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STAND DER TECHNIK
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Ausführungsformen
der beanspruchten Erfindung können
sich im Allgemeinen auf Anordnungen zur Verbesserung von Videoinformationen
und insbesondere auf solche Anordnungen beziehen, die die Schärfe der
Videoinformationen ändern.
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Videoinformationen
können über ein
Medium in Zeit und/oder Raum zum Betrachten zu einer anderen Zeit
und/oder an einem anderen Ort gesendet werden. In einigen Fällen kann
das Medium ein Übertragungsmedium,
wie z. B. Trägerwellen
(z. B. terrestrische und/oder kabelgestützte) oder protokollbasierte
Datennetze, sein. In einigen Fällen
kann der Datenträger
ein Speichermedium (z. B. Band, Festplatte, digitale Videoplatte
(DVD) usw.) sein, das die Videoinformationen vor ihrer Wiedergabe
speichern kann. Normalerweise lassen sich die Videodaten vor dem Übertragen
in eines einer Anzahl von Formaten codieren. Einige Codierungsformate
können MPEG-1,
MPEG-2, MPEG-4, Advanced Video Coding (AVC) (z. B. MPEG-4, Part
10 und ITU-T Empfehlung H.264), Windows Media Video 9 (WMV 9) und/oder
SMPTEVC-1 umfassen, ohne auf diese beschränkt zu sein.
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Eine
solche Codierung von Videoinformationen kann (z. B. durch Quantisierung
usw.) einen Anteil an höheren
Frequenzen in den ursprünglichen
Videoinformationen entfernen. Die decodierten Informationen können in
der Anzeige geglättet
und/oder ein wenig unscharf erscheinen. Dieses Phänomen ist nicht
unbedingt spezifisch für
codierte Videodaten, sondern kann zum Beispiel auch beim Übertragen von
analogen Videodaten aufgrund von Hindernissen im Übertragungsweg
auftreten. Somit kann es wünschenswert
sein, die erhaltenen und/oder decodierten Videodaten schärfer zu
machen, um ihre wahrgenommene Bildqualität zu verbessern.
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Zur
weiteren Einführung
des Konzepts des Videoschärfens
wird ein eindimensionales Beispiel mit Blick auf 1A und 1B erörtert. Ein
Bild in einer Videosequenz kann zum Beispiel Luma- und Chromasignale
(z. B. Y, U und V) umfassen, die sowohl in horizontaler als auch
in vertikaler Richtung abgetastet werden. Wenn ein Bild in einem
gewissen Bereich ungefähr
einheitlich ist, kann es sein, daß die Abtastwerte im wesentlichen
gleich sind. Wenn es jedoch eine Kante (z. B. eine waagerechte Kante)
in dem Bild gibt, können
sich die Abtastwerte in horizontaler Richtung abrupt ändern. 1A stellt
eine eindimensionale Kurve 110 von Lumawerten dar, die sich
recht abrupt über
einer Anzahl von Bildpunkten ändert.
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Um
das Videosignal zu schärfen
können Überschwingen/Unterschwingen
im Signal (z. B. Y, U oder V) generiert werden, indem die zweite
Ableitung (z. B. d2Y/dx2)
der Kurve 110 zu selbiger hinzufügt wird. 1B stellt
eine Kurve 120 dar, die auf diese Weise durch Addition
von Unterschwingung 130 und Überschwingung 140 geschärft wurde.
Durch Hinzufügen
von Überschwingung/Unterschwingung 140/130 lassen
sich wahrgenommene Komponenten höherer
Frequenz verstärken.
Weil die Kurve 120 steilere Kanten als die Kurve 110 haben
kann, kann ihr Übergang
als visuell schärfer
als derjenige der ungeschärften
Kurve 110 wahrgenommen werden.
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Einige
Anordnungen zum Verbessern der Schärfe der Videoinformationen
können
jedoch auch den Rauschpegel in den Videoinformationen inakzeptabel
erhöhen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
beigefügten
Zeichnungen, die in diese Beschreibung integriert sind und einen
Teil derselben bilden, veranschaulichen eine oder mehrere Ausführungsformen,
die mit den Prinzipien der Erfindung konsistent sind und zusammen
mit der Beschreibung solche Ausführungsformen
erläutern.
Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabgerecht, statt dessen
wird Wert auf das Veranschaulichen der Prinzipien der Erfindung
gelegt. Es zeigen:
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1A und 1B die
konzeptuelle Veranschaulichung des Schärfens eines Videosignals,
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2 die
Veranschaulichung eines Teils eines Videoanzeigesystems,
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3 die
Veranschaulichung des Beispiels eines Schärfungsmoduls im System von 2,
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4 die
Veranschaulichung der beispielhaften Konzeption eines Convolution
Kernel,
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5 die
Veranschaulichung eines beispielhaften Verstärkungsprofils eines Verstärkers im Schärfungsmodul
von 3,
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6 die
Veranschaulichung weiterer beispielhafter Verstärkungsprofile eines Verstärkers im Schärfungsmodul
von 3 und
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7 die
Veranschaulichung eines beispielhaften Vorgangs der selektiven Änderung
der Schärfe
von Videodaten.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die
folgende detaillierte Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen.
Dieselben Bezugszeichen können
in verschiedenen Zeichnungen verwendet werden, um gleiche oder ähnliche Elemente
zu kennzeichnen. In der folgenden Beschreibung sind zum Zweck der
Erläuterung
und ohne Einschränkung
spezifische Details dargelegt, wie z. B. besondere Strukturen, Architekturen, Schnittstellen,
Techniken usw., um ein gründliches Verständnis der
verschiedenen Aspekte der beanspruchten Erfindung zu schaffen. Für Fachleute,
für welche
die vorliegende Offenlegung von Nutzen ist, ist jedoch ersichtlich,
daß sich
die verschiedenen Aspekte der beanspruchten Erfindung in anderen
Beispielen, die von diesen spezifischen Details abweichen, in die
Praxis umsetzen lassen. In bestimmten Fällen sind Beschreibungen von
gut bekannten Vorrichtungen, Schaltkreisen und Verfahren unterblieben,
um die Beschreibung der vorliegenden Erfindung nicht durch unnötige Details
unklar zu machen.
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2 veranschaulicht
einen Teil eines Videoanzeigesystems 200. Das System 200 kann
Videoinformationen von jedem geeigneten Medium empfangen, einschließlich, jedoch
ohne Beschränkung auf,
verschiedene Übertragungs-
und/oder Speichermedien. Obwohl zur Vereinfachung der Erläuterung als
separate funktionale Elemente veranschaulicht, können die Elemente des Systems 200 einzeln
oder insgesamt gemeinsam an einer Stelle und/oder durch eine gemeinsame
Gruppe von Gatterschaltungen und/oder Transistoren implementiert
werden. Ferner läßt sich
das System 200 durch Software, Firmware, Hardware oder
jede geeignete Kombination davon implementieren.
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Der
in 2 gezeigte Teil des Anzeigesystems 200 kann
einen Decoder 210, ein Schärfungsmodul 220, einen
oder mehrere Signalformer 230 und einen Anzeigepuffer 240 umfassen.
Der Decoder 210 kann in einigen Ausführungsformen codierte Videodaten
decodieren, um einen Datenstrom von Videodaten für das weitere Verarbeiten zu
erzeugen. Der Decoder 210 kann in einer Anzahl von Anordnungen
codierte Daten decodieren, die MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, Advanced
Video Coding (AVC) (z. B. MPEG-4, Teil 10 und ITU-T Empfehlung H.264),
Windows Media Video 9 (WMV-9) und/oder SMPTE VC-1 umfassen können, ohne
auf diese beschränkt
zu sein.
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Bei
einigen Ausführungsformen
kann der Decoder 210 einen Demodulator, beispielsweise
für ein
empfangenes Analogvideo, umfassen. Ein derartiger Demodulator kann
durch Extrahieren eines Videostroms aus einem empfangenen modulierten
Signal eine Funktion ähnlich
einem Digitaldecoder erfüllen.
Bei anderen Ausführungsformen
kann der Decoder 210 weitere für das Extrahieren eines Stroms
von Videobildpunkten, der durch ein Schärfungsmodul nutzbar ist, wünschbare
Schaltkreise und Funktionalitäten
umfassen.
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Das
Schärfungsmodul 220 kann
wirken, um den Videostrom vom Decoder 220 selektiv zu schärfen. Bei
einigen Ausführungsformen
kann das Schärfungsmodul 220 bestimmte
Teile eines Bildes in dem Videostrom auf der Basis ihrer Amplituden
und/oder ihrer benachbarten Bildpunkte unterschiedlich schärfen.
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3 veranschaulicht
eine Ausführungsform
des Schärfungsmoduls 220.
Das Schärfungsmodul 220 kann
einen Convolver 310, einen Verstärker 320 und einen
Kombinator 330 umfassen. Obwohl das Schärfungsmodul 220 in 3 zur
besseren Veranschaulichung so dargestellt ist, als sei es auf eine
bestimmte Weise angeschlossen, läßt es sich
in anderen Konfigurationen schalten. Zum Beispiel kann der Kombinator 330 bei
einigen Ausführungsformen
dem Verstärker 320 vor-
statt, wie darstellungsgemäß, nachgeschaltet
werden. Andere Abwandlungen sind sowohl möglich als auch gedacht.
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Der
Convolver 310 läßt sich
anordnen, um einen Bildpunkt (z.B. Y-, U-, und/oder V-Komponente)
von Videodaten durch Hinzufügen
von Inhalt zum Bildpunkt zu schärfen.
Der Convolver 310 kann einen zweidimensionalen (2D) Laplace-Kernel
mit einer Anzahl von Bildpunkten, die den betreffenden Bildpunkt
umgeben, falten, um einen abgeleiteten Wert zu erhalten. Ein derartiger
abgeleiteter Wert, die Ausgabe des Convolvers 310, kann
als Schärfungswert bezeichnet
werden.
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Beispielsweise
kann bei einigen Ausführungsformen
der Convolver 310 einen 5×5-Kernel, wie z.B. den in 4 gezeigten
Laplace-Convolution-Kernel 410, verwenden. Der Convolver 310 kann den
Kernel 410 beispielsweise mit den 5×5-Lumadaten, die den betreffenden
Bildpunkt enthalten, falten, um die 2D-Ableitung des Lumasignals
zu erhalten. Die Ausgabe des Convolvers 310 kann zum Beispiel eine
7×7-Matrix
als Ergebnis der Faltung der 5×5-Luma-(oder Chroma-)Daten
mit dem 5×5-Kernel
sein. Der vom Convolver 310 ausgegebene Schärfungswert
kann der zentrale Wert einer derartigen resultierenden Anordnung
bzw. Matrix entsprechend dem betreffenden Bildpunkt sein.
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An
andere Abwandlungen als dieses spezielle Beispiel ist gedacht. Zum
Beispiel kann ein anders dimensionierter Kernel des Convolvers 310 genutzt werden.
Bei einigen Ausführungsformen
können
gleiche oder unterschiedliche Kernel für Luma-(z. B. Y-) und Chroma-(z.
B. U- und/oder V-)-Videodaten verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen
können
nur die Lumadaten gefaltet sein, während die Chromadaten unverändert passieren.
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Der
Verstärker 320 kann
gestaltet werden, um den Schärfungswert
des Convolver 310 selektiv zu erhöhen und einen verstärkten Wert
zu erzeugen. Bei einigen Ausführungsformen
kann der Verstärker 320 eine
nichtlineare Verstärkungskurve
anwenden, die von eingegebenen Schärfungswerten abhängt und
verstärkte
Werte erzeugt. Beispielsweise kann der Verstärker 320 bei einigen
Ausführungsformen keine
Verstärkung
für solche
Schärfungswerte
liefern (und/oder anwenden), die ca. 5% (oder eine andere relativ
niedrige Schwelle) des allgemeinen dynamischen Bereichs der Bildpunktwerte,
die in den Convolver 310 eingegeben werden, nicht übersteigen. Eine
derartige selektive Verstärkung
durch den Verstärker 320 kann
ein verstärktes
Rauschen unterhalb eines bestimmten Signalpegels vermeiden (z. B.
Verhinderung von „Coring" in dem finalen geschärften Bildpunktwert,
der von dem Kombinator 330 ausgegeben wird). Ebenso darf
der Verstärker 320 bei
einigen Ausführungsformen
auch keine Verstärkung
für Schärfungswerte,
die eine gewisse Schwelle übersteigen,
liefern und/oder anwenden. Auf diese Weise kann der Verstärker 320 auch
Clipping in dem finalen geschärften
Bildpunktwert, der von dem Kombinator 330 ausgegeben wird,
verhindern.
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5 veranschaulicht
ein beispielhaftes Verstärkungsprofil 500 des
Verstärkers 320.
Bei einigen Ausführungsformen
kann es ein gewünschtes oder
bevorzugtes Verstärkungsprofil 510 geben,
das als Strichlinie gezeigt wird. Bei der Ausführungsform von 5 kann
das Verstärkungsprofil 500 eine stückweise
lineare Annäherung
an das gewünschte Profil 510 sein.
Andere Ausführungsformen
sind möglich
und bedacht, jedoch als eine krummlinige Annäherung an das gewünschte Profil 510 (z.
B. als quadratische oder kubische Funktion). Bei einigen Ausführungsformen
läßt sich
das gewünschte
Profil 510 genau realisieren, beispielsweise über ein
Tabellenwerk.
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Das
Verstärkungsprofil 500 kann
die Verstärkung
(gain) (oder Verstärkungskalenfaktor)
des Verstärkers 320 gegenüber dem
Eingangssignal (z. B. den Schärfungswert
des Convolvers 310, der Leuchtdichte und/oder Farbwert
sein kann) veranschaulichen. Das Verstärkungsprofil 500 kann
im Wesentlichen von Null bis zu einem Coring-Punkt 520 reichen,
kann generell zwischen dem Coring-Punkt 520 und einem Zwischenpunkt 530 anwachsen,
kann generell zwischen dem Zwischenpunkt 520 und einem Clipping-Punkt 540 abnehmen
und kann jenseits des Clipping-Punkts 540 im Wesentlichen
Null sein. Ein Maximalwert 550 des Profils 500 kann
auftreten, wenn der Eingabewert beim Zwischenpunkt 530 ist.
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Bei
einigen Ausführungsformen
(z. B. wo ein voller Skalenwert 255, entsprechend 8 Bit,
sein kann), kann der Coring-Punkt 520 ungefähr 40 sein, und
der Zwischenpunkt 530 kann ungefähr 50 sein. Bei einigen Ausführungsformen
kann der Clipping-Punkt 540 ein geeigneter Wert sein, um
beim finalen vom Kombinator 330 ausgegebenen geschärften Bildpunktwert
Clipping zu verhindern. Bei einigen Ausführungsformen kann der Maximalwert 550 auf 125,
fast auf die Hälfte
des vollen Skalenwerts, gesetzt werden. Andere Werte sind jedoch
möglich.
Es sollte beachtet werden, daß die
Abschnitte des Verstärkungsprofils 500,
die ungleich Null sind, nicht um den Zwischenpunkt 530 symmetrisch
sein müssen.
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6 veranschaulicht
andere beispielhafte Verstärkungsprofile 610 und/oder 620 für den Verstärker 320 anstelle
des Verstärkungsprofils 500.
Wie aus 6 ersichtlich ist, erreicht
das Verstärkungsprofil 610 seinen
Maximalwert bei einem niedrigeren Eingabewert als das Profil 500,
während
das Verstärkungsprofil 620 seinen
Maximalwert bei einem höheren
Eingabewert als das Profil 500 erreicht. Auch können die
Profile 610 und 620 ihre Maximalwerte nicht am
Scheitelpunkt des gewünschten
Profils 510, sondern eher an der einen oder anderen Seite
des Scheitelpunkts erreichen. Bei einigen Ausführungsformen kann das Profil 610 gegenüber dem
Profil 500 bevorzugt sein, weil ein wahrnehmbarer Schärfungseinfluß bei niedrigeren
Luma-/Chromawerten größer sein
kann als bei vergleichbarer Schärfung
bei höheren
Werten.
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Obwohl
der Verstärker 320 (und
die zugehörigen
Verstärkungsprofile
in 5 und 6) als auf der Basis der vom
Convolver 310 ausgegebenen Schärfungswerte arbeitend beschrieben
wurde, kann der Verstärker 320 bei
einigen Ausführungsformen auf
der Basis der Videodaten (z. B. vorgeschärfte Werte) arbeiten, die in
den Convolver 310 eingegeben werden. Bei einigen Ausführungsformen
kann der Verstärker 320 auf
der Basis der Kombination der vorgeschärften Bildpunktdaten und der
von Convolver 310 ausgegebenen Schärfungswerte arbeiten. Ungeachtet
der Basis, auf welcher der Datenverstärker 320 arbeitet,
kann er so funktionieren, dass Coring und/oder Clipping bei den
vom Kombinator 330 ausgegebenen geschärften Bildpunktwerten verhindert
werden.
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Der
Kombinator 330 kann die Verstärkungswerte des Verstärkers 320 mit
Bildpunktwerten kombinieren, die in den Convolver 310 eingegeben
wurden, um geschärfte
Bildpunktwerte auszugeben. Bei einigen Ausführungsformen kann der Kombinator 330 einen
Addierer umfassen, um einen verstärkten Wert vom Verstärker 320 einem
entsprechenden ungeschärften
Bildpunktwert hinzuzufügen.
Bei einigen Ausführungsformen
kann der Kombinator 330 andere Logik (z. B. Subtrahierer,
Multiplikator usw.) umfassen, um rechnerisch und/oder logisch (z.
B. UND, ausschließliches
ODER usw.) verstärkte
Werte mit entsprechenden Bildpunktwerten in geeigneter Weise zu
kombinieren.
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Zurückgehend
zu 2 kann das Schärfungsmodul 220 verbesserte
Bildpunktwerte an einen oder mehrere Signalformer 230 ausgeben,
der/die die Bildpunkte weiter aufbereiten kann/können. Der/die Signalformer
(conditioner) 230 kann/können zum Beispiel eine oder
mehrere der Funktionalitäten Entschachtelung,
Rauschunterdrückung,
Skalieren und/oder andere Signalaufbereitungsfunktionalitäten umfassen.
Der/die Signalformer 230 läßt/lassen sich über spezifische
Hardware, Firmware, Software, oder eine Kombination davon realisieren,
um eine oder mehrere der Signalaufbereitungsfunktionen nach erfolgter
Schärfung
durch das Schärfungsmodul 220 zu
erfüllen.
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Der
Anzeigepuffer 240 kann Videodaten vom Signalformer/den
Signalformern 230 empfangen und kann zumindest einige dieser
Daten temporär
speichern, bevor sie an eine (nicht gezeigte) Anzeigevorrichtung
ausgegeben werden. Zusätzlich
zu einer Pufferungs-(z.
B. Speicher-)Funktion kann der Anzeigepuffer 240 andere
anzeigebezogene Aufgaben, wie z. B. Synchronisieren seines Ausgangssignals mit
einem Takt- oder Synchronisierungssignal, ausführen, um die Anzeige zu erleichtern.
Andere normalerweise in Anzeigepuffern zu findende Funktionalitäten können im
Anzeigepuffer 240 ebenfalls vorhanden sein.
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7 veranschaulicht
das Beispiel eines Vorgangs 700 zur selektiven Änderung
der Schärfe von
Videodaten. Obwohl 7 hinsichtlich des Schärfungsmoduls 220 in 2 und 3 einfach und
klar erläuterbar
ist, sollte klar sein, daß sich
der Vorgang 700 durch andere Hard← und/oder Softwareimplementierungen
ausführen
läßt.
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Der
Vorgang kann damit beginnen, einen Schärfungswert zu entwickeln [Handlung 710].
Der Schärfungswert
kann, wie zuvor beschrieben, vom Convolver 310 generiert
werden.
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Der
Vorgang kann damit fortgesetzt werden, daß der Verstärker 320 Null ausgibt
[Handlung 730], wenn der Schärfungswert (oder das, was das
Eingangssignal des Verstärkers
ist) in einen Coring-Bereich [Handlung 720] oder einen
Clipping-Bereich [Handlung 740] fällt. Mit Bezug auf 5 können Eingabewerte
unterhalb des Coring-Punkts 520 im Coring-Bereich sein,
und Eingabewerte oberhalb des Clipping-Punkts 540 können im
Clipping-Bereich sein.
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Der
Verstärker 320 kann
einen verstärkten Wert,
der ungleich Null ist, entsprechend einem Verstärkungsprofil ausgeben, falls
sein Eingabewert zwischen die Coring- und Clipping-Bereiche fällt [Handlung 750].
Bei einigen Ausführungsformen
kann das zum Erzeugen des verstärkten
Wertes genutzte Verstärkungsprofil
das Profil 500 umfassen. Bei einigen Ausführungsformen
kann das verwendete Verstärkungsprofil
unterschiedlich sein (z. B. kann es stückweise nicht linear sein),
kann aber auch generell bis zu einem Zwischenpunkt (z. B. dem Punkt 530)
zunehmen und dann nach dem Zwischenpunkt abnehmen. Es ist zu beachten,
daß der
Zwischenpunkt bezogen auf die Clipping- und Coring-Punkte des verwendeten
Verstärkungsprofils
nicht symmetrisch sein muß.
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Der
Kombinator 330 kann den vom Verstärker 320 ausgegebenen
verstärkten
Wert mit dem ursprünglichen
Bildpunktwert, d. h. dem Eingabewert vom Convolver 310,
kombinieren, um einen geschärften
Bildpunktwert zu erzeugen [Handlung 760]. Abhängig von
der Eingabe in den Verstärker 320 kann
dieser verstärkte
Wert gleich Null [Handlung 730] oder ungleich Null [Handlung 740]
sein. Daher bedeutet der Ausdruck „geschärfter Bildpunktwert" nicht unbedingt,
daß jeder
Bildpunktwert geschärft worden
ist, weil einige verstärkte
Werte Null sein können.
Die vom Kombinator 330 ausgegebenen geschärften Bildpunktwerte
können
aufgrund dessen, daß der
Verstärker 320 auf
der Basis der Schärfungswerte
vom Convolver 310 arbeitet, eher selektiv und/oder unterschiedlich
geschärft
worden sein.
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Die
vorhergehende Beschreibung einer oder mehrerer der Ausführungsformen
dient der Veranschaulichung und Beschreibung, soll aber nicht erschöpfend oder
den Umfang der Erfindung auf die genau offenbarte Form beschränken. Änderungen und
Abwandlungen sind angesichts der obigen Erläuterungen möglich oder lassen sich aus
der Praktizierung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung
ableiten.
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Beispielsweise
kann die hierin beschriebene Anordnung, obwohl sie sich bildpunktweise
ausführen
läßt, auch
für Ansammlungen
oder Gruppen von Bildpunkten in einem Bild ausgeführt werden.
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Weiterhin
müssen
weder die Handlungen in 7 in der angezeigten Reihenfolge
ausgeführt werden,
noch müssen
alle Handlungen unbedingt ausgeführt
werden. Auch können
solche Handlungen, die von keinen anderen Handlungen abhängig sind,
parallel zu den anderen Handlungen ausgeführt werden. Weiterhin lassen
sich zumindest einige der Handlungen in dieser Figur als in einem
maschinenlesbaren Medium implementierte Anweisungen oder Gruppen
von Anweisungen realisieren.
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Kein
Element und keine Handlung oder Anweisung, das/die in der Beschreibung
der vorliegenden Anwendung verwendet wurde, ist als kritisch oder
wesentlich für
die Erfindung auszulegen, falls es/sie nicht ausdrücklich so
beschrieben ist. Auch ist beabsichtigt, daß der hier gebrauchte Artikel „ein/eine" ein Element oder
mehrere Elemente enthalten soll. Abwandlungen und Änderungen
der oben beschriebenen Ausführungsform(en)
der beanspruchten Erfindung können
vorgenommen werden, ohne im Wesentlichen vom Geist und von den Prinzipien der
Erfindung abzuweichen. All solche Änderungen und Abwandlungen
sollen in den Schutzbereich dieser Offenbarung einbezogen und durch
die folgenden Patentansprüche
geschützt
sein.
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Zusammenfassung
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Ein
Verfahren zum selektiven Schärfen
von Videodaten kann umfassen, daß bei den Videodaten wenigstens
bei einigen Bildpunkten für
einen Bildpunktwert in einem Bild ein Schärfungswert generiert wird.
Der Schärfungswert
kann auf eine nicht-lineare Weise verstärkt werden, um einen verstärkten Wert zu
erzeugen. Der Bildpunktwert und der verstärkten Wert können dann
kombiniert werden.