EP0984412A2 - Videobild-Überwachungsverfahren - Google Patents
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- EP0984412A2 EP0984412A2 EP19990116108 EP99116108A EP0984412A2 EP 0984412 A2 EP0984412 A2 EP 0984412A2 EP 19990116108 EP19990116108 EP 19990116108 EP 99116108 A EP99116108 A EP 99116108A EP 0984412 A2 EP0984412 A2 EP 0984412A2
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- G08B13/00—Burglar, theft or intruder alarms
- G08B13/18—Actuation by interference with heat, light, or radiation of shorter wavelength; Actuation by intruding sources of heat, light, or radiation of shorter wavelength
- G08B13/189—Actuation by interference with heat, light, or radiation of shorter wavelength; Actuation by intruding sources of heat, light, or radiation of shorter wavelength using passive radiation detection systems
- G08B13/194—Actuation by interference with heat, light, or radiation of shorter wavelength; Actuation by intruding sources of heat, light, or radiation of shorter wavelength using passive radiation detection systems using image scanning and comparing systems
- G08B13/196—Actuation by interference with heat, light, or radiation of shorter wavelength; Actuation by intruding sources of heat, light, or radiation of shorter wavelength using passive radiation detection systems using image scanning and comparing systems using television cameras
- G08B13/19602—Image analysis to detect motion of the intruder, e.g. by frame subtraction
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- G08B13/19602—Image analysis to detect motion of the intruder, e.g. by frame subtraction
- G08B13/1961—Movement detection not involving frame subtraction, e.g. motion detection on the basis of luminance changes in the image
Definitions
- the known video surveillance methods are, however not sufficiently sharp and also too sensitive against changes in scene lighting.
- the object of the invention is based on one video surveillance methods based on correlation analysis Specify measures that are selective and therefore secure object position video surveillance and video camera alignment control allow, taking in both cases a partial change of the scene if e.g. a part of scene to be monitored, for example, covered by one person or there is a not extremely extreme change in lighting, no message should be triggered.
- the video image monitoring method according to the invention can thus be used, on the one hand, a so-called “Video camera position authentication” i.e. an independent Control the orientation of the camera, and on the other hand to monitor whether an object, which by the Video camera is viewed, moved or removed
- Video camera position authentication i.e. an independent Control the orientation of the camera
- object position authentication can be called.
- a direction-dependent edge extraction for preprocessing use the source images. After that arise positive values where the picture becomes lighter and negative values Values where the picture gets darker. This regularity can also be formulated the other way round.
- This edge extraction process can or must be separated in horizontal and vertical Scanning direction can be performed, for example depending on the respective application can.
- a correlation analysis after this first training works very selectively. Already with a shift the correlation result of the current image by a few pixels go towards zero. If the current is shifted further The correlation coefficient then fluctuates in one image Probability range around the zero value, the due to the large number of input values, in a typical way 200,000 pixels, is very small. In practice, often such a high selectivity may not be desirable at all that then advantageously reduces the input images in advance or be made less clear, which in both cases leads to the same result.
- Second and third Edge extraction developments of the video image monitoring method according to the invention is a very high insensitivity against lighting changes achieved since it doesn't matter if an edge makes a transition from "Black” to "White” or vice versa.
- this training could be done in contrast to the first edge extraction training dealt with previously to be disadvantageous that gentle Brightness transitions, i.e. Gradients that are constant Have slants greater than the size of the Laplace operator, no longer generate output information.
- an evaluation with the described methods is used Edge extraction processes according to the two further training performed at the same time, and it will be for one Message or alarm then both results considered.
- a video camera 1 provides an image of a surveillance room, in which an object 2 to be observed, e.g. a picture, is arranged.
- the video image output signal from the video camera is fed to a pixel digitizer and encoder 3, the coding of a device 4 for Determining the average image brightness is controlled so that the value "zero" of the brightness scale of the pixels corresponds to the average brightness of the overall picture.
- the digitized Pixels of a video picture are switched over 5, which is used to record a reference image in its is brought to a lower position, fed to a video correlator 6.
- the video correlator 6 contains a first data register 7, that of a 2-dimensional matrix of pixel brightness values corresponds to a current video image, and a second Data register 8, which is a 2-dimensional matrix of pixel brightness values corresponds to a reference image.
- a digital Video correlator 6 in multipliers 9 all pixel values of the first data register 7 with the corresponding reference pixel values of the second data register 8 multiplied.
- a digital summer 10 of the video correlator 6 then all the resulting products of the multiplier 9 are summed. The correlation result is then at the output 11 of the correlator 6 decreased.
- the Circuit generates a correlation output signal which at output 11 shows the correlation result between the Displays images or the image sections and below one definable correlation coefficients for triggering a Message or an alarm signal can be used.
- a device 12 for directional and / or directional Edge extraction becomes a higher selectivity and less sensitivity to changes the scene lighting is reached.
Abstract
Beim Videobild-Überwachungsverfahren nach der Erfindung wird ein in Pixel aufgeteiltes, hinsichtlich der Helligkeit jedes Pixels digitalisiertes, fortlaufend festgehaltenes, aktuelles Bild (1) mit einem in gleicher Weise in Pixel aufgeteilten, digitalisierten und gespeicherten Referenzbild mittels einer Korrelationsanalyse (6) verglichen, wobei jeweils der Wert "null" der Helligkeitsskala der Pixel der mittleren Helligkeit des Gesamtbildes entspricht. Unterhalb eines festlegbaren Korrelationskoeffizienten wird ein Alarmsignal ausgelöst. Zur Vorverarbeitung der Ausgangsbilder lassen sich in einem Kantenextraktionsprozeß (12) die Übergänge zwischen hellen und dunklen Bildbereichen beider Bilder einer Korrelationsanalyse unterziehen. Das Verfahren nach der Erfindung kann bei der Videoüberwachung von Objekten oder Räumen eingesetzt werden, wobei eine Änderung der Kameraausrichtung und eine Objektverschiebung gemeldet werden. <IMAGE>
Description
In der Video-Überwachungstechnik werden zunehmend automatisch
arbeitende Systeme eingesetzt, bei denen allenfalls in Ausnahmefällen
die mit einer Videokamera aufgenommenen Bilder
sichtbar dargestellt und dann tatsächlich auch betrachtet
werden, weil sie beispielsweise im Normalbetrieb nur aufgezeichnet
werden oder weil sie erst bei Bewegungen in kritischen
Bereichen, dann meist gekoppelt mit einem Alarm, sichtbar
gemacht werden. In derartigen Video-Überwachungsanlagen,
wie sie z.B. aus DE 26 17 112 B2 bekannt sind, soll mit jeder
Kamera eine bestimmte Szene hinsichtlich Feststellung einer
Bewegung bzw. einer Veränderung in einem Überwachungsbereich
beobachtet werden. In aller Regel gibt es aber kaum noch Kontrollen
dahingehend, ob die Ausrichtung der Videokamera -
entweder absichtlich oder unbeabsichtigt - verändert worden
ist.
Aus der Patentschrift DE 30 01 588 ist zum Vergleich eines
aktuellen Videobildes mit einem Bezugsvideobild ein digitaler
Video-Korrelator bekannt, bei dem ein Digitalisierer zum Aufteilen
des aktuellen Bildes und des Bezugsbildes in Pixel
(Bildpunkte) und zum Digitalisieren der Pixel in binäre Daten-Bits
sowie ein mit dem Digitalisierer verbundenes erstes
Schieberegister zum Empfang der binären Daten-Bits der digitalisierten
Daten-Bits des aktuellen Bildes in sequentieller
Folge vorgesehen ist. Ein mit dem Digitalisierer und dem ersten
Schieberegister verbundener Korrelator, der die digitalisierten
Pixel des Bezugsbildes empfängt und speichert, empfängt
auch die digitalisierten Pixel des aktuellen Bildes vom
ersten Schieberegister. Im Korrelator werden also die sich
entsprechenden Bildteile des aktuellen Bildes und des Bezugsbildes
oder diese beiden ganzen Bilder miteinander verglichen,
woraufhin ein Ausgangssignal erzeugt wird, das die Korrelation
zwischen den beiden Bildern anzeigt.
Die bekannten Video-Überwachungsverfahren sind allerdings
nicht ausreichend trennscharf und darüber hinaus auch zu empfindlich
gegenüber Änderungen der Szenenbeleuchtung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einem
auf der Korrelationsanalyse beruhenden Video-Überwachungsverfahren
Maßnahmen anzugeben, die eine trennscharfe und damit
sichere Objektpositions-Videoüberwachung und Videokamera-Ausrichtungskontrolle
ermöglichen, wobei für beide Fälle durch
eine teilweise Veränderung der Szene, wenn z.B. ein Teil der
zu überwachenden Szene beispielsweise von einer Person abgedeckt
oder eine nicht extrem krasse Beleuchtungsänderung eintritt,
keine Meldung ausgelöst werden soll.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch ein Videobild-Überwachungsverfahren
mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Zweckmäßige Weiterbildungen des Videobild-Überwachungsverfahren
nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das Videobild-Überwachungsverfahren nach der Erfindung kann
somit dazu genutzt werden, zum einen eine sogenannte
"Videokamera-Positionsauthentifikation", d.h. eine selbständige
Kontrolle der Ausrichtung der Kamera auszuführen, und
zum anderen zu überwachen, ob ein Objekt, welches durch die
Videokamera betrachtet wird, verschoben oder entfernt worden
ist, wobei ein typischer Anwendungsfall die Überwachung z.B.
eines wertvollen Bildes in einem Museum ist. In Analogie zur
vorher benutzten Bezeichnung "Videokamera-Positionsauthentifikation"
kann der letztgenannte Einsatzfall des Videobild-Überwachungsverfahren
nach der Erfindung
"Objektpositionsauthentifikation" genannt werden.
Beim Verfahren nach der Erfindung wird davon ausgegangen, daß
ein Referenzbild oder ein Ausschnitt davon mit einem aktuellen
Bild verglichen wird und bei Veränderung, insbesondere
bei einer Verschiebung des Bildes, eine Meldung ausgelöst
wird. Wichtig in beiden vorgenannten Einsatzfällen ist, daß
durch eine teilweise Veränderung der Szene, wenn beispielsweise
etwas oder jemand, vor der Videokamera stehend, einen
Teil der Szene abdeckt oder bei einer Beleuchtungsänderung
keine Meldung ausgelöst wird. Es wird beim Videobild-Überwachungsverfahren
nach der Erfindung die sogenannte Korrelationsanalyse
angewandt. Es werden dabei Videobilder verwendet,
die in digitalisierter Form vorliegen, d.h. es gibt eine
2-dimensionale Matrix von Bildpunkten, also Pixeln, bei der
die Helligkeit eines jeden Pixels als numerischer Wert beschrieben
wird. Andere Ausgangsvoraussetzungen sind zwar
prinzipiell denkbar, jedoch bei Zugrundelegen des in diesem
Zusammenhang derzeitig bekannten Standes der Technik eher unwahrscheinlich.
Bei der Korrelationsanalyse wird jedes Pixel
des Referenzvideobildes mit dem entsprechenden Pixel des aktuellen
Videobildes multipliziert, und danach werden sämtliche,
bei den einzelnen Multiplikationen entstandenen Produkte
summiert. Dabei ist es beim Verfahren nach der Erfindung von
wesentlicher Bedeutung, daß der Wert "null" der Helligkeitsskala
der Pixel nicht, wie in der Videoildverarbeitungstechnik
üblich, der Helligkeit "null", also schwarz, sondern der
mittleren Helligkeit des Gesamtbildes entspricht. Dieses Helligkeitsergebnisse
werden mit den Helligkeitsergebnissen des
Referenzbildes in Relation gesetzt, so daß z.B. identische
Bilder den Korrelationskoeffizienten vom Wert 1 oder 100% ergeben.
Wenn sich der Bildinhalt des aktuellen Bildes etwas
verschiebt oder wenn dieses Bild teilweise abgedeckt bzw.
verändert wird, bleibt das Ergebnis dieser Korrelationsanalyse
relativ hoch, z.B. >50%, während größere Verschiebungen
zu sehr viel kleineren Korrelationsergebnissen führen.
So weit das Videobild-Überwachungsverfahren nach der Erfindung
bisher beschrieben ist, kann es ihm jedoch noch an ausreichender
Trennschärfe mangeln und es kann auch relativ empfindlich
gegenüber Änderungen der Szenenbeleuchtung sein.
Eine erhebliche Verbesserung läßt sich diesbezüglich durch
Kantenextraktionsprozesse erreichen.
Deswegen läßt sich gemäß einer ersten Weiterbildung der Erfindung
eine richtungsabhängige Kantenextraktion zur Vorverarbeitung
der Ausgangsbilder verwenden. Danach ergeben sich
positive Werte dort, wo das Bild heller wird, und negative
Werte dort, wo das Bild dunkler wird. Diese Gesetzmäßigkeit
kann auch umgekehrt formuliert sein. Dieser Kantenextraktionsprozeß
kann bzw. muß getrennt in horizontaler und vertikaler
Abtastrichtung durchgeführt werden, was beispielsweise
in Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall gewählt werden
kann. Eine Korrelationsanalyse nach dieser ersten Weiterbildung
arbeitet sehr trennscharf. Schon bei einer Verschiebung
des aktuellen Bildes um wenige Pixel kann das Korrelationsergebnis
gegen null gehen. Bei weiterer Verschiebung des aktuellen
Bildes schwankt der Korrelationskoeffizient dann in einem
Wahrscheinlichkeitsbereich um den Nullwert herum, der
aufgrund der Vielzahl der Eingangswerte, in typischer Weise
ca. 200 000 Pixel, sehr klein ist. In der Praxis wird oftmals
eine derart hohe Trennschärfe gar nicht erwünscht sein, so
daß dann in vorteilhafter Weise die Eingangsbilder vorab verkleinert
oder unschärfer gemacht werden, was in beiden Fällen
zum gleichen Ergebnis führt.
Obwohl durch diese Weiterbildung das Videobild-Überwachungsverfahren
nach der Erfindung bereits merklich verbessert arbeitet,
läßt es sich in bezug auf Beleuchtungsänderungen noch
einmal qualitativ deutlich steigern, da Beleuchtungsänderungen
die Richtung der Hell/Dunkel-Übergänge ändern können und
so das Korrelationsergebnis erheblich reduzieren können.
Gemäß der im folgenden angegebenen zweiten Weiterbildung des
Videobild-Überwachungsverfahren nach der Erfindung wird daher
ein richtungsunabhängiger Kantenextraktionsprozeß durchgeführt.
Zu diesem Zweck werden die Ergebnisse der horizontalen
und vertikalen Kantenextraktion, die in der vorherigen Weiterbildung
erläutert wurden, zunächst Pixel für Pixel quadriert,
so daß sie ausschließlich positiv sind, dann werden
die quadrierten Ergebnisse der horizontalen und der vertikalen
Kantenextraktion Pixel für Pixel miteinander addiert und
anschließend daraus die Quadratwurzel gezogen. Es ergeben
sich dabei ausschließlich positive Werte an allen Stellen, an
denen Kanten zu finden sind; in den restlichen Bereichen
bleibt das Ergebnis "null". Für die Korrelationsanalyse ist
diese Verarbeitung aber noch nicht ausreichend, da bei ihr
keine negativen Werte auftreten, so daß die Wahrscheinlichkeit
eines relativ hohen Korrelationsergebnisses auch bei
völlig unkorrelierten Bildern zu hoch ist. In zweckmäßiger
Weise wird deshalb in Analogie zum bereits im Zusammenhang
mit der Korrelationsanalyse der Videobilder ausgeführten
Merkmal des Videobild-Überwachungsverfahren nach der Erfindung
von jedem Pixel des Kantenbildes die mittlere Helligkeit
aller Pixel des Kantenbildes subtrahiert, so daß der Wert
"null" wieder der mittleren Helligkeit des Kantenbildes entspricht.
In einer dritten Weiterbildung wird ein weiterer, richtungsunabhängiger
Kantenextraktionsprozeß durchgeführt. Er läßt
sich mittels des sogenannten "Laplace-Operators" erreichen,
der an jeder Kante auf der einen Seite der Kante ein positives
und auf der anderen Seite der Kante ein negatives Bildsignal
erzeugt. Die mittlere Bildhelligkeit ist immer "null",
so daß kein weiterer Rechenprozeß erforderlich ist. Bei der
Verwendung dieses Verfahrens wird ein eventuell unerwünschter
Effekt, der sich bei dem vorher beschriebenen Verfahren nach
der zweiten Weiterbildung ergibt, vermieden. Beim Verfahren
nach der zweiten Weiterbildung werden Bildbereiche, in denen
sehr viele dicht beieinander liegende Kanten vorhanden sind,
nach der Kantenextraktion weitgehend lückenlose positive
Werte ergeben. Wenn diese Bereiche verschoben werden, bleibt
das Korrelationsergebnis beim Verfahren nach der zweiten Weiterbildung
hoch, beim Verfahren nach der dritten Weiterbildung
mit der Verwendung des Laplace-Operators aber nicht.
Bei Einsetzen der beiden beschriebenen, zweiten und dritten
Kantenextraktions-Weiterbildungen des Videobild-Überwachungsverfahren
nach der Erfindung wird eine sehr hohe Unempfindlichkeit
gegenüber Beleuchtungsänderungen erreicht, da es
keine Rolle spielt, ob eine Kante einen Übergang von
"Schwarz" nach "Weiß" oder in umgekehrter Richtung darstellt.
In bestimmten Fällen könnte es bei Durchführung dieser Weiterbildung
im Gegensatz zur davor abgehandelten, ersten Kantenextraktions-Weiterbildung
von Nachteil sein, daß sanfte
Helligkeitsübergänge, d.h. Verläufe, die eine konstante
Schräge über mehr als die Größe des Laplace-Operator haben,
keine Ausgangsinformationen mehr erzeugen. In zweckmäßiger
Weise wird in einem solchen Fall eine Auswertung mit den beschriebenen
Kantenextraktionsprozessen gemäß den beiden Weiterbildungen
zugleich durchgeführt, und es werden für eine
Meldung oder Alarmierung dann beide Ergebnisse berücksichtigt.
Anhand eines in einer Figur dargestellten Blockschaltbildes
wird die Funktion des Videobild-Überwachungsverfahrens nach
der Erfindung erläutert.
Eine Videokamera 1 liefert ein Bild von einem Überwachungsraum,
in dem ein zu beobachtendes Objekt 2, z.B. ein Bild,
angeordnet ist. Das Videobild-Ausgangssignal der Videokamera
wird einem Pixel-Digitalisierer und -Codierer 3 zugeführt,
der hinsichtlich seiner Codierung von einer Einrichtung 4 zur
Ermittlung der mittleren Bildhelligkeit so gesteuert wird,
daß jeweils der Wert "null" der Helligkeitsskala der Pixel
der mittleren Helligkeit des Gesamtbildes entspricht. Die digitalisierten
Pixel eines Videobildes werden über einen Umschalter
5, der zur Aufnahme eines Referenzbildes in seine
untere Stellung gebracht wird, einem Videokorrelator 6 zugeführt.
Der Videokorrelator 6 enthält ein erstes Datenregister
7, das einer 2-dimensionalen Matrix der Pixel-Helligkeitswerte
eines aktuellen Videobildes entspricht, und ein zweites
Datenregister 8, das einer 2-dimensionalen Matrix der Pixel-Helligkeitswerte
eines Referenzbildes entspricht. Im digitalen
Videokorrelator 6 werden in Multiplizierern 9 alle Pixelwerte
des ersten Datenregisters 7 mit den entsprechenden Referenzpixelwerten
des zweiten Datenregisters 8 multipliziert.
In einem digitalen Summierer 10 des Videokorrelators 6 werden
dann alle entstandenen Produkte der Multiplizierer 9 summiert.
Am Ausgang 11 des Korrelators 6 wird dann das Korrelationsergebnis
abgenommen. Es wird somit durch die dargestellte
Schaltung ein Korrelationsausgangssignal erzeugt,
welches am Ausgang 11 das Korrelationsergebnis zwischen den
Bildern bzw. den Bildausschnitten anzeigt und unterhalb eines
festlegbaren Korrelationskoeffizienten zur Auslösung einer
Meldung oder eines Alarmsignals herangezogen werden kann. Mit
einer Einrichtung 12 zur richtungsabhängigen und/oder richtungsunabhängigen
Kantenextraktion wird eine höhere Trennschärfe
und eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Änderungen
der Szenenbeleuchtung erreicht.
Claims (8)
- Videobild-Überwachungsverfahren, bei dem ein in Pixel (Bildpunkte) aufgeteiltes, hinsichtlich der Helligkeit jedes Pixels in eine digitalisierte Signalform gebrachtes, fortlaufend festgehaltenes aktuelles Bild bzw. ein Ausschnitt desselben mit einem in gleicher Weise in Pixel aufgeteilten, hinsichtlich der Helligkeit jedes Pixels ebenfalls in einer digitalisierten Signalform gespeicherten Referenzbild bzw. mit dem entsprechenden Ausschnitt desselben mittels einer Korrelationsanalyse verglichen wird und dabei ein Korrelationsausgangssignal erzeugt wird, welches das Korrelationsergebnis zwischen den Bildern bzw. den Bildausschnitten anzeigt und unterhalb eines festlegbaren Korrelationskoeffizienten zur Auslösung einer Meldung oder eines Alarmsignals herangezogen wird, wobei jeweils der Wert "null" der Helligkeitsskala der Pixel der mittleren Helligkeit des Gesamtbildes entspricht.
- Videobild-Überwachungsverfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Vorverarbeitung der Ausgangsbilder in einem Kantenextraktionsprozeß die Übergänge zwischen hellen und dunklen Bildbereichen beider Bilder bzw. beider Bildausschnitte einer Korrelationsanalyse unterzogen werden. - Videobild-Überwachungsverfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kantenextraktionsprozeß richtungsabhängig durchgeführt wird, in der Weise, daß sich gesetzmäßig positive Werte in denjenigen Bereichen ergeben, in denen das Bild heller wird, und negative Werte in denjenigen Bereichen, in welchen das Bild dunkler wird, oder gesetzmäßig stets umgekehrt. - Videobild-Überwachungsverfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kantenextraktionsprozeß in horizontaler oder in vertikaler Abtastrichtung oder getrennt in allen beiden Abtastrichtungen durchgeführt wird. - Videobild-Überwachungsverfahren nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Eingangsbilder vorab verkleinert oder unschärfer gemacht werden. - Videobild-Überwachungsverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein weiterer Kantenextraktionsprozeß richtungsunabhängig durchgeführt wird, in der Weise, daß die Ergebnisse einer richtungsabhängigen, insbesondere horizontalen und vertikalen Kantenextraktion zunächst Pixel für Pixel quadriert werden, so daß sie ausschließlich positiv sind, dann die quadrierten Ergebnisse der horizontalen und der vertikalen Kantenextraktion Pixel für Pixel miteinander addiert werdenund anschließend daraus die Quadratwurzel gezogen wird, wobei sich dabei ausschließlich positive Werte an allen Stellen ergeben, an denen Kanten zu finden sind, und in den restlichen Bereichen das Ergebnis "null" bleibt, und daß von jedem Pixel des Kantenbildes die mittlere Helligkeit aller Pixel des Kantenbildes subtrahiert wird, so daß der Wert "null" wieder der mittleren Helligkeit des Kantenbildes entspricht. - Videobild-Überwachungsverfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein weiterer, richtungsunabhängiger Kantenextraktionsprozeß durchgeführt wird, der mittels des sogenannten "Laplace-Operators" erreicht wird, der an jeder Kante auf der einen Seite der Kante ein positives und auf der anderen Seite der Kante ein negatives Bildsignal erzeugt, wobei die mittlere Bildhelligkeit dann immer "null" ist, so daß kein weiterer Rechenprozeß erforderlich ist. - Videobild-Überwachungsverfahren nach Anspruch 7,
gekennzeichnet
durch eine Kombination mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6.
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