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VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die
vorliegende Patentanmeldung bezieht sich auf die
U.S. Patentanmeldung US2002/087607 mit
dem Titel "Multiplierless
Pyramid Filter",
die am 3. Januar 2001 von Tinku Acharya eingereicht wurde, und auf
die
U.S. Patentanmeldung US2002/174154 mit
dem Titel "Two Dimensional
Pyramid Filter Architecture",
die am 26. März
2001 von Tinku Acharya eingereicht wurde, wobei beide Anmeldungen
auf den Zessionar der vorliegenden Erfindung übertragen worden sind.
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STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft Pyramidenfilter.
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Das
U.S. Patent US-A-4.829.378 offenbart eine Filterklasse zum Einsatz
in Verbindung mit der Subbandcodierung eines Videosignals. Die Filter weisen
eine kurze Länge
auf, sind symmetrisch und weisen Koeffizienten in der Form einer
ganzen Zahl auf, dividiert durch eine Zweipotenz. "A VLSI pyramid chip
for multi resolution image analysis" in International Journal of Computer
Vision, September 1992, Kluwer Academic Publishers, Seiten 177–189, offenbart
hoch entwickelte Techniken und eine Bildverarbeitung sowie maschinelles
Sehen, durch welche aus einem Quell- bzw. Ursprungsbild mehrere
Bilder mit entsprechenden Auflösungen
und entsprechenden Abtastraten erzeugt werden können.
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Bei
der Bildverarbeitung ist es häufig
wünschenswert,
ein Bild, wie etwa ein gescanntes Bild, in zwei oder mehr separate
Bilddarstellungen zu zerlegen. In diesem Zusammenhang werden diese
Bilder als Hintergrund- und Vordergrundbilder bezeichnet. Zum Beispiel
kann ein Farb- oder
Graustufendokumentbild in Vordergrund- und Hintergrundbilder für effiziente
Bildverarbeitungsoperationen zerlegt werden, wie etwa für Verbesserungen,
Komprimierung, etc., wie diese in einem typischen Kopiergerät oder Scanner
eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang wird diese Operation häufig als
Entrasterungsoperation bezeichnet. Die Entrasterung wird teilweise auch
für die
Entfernung von Halbtonmustern eingesetzt, die in einem ursprünglichen
gescannten Bild existieren können.
Diese Halbtonmuster können
zum Beispiel für
das menschliche Auge unerwünschte
Artefakte verursachen, wenn sie nicht richtig entfernt werden. Der
traditionelle Ansatz für
diese Zerlegung oder Entrasterung ist das Filtern des Farbbilds,
um es unscharf zu gestalten. Die unscharfen Ergebnisse werden danach
eingesetzt, um die Bestimmung zu unterstützen, wie stark das Bild unscharf
gestaltet und schärfer
gestaltet werden soll, um die Zerlegung zu erzeugen. Für gewöhnlich kann
dieses diese Unschärfe
erreicht werden unter Verwendung eines "symmetrischen Pyramidenfilters". Symmetrische Pyramidenfilter
mit begrenztem Ansprechverhalten auf einen Impuls (FIR-Filter) sind allgemein
bekannt.
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Ein
Nachteil dieser Bildverarbeitungstechnik ist es jedoch, dass die
Komplexität
um ein Vielfaches zunimmt, wenn eine Reihe von Pyramidenfiltern
unterschiedlicher Größe parallel
eingesetzt wird, um mehrere unscharfe Bilder zu erzeugen, um die
gerade vorstehend beschriebene Technik einzusetzen. Ein radikaler
Ansatz für
diese Methode mit mehreren Pyramidenfiltern ist der parallele Einsatz
mehrerer FIR-Filter, wie dies in der Abbildung aus 1 veranschaulicht
ist. Ein derartiger Ansatz zeigt, dass das Entwickeln und die Implementierung
schneller "symmetrischer
Pyramidenfilter"-Architekturen
wünschenswert
sein kann, um verschiedene unscharf gestaltete Bilder parallel aus
einem einzigen Quellenbild zu erzeugen.
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Die
für jeden
FIR-Block aus 1 bereitgestellten Zahlen bzw.
Ziffern stellen den Pyramidenfilter mit entsprechender Länge dar.
Zum Beispiel sind (1, 2, 1) die Filterkoeffizienten für einen
symmetrischen Pyramidenfilter mit begrenztem Ansprechverhalten auf
einen Impuls (FIR) der Ordnung oder Länge von 3. In ähnlicher
Weise sind (1, 2, 3, 2, 1) die Koeffizienten für einen FIR-Pyramidenfilter
der Ordnung 5, und so weiter.
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Leiter
weist der in der Abbildung aus 1 dargestellte
Ansatz Nachteile auf. Zum Beispiel kann aus redundanten Berechnungen
eine Ineffizienz resultieren. In ähnlicher Weise setzen FIR-Implementierungen
häufig
Multipliziererschaltungen ein. Zwar existieren Implementierungen
zur Reduzierung oder zum Vermeiden des Einsatzes von Multiplizierern, wie
etwa in Verbindung mit Verschiebungs- und Summierungsschaltkreisanordnungen,
was in der Folge zu einer erhöhten
Taktung führen
und somit den Durchsatz der Schaltung reduzieren kann. Somit werden
verbesserte Implementierungen oder Architekturen für das Pyramidenfiltern
benötigt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Der
Gegenstand der Erfindung ist in dem abschließenden Teil der Patenschrift
ausgeführt
und wird darin genau beansprucht. Der beanspruchte Gegenstand der
Erfindung wird in Bezug auf den Aufbau und die Funktionsweise sowie
in Verbindung mit Aufgaben, Merkmalen und Vorteilen der Erfindung
am besten verständlich
in Bezug auf die folgende genaue Beschreibung, wenn diese in Verbindung
mit den beigefügten
Zeichnungen gelesen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm eines radikalen Ansatzes zur Implementierung einer
Mehrfachpyramidenfilterarchitektur mit begrenztem Ansprechverhalten
auf einen Impuls (FIR);
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2 einen
Abschnitt eines Ausführungsbeispiels
eines Endlos-Summenfilters (RSF);
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3 ein
Ausführungsbeispiel
einer Komponente oder einer Teilkomponente aus 2;
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4 das
Ausführungsbeispiel
aus 2 in einem Ausführungsbeispiel eines multipliziererlosen Pyramidenfilters;
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5 eine
Tabelle einer chronologischen Folge von Zustandsvariablen-Signalabtastungen
für eine
Implementierung eines Endlos-Summenfilters; und
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6 eine
Tabelle einer chronologischen Folge bzw. Sequenz gefilterter Ausgangssignalabtastungen
für eine
Implementierung eines Pyramidenfilters.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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In
der folgenden genauen Beschreibung sind zahlreiche besondere Einzelheiten
ausgeführt,
um ein umfassendes Verständnis
des beanspruchten Gegenstands der vorliegenden Erfindung zu vermitteln.
Der Fachmann auf dem Gebiet versteht jedoch, dass der beanspruchte
Gegenstand der Erfindung auch ohne die besonderen Einzelheiten ausgeführt werden
kann. In anderen Fällen
wurde auf die nähere Beschreibung
allgemein bekannter Verfahren, Abläufe, Komponenten und Schaltungen
verzichtet, um den beanspruchten Gegenstand der Erfindung nicht unnötig zu verschleiern.
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Wie
dies bereits vorstehend im Text beschrieben worden ist, kann das
Pyramidenfiltern, im Besonderen das symmetrische Pyramidenfiltern,
in Verbindung mit Farbbildern oder der Farbbildverarbeitung eingesetzt
werden, um das Bild zu zerlegen bzw. zu entrastern, wie etwa in
ein Hintergrund- und ein Vordergrundbild. Der Umfang des beanspruchten Gegenstands
der Erfindung bzw. der vorliegenden Erfindung ist darauf zwar nicht
beschränkt,
jedoch sind in diesem Zusammenhang Pyramidenfilterarchitekturen
besonders wünschenswert,
welche die Rechenkomplexität
oder Verarbeitung und/oder die Hardwarekosten senken. In ähnlicher
Weise wünschenswert
sind multipliziererfreie Implementierungen, die bei der Implementierung
eine Multiplikation nicht speziell einsetzen, da derartige Implementierungen
oder Ausführungsbeispiele
für gewöhnlich kostengünstiger
implementiert werden können
als Ausführungsbeispiele,
die Multipliziererschaltungen einsetzen. Wünschenswert sind somit auch
Implementierungen, welche weniger Multiplikationen einsetzen.
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Der
Umfang des beanspruchten Gegenstands der vorliegenden Erfindung
ist diesbezüglich zwar
nicht beschränkt,
jedoch zeigt die Abbildung aus 2 ein Ausführungsbeispiel 200 einer "Endlos-Summenfilter"- oder RSF-Architektur,
die zur Implementierung eines vorgeschlagenen Pyramidenfilters eingesetzt
werden kann, wie dies nachstehend im Text näher beschrieben wird. Das Ausführungsbeispiel 200 umfasst
eine kombinierte kaskadierte Endlos-Summenfilterarchitektur zum
Erzeugen einer Mehrzahl von summierten Zustandsvariablen-Signalströmen S2, S3, S4,
... S7 für
eine Reihe oder Folge von Summenfiltern mit verschiedenen Ordnungen, wie
etwa Längen
von 3, 5, 7, usw., wobei die Erzeugung der Zustandsvariablen-Signalströme parallel erfolgt.
In dem speziellen vorliegenden Ausführungsbeispiel, wobei der Umfang
des beanspruchten Gegenstands der vorliegenden Erfindung diesbezüglich nicht
beschränkt
ist, wird ein gefilterter Zustandsvariablen-Signalstrom bei jedem
Taktzyklus für
jeden implementierten Filter mit einer anderen Ordnung erzeugt.
Das spezielle vorliegende Ausführungsbeispiel
ist somit nicht nur effizient in Bezug auf den Rechenaufwand, es
liefert zudem gute Ergebnisse in Bezug auf den Durchsatz. Wie dies
nachstehend im Text näher
beschrieben wird, können
die Zustandsvariablen-Signalströme
eingesetzt werden, um pyramidengefilterte Ausgangssignalströme zu erzeugen, wie
dies in der Abbildung aus 4 dargestellt
ist.
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Die
Abbildung aus 2 ist in Verbindung mit der
speziellen Bezeichnung zu verstehen. Zum Beispiel kann ein Eingangsquellensignal
X wie folgt bezeichnet werden: X = (X0, X1, ..., Xi-2, Xi-1, Xi, Xi+1, Xi+2, ...)
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Bei
der digitalen oder diskreten Signalverarbeitung kann das Filter
ausgedrückt
werden als eine Faltungsoperation ⊗ des Eingangssignals X und
ein Filter F, bei dem es sich in diesem Zusammenhang um einen digitalen
Filter mit endlicher Länge
handelt, hierin als FIR-Filter (Filter mit begrenztem Ansprechverhalten
auf einen Impuls) bezeichnet. Der gefilterte Ausgangssignalstrom
ist somit wie folgt gegeben: Y = X ⊗ F
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Wie
dies vorstehend im Text bereits beschrieben worden ist, werden in
diesem speziellen vorliegenden Ausführungsbeispiel Pyramidenfilter eingesetzt.
Diese Filter werden für
gewöhnlich
unter Verwendung digitaler Filter implementiert, die ungerade Längen oder
Ordnungen aufweisen, wie zum Beispiel 3, 5, 7, 9, etc. Dies kann
zum Beispiel ausgedrückt
werden als M = 2N + 1, wobei N eine positive ganze Zahl größer eins
ist. Einige Beispiele für derartige
digitale Filter sind wie folgt gegeben: F3 = (1, 2, 1) F5 = (1, 2, 3, 2, 1) F7 = (1, 2, 3, 4, 3, 2, 1) F9 = (1, 2, 3, 4, 5, 4, 3, 2, 1)... FM = (1, 2, 3, ..., N,
..., 3, 2, 1)
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Die
vorstehenden Filter, die gefilterten Ausgangssignale oder die Ausgangssignalströme können wie
folgt dargestellt werden:
B3 = X ⊗ F3 = (b0 3,
b1 3, ..., bi-1 3, bi 3, bi+1 3,
...) Ergebnis des Eingangssignals X gefiltert durch F3
B5 = X ⊗ F5 = (b0 5,
b1 5, ..., bi-1 5, bi 5, bi+1 5,
...) Ergebnis des Eingangssignals X gefiltert durch F5
B7 = X ⊗ F7 = (b0 7,
b1 7, ..., bi-1 7, bi 7, bi+1 7,
...) Ergebnis des Eingangssignals X gefiltert durch F7
B9 = X ⊗ F9 = (b0 9,
b1 9, ..., bi-1 9, bi 9, bi+1 9,
...) Ergebnis des Eingangssignals X gefiltert durch F9
BM = X ⊗ FM = (b0 M,
b1 M, ..., bi-1 M, b1 M, bi+1 M,
...) Ergebnis des Eingangssignals X gefiltert durch FM
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Eine
alternative Möglichkeit
zur empirischen Darstellung der gefilterten Ausgangssignalabtast- bzw.
-musterwerte ist wie folgt gegeben:
bi 3 = Xi-2 + 2Xi+1 + Xi
bi 5 = Xi-4 +
2Xi-3 + 3Xi-2 +
2Xi-1 + Xi
b1 7 = Xi-6 +
2Xi-5 + 3Xi-4 +
4Xi-3 + 3Xi-2 +
2Xi-1 + Xi
b1 9 = Xi-8 +
2Xi-7 + 3xi-6 +
4Xi-5 + 5Xi-4 +
4Xi-4 + 3Xi-2 + 2Xi-1 + Xi
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In ähnlicher
Weise kann durch in diesem Fall Zustandsvariablen bezeichnete Variablen
können
die vorstehenden Ausdrücke
wie folgt anders ausgedrückt
werden.
bi 3 =
Xi-1 + Si 3 mit Si 3 =
Xi-2 + Xi-1 + Xi
bi 5 = bi-1 3 +
Si 5 mit Si 5 = Xi-4 +
Xi-3 + Xi-2 + Xi-1 + Xi
bi 7 = bi-1 5 + Si 7 mit
Si 7 = Xi-6 +
Xi-5 + Xi-4 + Xi-3 + Xi-2 + Xi-1 + Xi
bi 9 = bi-1 7 + Si 9 mit
Si 9 = Xi-8 +
Xi-7 + Xi-6 + Xi-5 + Xi-4 + Xi-3 + Xi-2 + Xi-1 + Xi
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Eine Überprüfung der
Abbildung aus 4 zeigt, wie dies später im text
näher beschrieben
wird, dass die berechneten Ausgangssignalströme B3,
B5, B7, B9, etc. durch den Einsatz des in der Abbildung aus 2 als
Abschnitt des Ausführungsbeispiels aus 2 dargestellten
Ausführungsbeispiels
erzeugt werden kann.
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Die
Abbildung aus 5 zeigt eine Tabelle, welche
eine chronologische Folge von Zustandsvariablensignalen oder Zustandsvariablen-Signalströmen S2, S3, S4,
... S7 veranschaulicht, die entsprechend
gemäß der Abbildung
aus 2 erzeugt und in Bezug auf die Abbildung aus 3 näher beschrieben
werden. In ähnlicher
Weise zeigt die Abbildung aus 6 eine Tabelle
einer chronologischen Folge gefilterter Ausgangssignalströme B3, B5, B7, etc.
Wie dies in der Abbildung aus 4 dargestellt ist,
werden diese Ausgangssignalströme
unter Verwendung von Addierern, wie etwa 275, 285 und 295, sowie
von Verzögerungseinrichtungen,
wie etwa 270, 280 und 290, erzeugt.
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Zusätzlich zu
der Bereitstellung der gefilterten Ausgangssignalströme B3, B5, B7,
zeigt die Tabelle aus 6 die Erzeugung dieser gefilterten
Ausgangssignalströme
in chronologischer Taktanordnung, wie die dem Ausführungsbeispiel
der Pyramidenfilterarchitektur aus 2 zugeführt werden,
um die Zustandsvariablen-Signalabtastströme zu erzeugen.
Wie dies bereits vorstehend veranschaulicht worden ist, können Ausgangssignalströme erzeugt werden
aus Signalabtastwerten, wie etwa Xi und
Si, das heißt den Eingangssignalabtastwerten
und den Zustandsvariablen-Signalabtastwerten, wie dies nachstehend
im Text näher
beschrieben wird.
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Die
Tabelle aus 6 veranschaulicht, dass bi 7 erzeugt wird durch
Addieren des Eingangssignals bi 5 zu
si 7 gemäß den vorstehend
bereitgestellten Gleichungen. Das Signal bis wird um einen Taktzyklus verzögert. Erreicht
wird dies zum Beispiel durch ein Verzögerungselement oder die digitale
Verzögerungseinheit 290 aus 4.
Somit wird eine um einen Taktzyklus verzögerte Ausgangssignalabtastung B5 mit der Zustandsvariablen- Signalabtastung S7 summiert, so dass die Ausgangssignalabtastungen B7 erzeugt werden. In ähnlicher Weise kann die digitale
Verzögerungseinheit 280 eingesetzt
werden, um den Ausgangssignalabtaststrom B5 zu
erzeugen. In ähnlicher
Weise kann der Eingangssignalabtaststrom X verzögert und mit S3 summiert
werden, um den Pyramidenfilter-Ausgangssignalabtaststrom
B3 zu erzeugen.
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Hiermit
wird festgestellt, dass das Ausführungsbeispiel
einer Architektur aus 2 ein Ausführungsbeispiel einer Komponente
oder einer Teilkomponente, wie etwa 300, gemäß der Abbildung
aus 3 aufweist. Das Ausführungsbeispiel 300 aus 3 umfasst
eine Komponente mit drei Verzögerungseinheiten 310, 320 und 330 und
einem Addierer 340 mit drei Eingangsports. Ein Addierer
mit drei Eingängen
oder drei Eingangsports wird in dem speziellen vorliegenden Ausführungsbeispiel
eingesetzt, um eine sehr schnelle Implementierung bereitzustellen.
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In
dem speziellen vorlegenden Ausführungsbeispiel
werden die Verzögerungseinheiten
und der Addierer gekoppelt, um gefilterte Zustandsvariablen-Signalabtastungen
höherer
Ordnung oder Signalabtastströme
aus Eingangssignalabtastungen oder Signalabtastströmen und
gefilterte Zustandsvariablen-Signalabtastungen oder Signalabtastströme niedrigerer
Ordnung zu erzeugen. Zum Beispiel in Bezug auf das Ausführungsbeispiel
aus 3 umfasst Xi die Eingangssignalabtastung,
oder der Signalabtaststrom Si 2k-1 umfasst
die RSF gefilterten Zustandsvariablen-Signalabtastungen oder den
Signalabtaststrom niedrigerer Ordnung, und Si 2k+1 stellt die RSF gefilterten Zustandsvariablen-Signalabtastungen
oder den Signalabtaststrom dar. In dem speziellen vorliegenden Ausführungsbeispiel
entspricht die Differenz in Bezug auf die Ordnung zwischen den Zustandsvariablen-Signalströmen oder
Signalabtastsströmen
höherer
und niedrigerer Ordnung zwei, wobei der Umfang des beanspruchten
Gegenstands der vorliegenden Erfindung diesbezüglich jedoch nicht beschränkt ist.
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Die
Abbildung aus 4 zeigt eine Prinzipskizze eines
Ausführungsbeispiels
eines Pyramidenfilters, der das Ausführungsbeispiel einer RSF-Architektur
aus 2 aufweist. In der Abbildung aus 4 ist
das Ausführungsbeispiel
der RSF-Architektur mit 200 bezeichnet. Wenngleich dies
in der Abbildung aus 4 nicht dargestellt ist, weist 200 Komponenten
oder Teilkomponenten auf, wie etwa 210, 220 oder 230,
wie dies in der Abbildung aus 2 dargestellt
ist. Hiermit wird festgestellt, dass das Ausführungsbeispiel aus 4 auf
einer integrierten Schaltung 400 implementiert wird, wobei
der Umfang des beanspruchten Gegenstands der vorliegenden Erfindung
diesbezüglich
nicht beschränkt
ist.
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Hiermit
wird jedoch festgestellt, dass der beanspruchte Gegenstand der vorliegenden
Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen besonderen Ausführungsbeispiele
oder auf ein spezielles Ausführungsbeispiel
oder eine bestimmte Implementierung beschränkt ist. Zum Beispiel kann
ein Ausführungsbeispiel
in Hardware ausgeführt
werden, während
ein anderes Ausführungsbeispiel
in Software ausgeführt wird.
In ähnlicher
Weise kann ein Ausführungsbeispiel
in Firmware oder zum Beispiel in einer beliebigen Kombination aus
Hardware, Software oder Firmware ausgeführt werden. In ähnlicher
Weise kann ein Ausführungsbeispiel
eine Einrichtung wie etwa ein Speichermedium umfassen, wobei der
beanspruchte Gegenstand der vorliegenden Erfindung diesbezüglich jedoch
nicht beschränkt
ist. Auf einem derartigen Speichermedium, wie zum Beispiel einer
CD-ROM oder einem Plattenspeicher, können Anweisungen gespeichert
sein, die, wenn sie durch ein System ausgeführt werden, wie etwa durch
ein Computersystem oder eine Plattform oder ein bilddarstellendes System,
zum Beispiel zu einem Ausführungsbeispiel führen, wie
etwa einem Ausführungsbeispiel
eines Verfahrens des Filters oder der Verarbeitung zum Beispiel
eines Bilds oder eines Videos, wie dies vorstehend im Text bereits
beschrieben worden ist. Zum Beispiel kann eine Bildverarbeitungsplattform
oder ein Bildverarbeitungssystem eine Bildverarbeitungseinheit,
eine Video- oder Bild-Ein-/Ausgabevorrichtung und/oder einen Speicher
aufweisen.
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Bestimmte
Merkmale wurden hierin veranschaulicht und beschrieben, wobei es
für den
Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich ist, dass zahlreiche Modifikationen,
Ersetzungen, Abänderungen
und Äquivalente
möglich
sind. Die anhängigen
Ansprüche
decken somit alle derartigen Modifikationen und Abänderungen
ab, die dem beanspruchten Gegenstand der vorliegenden Erfindung
entsprechen.