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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Videogerät mit Mitteln
zur Histogrammveränderung
zum Anpassen von wenigstens Leuchtdichtesignalen (Y) für einzelne
Pixel an vorgeschriebene Werte, wobei diese Mittel zur Histogrammveränderung
einen (ersten) Speicher mit einer (ersten) Nachschlagtabelle (LUT)
aufweisen zum Korrigieren der genannten Video-Leuchtdichtesignale
(Y).
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Videobildinformation
kann aus drei Komponenten aufgebaut sein: Primärfarbsignalen E'G,
E'B, E'R oder
davon hergeleiteten Signalen, insbesondere einem Leuchtdichtesignal
E'y und
Farbdifferenzsignalen E'B-Y und E'R-Y. Die Primärfarbsignale E'G,
E'B, E'R sind
die gammakorrigierten Signale entsprechend der grünen, blauen
bzw. roten Information. Eine Gammakorrektur ist eine Kompensation
von CRT-Nichtlinearität
durch Einführung
einer kompensierenden Nichtlinearität in das System. Das Leuchtdichtesignal
E'y und
die Farbdifferenzsignale E'B-Y und E'R-Y werden von den Primärfarbsignalen hergeleitet,
die in PAL-Systemen angewandt werden, angegeben durch E'Y,
E'U und
E'V oder
der Einfachheit halber durch Y, U bzw. V.
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US-A-4.450.482
beschreibt ein Videogerät mit
Histogrammmodifikationsmitteln. Die Histogrammmodifikation darin
ist nur für
Leuchtdichtesignale Y verwirklicht. Die Histogrammmodifikationsmittel
eine Kontrastverbesserung; dies bedeutet, dass eine nicht lineare Übertragungsfunktion
Auf die Videosignale angewandt werden kann, damit eine gleichmäßigere Verteilung
von schwarzen, grauen und weißen
Pegeln erhalten werden kann. In der genannten bekannten Histogrammmodifikation
wird zunächst die
Verteilungsfunktion der Helligkeitspegel eines repräsentativen
Satzes von Pixeln, d.h. eines Histogramms, gemessen. Wie bereits
gesagt, kann dies eine ungleiche Verteilung von dunklen, mittleren
oder hellen Pixeln zeigen. Eine Korrekturfunktion wird berechnet,
die, wenn auf Videosignale angewandt, ein gleichmäßiger verteiltes
Histogramm ergibt, aber nicht unbedingt ein flaches Histogramm.
Die Korrektur kann eine 0-dimensionale Korrektur genannt werden,
weil jeder neue Pixelwert nur eine nicht lineare Funktion des ungeraden
Pixels an der gleichen räumlichen
und zeitlichen Stelle ist. Die nicht lineare Korrekturfunktion kann
sehr kompliziert sein, so dass dies einen Speicher mit einer Nachschlagtabelle (LUT)
erfordert. Mit Hilfe der Nachschlagtabelle wird ein Pixel auf einen
Wert Yo korrigiert.
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Es
ist u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Histogrammmodifikation zu schaffen. Dazu schafft die vorliegende
Erfindung eine Histogrammmodifikation, wie in den Hauptansprüchen definiert.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind
in den Unteransprüchen
definiert.
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In
der Praxis hat es sich herausgestellt, dass es erwünscht ist,
Histogrammmodifikationskorrektur in jedem der drei Videoinformationskanäle für die Leuchtdichte- und Farbdifferenzsignale
anzuwenden. Deswegen weist nach einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung das Videogerät
der eingangs beschriebenen Art das Kennzeichen auf, dass ein zweiter
Speicher mit einer zweiten Nachschlagtabelle vorgesehen ist, wobei
die Werte innerhalb der genannten zweiten Nachschlagtabelle von
den Werten in der ersten Nachschlagtabelle hergeleitet und zum Korrigieren
der Farbdifferenzsignale (U, V) angewandt werden.
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Da
die Abtastrate der Leuchtdichtesignale (Y) meistens die doppelte
Abtastrate der Farbdifferenzsignale (U und V) ist, ist ein Abtastratenwandler vorgesehen,
um die Abtastrate der Leuchtdichtesignale (Y) an die der Farbdifferenzsignale
(U und V) anzupassen, wobei die Ausgangssignale des genannten Abtastratenwandlers
dem zweiten Speicher zugeführt
werden.
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Die
erste Nachschlagtabelle enthält
korrigierten Leuchtdichtewerte entsprechend einer vorbestimmten
Korrekturfunktion zum Erhalten korrigierter Farbdifferenzsignale,
die zweite Nachschlagtabelle enthält Verstärkungswerte, die von der genannten Korrekturfunktion
hergeleitet werden können,
beispielsweise gebildet durch Werte der ersten Hergeleiteten der
Korrekturfunktion, während
das Gerät weiterhin
einen Multiplizierer aufweist, in dem die Farbdifferenzsignale (U
und V) durch Multiplikation mit den betreffenden Verstärkungswerten
korrigiert werden.
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Da
in der Praxis Farbdifferenzsignalnullwerte durch eine bestimmte
Zahl dargestellt wird, und derartige Signale mit Nullwert nicht
korrigiert werden müssen,
wird jedes Signal der Farbdifferenzsignale vor der Multiplikation
um einen Offsetwert verringert und nach der Multiplikation um den
genannten Offsetwert vergrößert.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
wird Fehlerfortpflanzung angewandt: dies bedeutet, dass zum Erhalten
einer Verteilung eines Rundungsfehlers über die Nachbarschaft eines
Pixels jeder der Kanäle
für die
Leuchtdichte- (Y) und die Farbdifferenzsignale (U und V) eine geschlossene
lsb ("least significant
bit") Korrekturschleife
mit einem Quantisierer und einem Pixelspeicher enthält, wobei
das Eingangssignal der lsb Korrekturschleife durch die korrigierten
Leuchtdichte- bzw. Farbdifferenzsignale gebildet wird.
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Aus
der oben genannten US-A-4.450.482 ist Histogrammmodifikation bekannt.
Nebst diesem Dokument sind viele Histogrammalgorithmen entwickelt worden.
Die meisten sind ziemlich kompliziert, weil für jeden Helligkeitspegel in
dem Histogramm ein korrigierter Wert berechnet wird. Es ist ebenfalls
aus EP-A-398268 bekannt, Nachschlagtabelle zu verwenden, d.h. eine
erste Nachschlagtabelle zum Umwandeln des RGB Farbeingangssignals
in ein Bildsignal, und eine zweite Nachschlagtabelle um das genannte
umgewandelte Bildsignal einer vorbestimmten Rauschverarbeitung an
dem gewichteten Signal auszusetzen. Nach der vorliegenden Erfindung
wird mit Hilfe ein Histogrammmodifikationseinheit geschaffen, mit
deren Hilfe aus einem gemessenen Histogramm eine Korrekturfunktion
berechnet wird , und zwar auf Basis von nur drei Pegeln, insbesondere schwarzen,
grauen und weißen
Helligkeitspegeln in dem gemessenen Histogramm mit nur drei Steuergliedern,
insbesondere Offset, Verstärkung
und Gamma, nach der unten stehenden Beziehung: V0 = [(Vi + Offset)·gain]Gamma Alle korrigierten Werte werden
aus dieser Beziehung erhalten.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im vorliegenden
Fall näher
beschrieben. Die Erfindung ist in dem beiliegenden Hauptanspruch
1 beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
Basisblockschaltbild einer Korrektureinheit für Leuchtdichtesignale und Farbdifferenzsignale,
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2 einen
Teil dieser Korrektureinheit, erweitert um Fehlerfortpflanzungsmittel,
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3 eine Darstellung der Steuerglieder für Histogrammmodifikation
nach der vorliegenden Erfindung, und
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4–6 Diagramme zur Erläuterung des Algorithmus für Histogrammmodifikation.
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1 zeigt
einen Leuchtdichtesignalkanal 1 und einen Farbdifferenzkanal 2.
Da die beiden Farbdifferenzkanäle
für U-
und V-Signale einander gleich sind, ist nur einer dieser Kanäle angegeben.
Dennoch kann ein einziger Kanal ausreichen, wenn die U- und die
V-Signale auf Multiplexbasis transportiert werden.
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Zum
Korrigieren des Eingangsleuchtdichtesignals Yi ist
ein Speicher 3 mit einer Nachschlagtabelle (LUT) vorgesehen,
wobei diese Nachschlagtabelle Leuchtdichteausgangssignale Yo enthält,
die mit den Leuchtdichteeingangssignalen Yi entsprechend
einer nicht linearen Korrekturfunktion Yo =
f(Yi) im Verhältnis stehen. Auf diese Weise
basiert der Inhalt der LUT auf einem Histogramm des Eingangsleuchtdichtesignals
Yi. Da die Farbdifferenzsignale Ui und Vi mit einem
entsprechenden Wert des variablen Verstärkungsfaktors Yo/Yi korrigiert werden muss, ist ein zweiter
Speicher 4 mit einer Nachschlagtabelle (LUT) versehen,
die Werte entsprechend im Wesentlichen der Verstärkung der oben stehenden Funktion, enthält. Mit
Hilfe eines Multiplizierers 5 werden die Eingangssignale
Ui und Vi mit den
betreffenden Werten aus der Nachschlagtabelle in dem zweiten Speicher 4 multipliziert.
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Da
die Abtastrate der Leuchtdichteeingangssignale Yi die
doppelte Rate der Farbdifferenzsignale Ui und
Vi ist, ist ein Abtastratenwandler 6 vorgesehen,
der einen Pixelspeicher (MP), eine Abwärtsabtasteinheit 8 für die Signale
Yi, eine Abwartsabtasteinheit 9 für die um
ein Pixel verzögerte
Signale Yi(T), eine Addiereinheit 10 und
einen Faktor-2-Teiler 11 aufweist.
Durch die Teiler 11 wird dem Speicher 4 ein Signal
geliefert, das einen Videosignal entspricht, das für zwei aufeinander
folgende Pixel gilt, wodurch die einzelnen Pixelwerte gemittelt
werden. Auf Basis dieses Signals liefert der Speicher 4 ein
Korrektursignal entsprechend im Wesentlichen einem betreffenden
Wert von Yo/Yi,
gespeichert in der Nachschlagtabelle des Speichers 4.
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Nachstehend
wird vorausgesetzt, dass das U- und das V-Signal durch eine 8-Bit-Zahl
dargestellt wird, wobei der maximale Wert 225 ist, und zwar entsprechend
einer Farbdifferenz "+1". Ein monochromes
U- oder V-Signal, d.h. die Farbdifferenz "0",
wird dann durch 128 definiert. Dazu ist ein Subtrahierelement 12 vorgesehen
zum Verringern des U- und des V-Signals um einen Offset-Farbdifferenzwert
128 und folglich um ein monochromes Signal auf einen Farbdifferenzwert "0" zu bringen, während nach Korrektur in dem
Multiplizierer 5 mit Hilfe eines Addierelementes 13 das
U- und das V-Signal um einen Offset- oder Differenzwert 128 erhöht wird,
so dass einem monochromen Signal wieder der Farbdifferenzwert "0" gegeben werden kann.
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In
dem vorliegenden Beispiel wird der Ausgang des Speichers 4 durch
eine 8-Bit Verstärkung ohne
Vorzeichen dargestellt, d.h. der Korrekturfaktor Yo/Yi und der Ausgang des Multiplizierers 13 durch
einen 16-Bit U- oder V-Wert, mit 7 Bits hinter dem "binären" Komma. Diese Bits
müssen "verworfen" werden bevor die
Videosignale Uo und Vo völlig ausgeliefert
werden. Dies wird durch Fehlerfortpflanzung verwirklicht; dies bedeutet
eine Verteilung eines Rundungsfehlers jeweils über einen Nachbarn des Pixels.
Da das Ausgangssignal des Speichers 3 ein 15 Bit Leuchtdichtesignalwert
ist und ein 8 Bit Leuchtdichteausgangssignal Yo erhalten
werden soll, hat dieser Wert auch 7 Bits hinter dem "binären" Komma, die "verworfen" werden sollen.
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Deswegen
umfasst in der Ausführungsform nach 2 jeder
der Kanäle
für die
Leuchtdichte- (Y) und Farbdifferenzsignale (U und V) eine geschlossene
lsb ("least significant
bit") Korrekturschleife 14 bzw. 14' mit einem Quantisierer 15, 15' und einem Pixelspeicher 16, 16', wobei der
Eingang der lsb Korrekturschleife 14, 14' durch die korrigierten
Leuchtdichtesignale bzw. die korrigierten Farbdifferenzsignale gebildet
wird. Dadurch, dass jeweils die 7 lsb's, die einen Quantisierungsfehler darstellen,
eines vorhergehenden Pixelwertes zu dem Y-, U- bzw. V-Wert in einem
Addierelement 17, 17' addiert werden, wird eine Neuverwertung
der 7 lsb's in einer
Pixelverzögerung
erhalten, was gewährleistet,
dass der mittlere Videopegel bis zu den letzten lsb's richtig sein wird, trotz
der rückwärtigen Quantisierung
zu 8 Bits mit Hilfe des 128-Teilers 18, 18'. Weil die nicht
linearen Übertragungsfunktionen
in den Nachschlagtabellen eine größere Wortlänge erfordern um eine ausreichend
genaue Quantisierung in dem Y-Kanal und eine ausreichende Variation
in der differentiellen Verstärkung
in dem U- und V-Kanal zu ermöglichen,
wird die Information in den addierten lsb's nicht verworfen, sondern über die
horizontalen Nachbarn verteilt um die mittlere Genauigkeit beizubehalten.
Eine derartige Verteilung bedeutet "Rauschformung". Hauptsächlich durch diese Rauschformung
können
die Leuchtdichtesignale und die Farbdifferenzsignale den Wert +255 übersteigen.
Um derartige nachteilige Effekte zu vermeiden, wird das 8- und 9-Bit
Ausgangssignal der Teile 18, 18' Clippern 19 bzw. 19' zugeführt.
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Wie
bereits angegeben kann der Inhalt der Speicher 3 und 4 jede
Frame-Periode erneuert
werden. Dies wird als Histogrammmodifikation bezeichnet. Histogrammmodifikation
schafft Kontrastverbesserung; dies bedeutet, dass die jeweiligen
Helligkeitspegel zwischen schwarz und weiß über die ganze Helligkeitsskala
besser verteilt werden. Da es durchaus bekannt ist, ein Histogramm
zu bestimmen, wird der Algorithmus an dieser Stelle nicht weiter
beschrieben. In den 4A, 5A und 6A ist eine
Anzahl vereinfachter Histogramme für 8 Helligkeitspegel dargestellt. 4A zeigt
ein flaches Histogramm mit gleichmäßig verteilter Helligkeit. 5A zeigt
ein Histogramm einer dunklen Szene mit mehr dunklen Pixeln, 6A zeigt
ein Histogramm einer hellen Szene mit einem Aufsatz, d.h. einem
positiven Aufsatz, für
Schwarz und mit mehr hellen Pixeln. Die 4B, 5B und 6B zeigen
die entsprechenden kumulativen Histogramme, berechnet aus den Histogrammen
der 4A, 5A bzw. 6A. Unter
Anwendung von linearer Interpolation werden die Pegel für "Schwarz", "Grau" und "Weiß" geschätzt, wobei
die kumulativen Histogramme die 3%, 37% und 97% kreuzen. Bevor der
graue Pegel geschätzt
wird, werden zunächst
etwaige große schwarze
oder weiße
Gebiete von dem Histogramm ausgeschlossen; Grau wird dann aus dem
reduzierten kumulativen Histogramm geschätzt. Dies vermeidet Probleme
durch große
schwarze oder weiße
Seitenplatten, die sonst die Bildstatistiken gestört werden.
Nach der Schätzung
des Schwarz-, Grau- und Weißpegels
wird eine zeitliche nicht lineare Tiefpassfilterung angewandt zum
Glätten
der Schwankungen in der Histogrammmodifikation da blinkende Bilder nicht
erwünscht
sind. Der nicht lineare Charakter des Filterprozesses führt zu einer
schnelleren Reaktion auf Bildschwarzpegel der herunter geht (mehr Schwarz)
oder einen Weißpegel,
der hoch geht (mehr Weiß)
und zu einer langsameren Reaktion zu weniger extremen Werten (einen
mehr grauen Schwarzwert und einen mehr grauen Weißwert) und als
Folge davon zu einer natürlicheren
Reaktion auf Szenenänderungen.
Danach werden die gefilterten schwarzen, grauen und weißen Pegel
in eine neue Nachschlagtabelle verwandelt. In diesem Algorithmus
aus den gefilterten schwarzen, grauen und weißen Pegeln werden drei Steuerparameter
berechnet, und zwar Offset, Verstärkung und Gamma, welche die
Y-Übertragungsfunktion
in dem Speicher 3 bestimmen. Die 4C, 5C und 6C zeigen
die Übertragungsfunktionen
Yo = f(Yi) für die betreffenden
Histogramme.
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Die
Steuerparameter Offset, Verstärkung und
Gamma sind in den 3A, 3B und 3C dargestellt.
In all diesen Figuren ist die Ausgangshelligkeit in Abhängigkeit
von den Eingangshelligkeitspegeln gegeben. In 3A zeigt
die Linie 20 einen Offset "0".
Die Linien 21 und 22 zeigen Offset-Linien "> 0" bzw. "< 0".
Diese Figuren zeigen die Schwankung der Helligkeit für Schwarz.
Der Offset-Parameter wird benutzt um "Schwarz auf Schwarz zu setzen". In 3B zeigt
die Linie 23 eine Verstärkung "1", während
die Linien 24 und 25 Linien mit Verstärkung "> 1" bzw. "< 1" zeigen.
Diese Figuren zeigen die Schwankung des Kontrastes für Weiß. Der Verstärkungsparameter
wird verwendet um "Weiß auf Weiß zu setzen". In 3C zeigt
die Linie 26 eine T (Gamma) "1",
während
die Kurven 27 und 28 eine T "< 1" bzw. "> 1" zeigen.
Der T-Parameter wird verwendet zum Verlagern des Graus, und zwar unabhängig von
dem Schwarz und dem Weiß.
Wenn eine Szene vorwiegend dunkle Gebiete aufweist, dann ist es
vorteilhaft die differentielle Verstärkung in der Nähe von Schwarz
zu steigern. Dies kann dadurch gemacht werden, dass die T der Videostrecke verringert
wird. Wenn eine Szene vorwiegend helle Gebiete aufweist, dann ist
es vorteilhaft, die differentielle Verstärkung in der Nähe von Weiß zu steigern. Dies
kann dadurch geschehen, dass die T der Videostrecke gesteigert wird.
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Die
drei Parameter können
zu der nachfolgenden Übertragungsfunktion
kombiniert werden: V0 =
[(Vi + offset)·gain]Gamma Diese
Funktion setzt Signale in einem Bereich von 0,0, ..., +1,0 voraus.
Mit Hilfe von nur drei Eingangswerten, und zwar den gefilterten
Schwarz-, Gau- und Weißpegeln,
werden drei Steuerparameter berechnet, und zwar Offset, Gamma und
Verstärkung,
welche die Y-Übertragungsfunktion
entsprechend der oben stehenden mathematischen Beziehung bestimmen.
Diese Beziehung ist eine gute Annäherung, aber in der Nähe des Punktes
(Vi, Vo) = (0, 0)
ist es notwendig, eine gerade Linie mit einer begrenzten Neigung
zu wählen.
Da in den U-, V-Kanälen
im Wesentlichen die gleiche absolute Verstärkung wie in dem Y-Kanal verwendet wird,
bestimmt der Inhalt der Nachschlagtabelle in dem Speicher 3 den
Inhalt der zweiten Nachschlagtabelle in dem Speicher 4.
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Es
dürfte
einleuchten, dass die vorliegende Erfindung sich nicht auf die in
der Zeichnung dargestellte bevorzugte Ausführungsform beschränkt. Es sind
viele Alternativen zum Durchführen
der Funktionen der jeweiligen Algorithmen möglich. Insbesondere kann die
oben stehende mathematische Beziehung durch andere Beziehungen ersetzt
werden: bei der Anwendung von drei gefilterten schwarzen, grauen
und weißen
Helligkeitspegelwerten sind drei Steuerparameter erforderlich; Die
Wahl dieser Parameter ist ziemlich beliebig. Die Begrenzung auf
drei Helligkeitspegelwerte und die spezifische Wahl der Steuerparameter
Offset, Gamma und Verstärkung
führen
in der Praxis zu einer ausreichend genauen Ausführungsform. Diese Parameter
lassen sich sicher manipulieren, sie werden wahrscheinlich nicht
zu unerwarteten Artefakten, wie deutlich sichtbaren Alias-Effekten
oder Kontureffekten und ähnlichen
Effekten, führen.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsformen werden
durch einen Algorithmus verwirklicht, von dem wenigstens ein Teil
in Form eines Computerprogramms sein kann, das imstande ist, Signalverarbeitungsmittel
in einem Videogerät
zu betreiben. Inso fern zeigt ein Teil der Figuren Einheiten zum
Durchführen
bestimmter programmierbarer Funktionen, diese Einheiten müssen als
Unterteile des Computerprogramms betrachtet werden. Insbesondere
die Nachschlagtabellen können
durch einen Teil des Computerspeichers verwirklicht werden.
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Es
sei bemerkt, dass die oben genannten Ausführungsformen die vorliegende
Erfindung illustrieren statt begrenzen und dass der Fachmann imstande
sein wird, im Rahmen der beiliegenden Patentansprüche viele
alternative Ausführungsformen zu
entwerfen. In den Patentansprüchen
sollen eingeklammerte Bezugszeichen die Anspruch nicht begrenzen.
Das Wort "umfassen" schließt das Vorhandensein
von Elementen oder Schritten anders als diejenigen, die in dem Anspruch
genannt sind, nicht aus. Das Wort "ein" vor
einem Element schließt
das Vorhandensein einer Anzahl derartiger Elemente nicht aus. Die
vorliegende Erfindung kann mit Hilfe von Hardware mit verschiedenen
unterschiedlichen Elementen, sowie mit Hilfe eines auf geeignete
Art und Weise programmierten Computers implementiert werden. In
dem Vorrichtungsanspruch, worin mehrere Mittel aufgezählt werden,
können
viele dieser Mittel durch ein und dasselbe Hardware-Item verkörpert werden.
Die Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in
untereinander verschiedenen Unteransprüchen genannte worden sind,
gibt nicht an, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht mit Vorteil angewandt
werden kann.