch die Fernsehkamera 2O eingegeben werden, die nach den Vorstellungen eines Künstlers von der erforderlichen Silhouette gestaltet ist.

Die Videomaske sorgt dafür, daß von dem digital arbeitenden Gerät für Spezialeffekte der Tast—Ausgang abgegeben wird. Dieses Ausgangssignal wird gewöhnlich auf eine beim Fernsehen übliche Mischkonsole gegeben, die unter dem Befehl des Tastsignals von der einen zur anderen Quelle umschalten kann. Ein solcher Schaltvorgang ist eine übliche Fernseh-Funktion dieses Mixers.

Enthält der Videomaskenspeicher beispielsweise ein kreisrundes Bild und wird das Tastsignal abgegeben, dann ist das am Ausgang des Videomixers sichtbare Bild das ursprüngliche Fern-

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sehbild, maskiert in der Form eines Kreises. Ein zweites Bild könnte entweder um die Außenseite des Kreises herum oder in die Mitte des Kreises eingegeben werden. Beide Alternativen .können durch Schaltung des Mixers ausgewählt werden.

Das Herzstück des Spezialeffektgenerators sind der Videoprozessor 15 und das ihm zugeordnete Steuerorgan 26, das sowohl das im Speicher 12 befindliche Fernsehbild als auch das iJH Speicher 22 befindliche Maskenbild aufnehmen und beide Bilder manipulieren kann.

Die grundlegende Bildraanipulation besteht in der Abänderung der linearen Dimensionen. Diese Bildbearbeitung ist in der bereits genannten britischen Patentanmeldung Nr. 42751/76 offenbart.

Um lineare Dimensionen in horizontaler wie vertikaler Richtung zu verändern, benutzt man Interpolationstechniken. Der Videoprozessor berechnet in Echtzeit die Information, die loan zur Erzeugung eines Bildes mit abweichender Größe unter Verwendung der bereits im Bildspeicher 12 enthaltenen Information benötigt.

Eine Möglichkeit, diese Berechnungen durchzuführen, sei nun anhand der Fig. 2 geschildert. Die Daten aus dem Bildspeicher 12 werden von einem Puffer-Formatgeber 30 empfangen, der mit einem Flächenprozessor 31 verbunden ist. Der Formatgeber 30 ist im wesentlichen ein Pufferspeicher, der den Daten ein solches Format gibt, das vom Flächenprozessor aufgenommen werden kann. Zur Expansion oder Kompression des Bildes synthetisiert der Flächenprozessor 31 aus der Information innerhalb eines vorgegebenen Bereiches (vgl. Fig. 3) einen neuen Bildpunkt. Der neue Bildpunkt (NPl) wird im vorliegenden Beispiel aus 9 umgebenden Bildpunkten berechnet. Nacheinander folgende Bildpunkte Pl bis P9 auf benachbarten Teilen N, N+l

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und Ν+2 werden über den Formatgeber 30 auf den Prozessor gegeben. Jeder dieser Punkte Pl bis P9 wird durch Koeffizienten Kl bis K9 modifiziert. Die resultierende Summe ist ein neuer Bildpunkt, der mit NPl bezeichnet wird. Es gilt also

NPl = KlPl + K3P3 usw. bis K9P9.

Bei Berechnung des nächsten Bildpunktes, beispielsweise NP2, haben die Koeffizienten Kl bis K9 für den entsprechenden neuen Bereich einen anderen Wert als die im ersten Bereich zugeordneten Koeffizienten. Daher gilt

NPl = KlA Pl + K2A P2 + K3A P3 + K9A P9 und

NP2 = KlB P2 + K2B P3 + K3B PlO + K9B P12.

Dabei sind PlO, 11 und 12 die nächsten Bildpunkte auf. den Zeilen N bzw. N+l bzw. N+2. Auf diese Weise bleibt der Eingang für den Flächenprozessor der gleiche, die Koeffizienten Kl bis K9 sind jedoch variabel.

Die Operation der Flächeninterpolation vollzieht sich in Echtzeit und da die Daten die eintreffende Information repräsentieren, die durch Horizontalabtastung erhalten werden, ändern sich die Koeffizienten Kl bis K9 auf der Länge einer Fernsehzeile, wobei zwischen den Bildpunkten umgeschaltet wird. In der gleichen Weise stellen in vertikaler Richtung die Grenzen zwischen den Zeilen die Koeffizientenwechsel dar. Daher ist die Anzahl der neuen Bildpunkte, die bei einer Bildkompression erzeugt wird, geringer als die ursprüngliche Zahl neuer Bildpunkte, wobei jedoch jeder neue Bildpunkt aus den Daten der neun nächsten Bildpunkte abgeleitet wird. Bei einer Bildexpansion ist die Zahl der erzeugten neuen Bildpunkte größer als die ursprüngliche Anzahl.

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Die Koeffizienten Kl bis K9 werden in einer getrennten Koeffizientenspeichereinheit 33 gespeichert. Das erforderliche Ausmaß der Kompression oder Expansion wird von Hand über ein analoges Steuerelement 35 im Block 26 eingestellt. Dieser Analogwert wird in einem Analog—Digital-Umwandler 34 in eine digitale Zahl umgesetzt und auf den Koeffizientenspeicher gegeben, so daß die erforderlichen Werte von Kl bis K9 für jede Einstellung des Kompression-Expansion-Steuerorgans zur Verwendung im Flächenprozessor 31 entnommen werden.

Der Flächenprozessor 31 ist detaillierter in Fig. 4 dargestellt- Multiplizierer 6O bis 68 empfangen jeweils Daten eines Bildpunktes (Pl bis P9) und multiplizieren diese Daten mit den zugehörigen Koeffizienten Kl bis K9. Diese Koeffizienten sind variabel, aber fest vorgegeben. Die modifiziertem Daten werden in einem Addierer 69, der ein Addierteil mit neun Eingängen zu je acht Bit enthält, aufsummiert. Der Ausgang des Addierers 69 stellt den neuen Bildpunkt NPl dar.

Die vom Flächenprozessor 31, d. h. von den Multiplizierern 6O bis 68, durchgeführte Multiplikation mit Koeffizienten kann unter Verwendung bekannter Speicher mit wahlweisem Zugriff (RAMs), die beispielsweise eine 8 χ 256-Bit-Kapazität haben, durchgeführt werden. Die Koeffizienten Kl bis K9 werden während eines Schreibzyklus in die Speicherplätze des RAMs gegeben. Die Koeffizientendaten aus dem Koeffizientenspeicher 33 werden auf den Dateneingang des RAMs geführt. Der Platz, in den die Daten jeweils eingeschrieben werden, wird durch den Speicheradressendateneingang bestimmt. Die Adressdaten werden auf dem normalen Weg auf den Adresseneingang gegeben. Während des Betriebes als Multiplizierer, d. h. beim Lesezyklus, werden die ankommenden Videodaten auf die "Adress"-Klemmen des RAMs geführt. Der RAM hat ausreichend viele Adressen, so daß jede eingegebene Zahl einen bestimmten

Platz im Speicher identifiziert. Somit ist an jedem Platz ein vorher eingegebener Koeffizient gespeichert, so daß bei Zugriff eines bestimmten Platzes - dieser Zugriff erfolgt in Abhängigkeit von den ankommenden Daten, die effektiv die Adresse definieren - die in diesem Platz gespeicherten Daten aus dem RAM ausgelesen werden. Diese Information besteht entweder aus einer Null oder einer Eins, abhängig von dem vorgegebenen Koeffizienten. Auf diese Weise wird die 8—Bit-Eingangsinformation für den Bildpunkt Pl insgesamt mit einem Koeffizienten Kl multipliziert.

Jeder der Koeffizienten Kl bis K9, der aus dem Speicher 33 "aufgesucht" wird, ist für jeden Bildpunkt unterschiedlich. Hinzu kommt, daß jeder Koeffizient auch noch für die verschiedenen gewählten Kompressions- oder Expansionsgrößen unterschiedliche Werte hat.

Der Ausgang des Flächenprozessors 31 wird vom Ausgangspufferspeicher 32 empfangen, der die Information so umordnet, daß sie in der für den DAC 18 erforderlichen zeitlichen Reihenfolge erscheint. Die geschilderte Kompression bzw. Expansion des Fernsehbildes einschließlich ihrer Modifikationen sind bereits aus der britischen Patentanmeldung Nr. 42751/76 sowie der US-Patentanmeldung Nr. 841 519, wie bereits erwähnt, bekannt.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist jedoch ein zweiter Bildpfad für die Maske, und zwar unter Verwendung eines Formgebers 4O, eines Flächenprozessors 41, eines Ausgangspufferspeichers 42 und eines Koeffizientenspeichers 43, vorgesehen.

Während die Arbeitsweise der Einheiten 4O bis 43 derjenigen der Einheiten 30 bis 33 ähnlich ist, vollziehen sich die Änderungen in den Koeffizienten, die im Koeffizientenspeicher "aufgesucht" werden, in etwas anderer Weise, und zwar aufgrund

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der Tatsache, daß die Maske keinen rechteckigen Umriß hat.

Wie bereits in Verbindung mit einem normalen Rechteckbild aus dem Bildspeicher 12 erläutert, wird ein neuer Bildpunkt aus verschiedenen Bildpunkten innerhalb einer ausgewählten Fläche berechnet. Für jeden unter diesen Bildpunkten bleibt der verwendete Horizontalkoeffizient für eine bestimmte Bildgröße, die durch das Steuerorgan 26 in Verbindung mit dem Koeffizientenspeicher 33 festgelegt wird, fest. Wählt man daher eine andere Bildgröße, so erhält der Horizontalkoeffizient für den gleichen Bildpunkt einen anderen Wert.

In ähnlicher Weise hat der Vertikalkoeffizient eines bestimmten Bildpunktes innerhalb einer vorgegebenen Fläche für eine vorgegebene Bildgröße einen festen Wert.

Ist jedoch im Maskenspeicher ein nicht rechteckiges Bild, bei spiel sv/ei se ein Kreis, gespeichert, so kann jeder Bildpunkt mit einem unterschiedlichen Koeffizienten versehen werden, um die erforderliche Kompression oder Expansion der Maske zu erzielen.

Fig. 5 zeigt die Basis für die Berechnungen, die man zum Komprimieren eines rechteckigen Bildes in ein im Maskenspeicher gespeichertes Kreisbild benötigt. Die Punkte Pl und P2 liegen auf der gleichen Zeile, während die Punkte P3 und P4 auf einer weiter unten im Bild verlaufenden Zeile liegen. Der Punkt Pl liegt senkrecht über dem Punkt P3, der Punkt P2 liegt senkrecht über dem Punkt P4.

Die Information, die der Prozessor zur Kompression des Rechteckbildes in einen Kreis braucht, besteht in den momentanen horizontalen und vertikalen Kompressionskoeffizienten. Ausgedrückt als ein Prozentsatz der vollen Zeilenlänge und -höhe ist der Koeffizient für die horizontale Komprimierung der Ab-

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stand Dl geteilt durch 64. Dabei ist Dl die Anzahl von Mikrosekunden, die bei der Zeilenabtastung zwischen den Punkten Pl und P2 vergeht.

Der Vertikalkoeffizient beträgt D2 geteilt durch 525. D2 ist dabei die Anzahl an Zeilen zwischen den Punkten Pl und P3. Die genannten Ausdrücke gelten unter der Voraussetzung, daß die Zeilenlänge 64 Mikrosekunden beträgt und daß das diskutierte System eine Anzahl von 525 Fernsehzeilen hat.

Ist der Inhalt des Speichers für die Maskenebene, der an jeder Stelle der Bildebene entweder 0 oder 1 sein kann, gegeben, so beinhaltet die Rechnung lediglich eine einfache Subtraktion zweier Zahlen, nämlich die Adressen der Punkte Pl und P2, mit einer anschließenden Division durch einen fest vorgegebenen Koeffizienten. In einem Ausführungsbeispiel führt der Digital-Rechner 23 die Berechnung als eine einfache software-Operation durch. Aus dem gegebenen Beispiel wird klar, daß die horizontalen und vertikalen Kompressionskoeffizienten sich von Zeile zu Zeile ändern, wenn ein nicht rechtwinkeliges Bild erzeugt werden soll. Die Basis der Berechnung kann jedoch stets aus dem oben geschilderten Beispiel extrapoliert werden, wobei man für Bildumrisse, die in gewisser Weise rekursiv ("re-entry") sind und mehr als zwei Punkte auf jeder horizontal verlaufenden Zeile haben, logische Regeln hinzuzunehmen hat.

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Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Generator zur Erzeugung von speziellen Fernseh-Effekten, gekennzeichnet durch einen Videobildspeicher (12), der ein erstes Fernsehbild speichert, durch einen Videomaskenspeicher (22), der ein zweites, einer Maskenform entsprechendes Fernsehbild (Maskenbild) speichert, durch einen ersten Koeffizienten—Prozessor (15; 31), der das gespeicherte erste Fernsehbild empfängt und ein Bild mit davon abweichender Größe liefert, durch einen zweiten Koeffizienten-Prozessor (15; 41), der das gespeicherte Maskenbild empfängt und ein Bild mit davon abweichender Größe liefert, und durch ein veränderbares Steuerorgan (26), das mit dem ersten und mit dem zweiten Koeffizienten-Prozessor (15; 31 bzw. 15; 41) verbunden ist und eine wechselseitig abhängige Veränderung in der Größe der Bilder erzeugt.
2. 2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Videobildspeicher und der Maskenbildspeicher jeweils einen digitalen Bildspeicher (12 bzw. 22) enthalten.
3. 3. Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Analog-Digital-Wandler (11, 21) vorgesehen ist, der ein analoges Videosignal in eine digitale Form bringt und dieses Digitalsignal auf die Digital-Bildspeicher (12, 22) gibt.
4. 4. Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem digitalen Bildspeicher (22) enthaltene Bildmaske durch einen mit dem Speicher verbundenen Rechner (23) erzeugt ist.
5. 5. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Koeffizienten-Prozessor (15,- 31 bzw. 15; 41) jeweils einen Koeffizientenspei-

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   eher (33, 43) enthalten, die verschiedene Koeffizienten speichern, derart, daß sich die Bildgröße in Abhängigkeit von den gewählten Koeffizienten verändern läßt.
6. 6. Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Koeffizienten durch das veränderbare Steuerorgan (26), das über einen Analog-Digital-Umwandler (34) mit jedem der Koeffizientenspeicher (33, 43) verbunden ist, ausgewählt werden.
7. 7. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem zweiten Koeffizienten-Prozessor (15; 41> stammende Maskenbild als Tastsignal für einen Mischer dient.
8. 8. Generator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastsignal von dem zweiten Koeffizienten-Prozessor (15; 41) über einen Digital-Analog-Wandler (28) geliefert wird.

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