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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einstellen
eines Abtasttaktes für breitbandige analoge Videosignale
gemäß den oberbegrifflichen Merkmalen der Patentansprüche
1 bzw. 7.
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Bei
der Verarbeitung von Videosignalen, die z. B. von Grafikkarten generiert
werden, ist man mit der Situation konfrontiert, mit sehr vielen
verschiedenen Bildformaten arbeiten zu müssen. Ein Bildformat ist
unter anderem dadurch gekennzeichnet, dass es eine bestimmte Auflösung,
d. h. eine genaue Anzahl von Pixel (Bildpunkten) in horizontaler
und vertikaler Richtung, besitzt. Es wird dabei zwischen einer totalen
Pixelanzahl und einer aktiven Pixelanzahl unterschieden. Die totale
Pixelanzahl beinhaltet dabei auch die Bereiche von horizontalen
und vertikalen Austauschlücken, in denen unter anderem
Synchronisationsinformationen übertragen werden. Die aktive
Pixelanzahl bezeichnet die Pixelanzahl, die den reinen Bildinhalt
darstellt.
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Grafikkarten,
wie sie beispielsweise bei Personal Computern üblich sind,
arbeiten zeitdiskret, d. h. sie senden synchron zu einem internen
Arbeitstakt einen Bildpunkt nach dem anderen. Beispielsweise entspricht
ein Bild im XGA-Standard 1024 aktiven Pixel horizontaler und 768
Pixel in vertikaler Richtung. Die totale Pixelanzahl beträgt
dabei 1344 Pixel in horizontaler Richtung und 806 Pixel in vertikaler
Richtung. Ein vollständiges Bild im XGA-Standard besteht aus
1083264 Pixel, die Grafikkarte benötigt also 1083264 Takte,
um ein ganzes a naloges XGA-Bild zu senden. Bei einer Darstellung
mit einer Frequenz von 60 Bildern pro Sekunde bedeutet das, dass
1083264 × 60 = 64995840 Takte pro Sekunde zur Übertragung benötigt
werden. Diese Frequenz wird als Pixeltaktfrequenz bezeichnet. Wird
ein solches analoges Videosignal wieder in ein digitales System
zur Videosignalverarbeitung eingespeist, so muss es in diesem mit
einer Frequenz abgetastet werden, die der Pixeltaktfrequenz entspricht.
Wird eine Abtastung mit einer Frequenz durchgeführt, die
von der Pixeltaktfrequenz abweicht, so entstehen im abgetasteten
Bild sogenannte Artefakte die einem Moiree Muster entsprechen, das
durch die Interferenz zwischen der Pixeltaktfrequenz und der Abtasttaktfrequenz
entsteht, d. h. das Bild wird an den entsprechenden Stellen unscharf.
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Um
bei der Abtastung den richtigen Abtasttakt mit der entsprechenden
richtigen Abtastfrequenz einstellen zu können ist man dazu übergegangen,
die Bildübertragung zu standardisieren. In einem solchen
Standard, z. B. VESA-Standard, sind neben der aktiven und der totalen
Bildauflösung noch andere Parameter wie z. B. die Zeilenfrequenz
und die Bildfrequenz definiert. Nach dem Stand der Technik, wie z.
B. der
US 6 522 365 ,
der
US 709996 oder der
US 6922188 , sind verschiedene
Methoden bekannt, um die Zeilen- und/oder Bildfrequenz und/oder
die Anzahl der Zeilen zu messen und aufgrund dieser Informationen
auf das gesendete Format und damit auf die Auflösung auf
die dazugehörige Pixeltakt- bzw. Abtastfrequenz zu schließen.
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Dieses
bekannte Vorgehen weist in der Praxis jedoch mehrere Schwachstellen
auf. Zum einen gibt es beispielsweise im VESA-Standard mehrere verschiedene
Timing-Definitionen, aus denen sich unterschiedliche Pixeltaktfrequenzen
und daher unterschiedliche einzustellende Abtastfrequenzen ergeben.
Für ein Bild nach dem XGA-Standard mit 1024×768
Pixel bei 60 Hz er geben sich dabei Pixeltaktfrequenzen, die zwischen
63,50 MHz und 64,99 MHz variieren. Zum anderen ist zu verzeichnen,
dass sich Grafikkartenhersteller nicht immer an die exakten Formatdefinitionen,
wie sie im VESA-Standard vorgeschrieben sind, halten, und daher
der Pixeltakt von der vorgegebenen Frequenz abweicht. Eine weitere
Schwachstelle ist, dass Bildformate, die keinem VESA-Standard entsprechen,
nicht verarbeitet werden können, d. h., dass es nicht möglich
ist, ein unbekanntes Format, das keinem Standard entspricht, exakt
einzustellen. Ein weiterer Nachteil der bisher bekannten Methoden
besteht darin, dass bei den Messungen die zur Format-Detektion gemacht
wer den, der Bildinhalt nach Möglichkeit unverändert
bleiben soll, was bei stark bewegten Bildern zu erheblichen Problemen
führt.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Einstellen des Abtasttaktes für breitbandige analoge
Videosignale zur Verfügung zu stellen, mit denen es möglich ist,
die Abtasttaktfrequenz für ein unbekanntes Format, das
darüber hinaus keinem Standard entsprechen muss, exakt
einzustellen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
7.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
grundlegende Idee der Erfindung besteht dabei darin, ein Moiree-Muster,
das bei Abtastung mit einer falschen Frequenz aufgrund Interferenz
zwischen der Pixeltaktfrequenz und der Abtasttaktfrequenz entsteht,
zum Einstellen der Abtasttaktfrequenz und der Phase des Abtasttaktes
zu nutzen.
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Wird
ein analoges Videosignal z. B. überabgetastet, dann werden
neben den Plateaus der Pixel auch die Pixelübergänge
abgetastet. In diesen Übergängen ist das Bild
unscharf und ergibt ein Moiree-Streifenmuster. Um diese Übergänge
zu detektieren, werden im analogen Videosignal Signalgradienten
bestimmt, wobei lediglich bestimmt werden muss, ob ein Gradient
existiert oder nicht. Weicht der Abtasttakt vom Pixeltakt um eine
Taktperiode ab, so entsteht im Bild eine unscharfe Spalte. Wenn
man z. B. 12 Takte über- oder unterabtastet, so kann man
12 unscharfe Streifen erkennen.
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Es
wird demnach eine Vorrichtung zum Einstellen eines Abtasttaktes
für breitbandige analoge Videosignale mit einem Pixeltakt
einer Pixeltaktfrequenz beansprucht, die Mittel zur Analyse des
Pixeltaktes und Mittel zum Verändern des Abtasttaktes in Frequenz
und Phase aufweist, wobei die Mittel zur Analyse geeignet sind,
bildzeilenbezogen Interferenzen, die entstehen, wenn das analoge
Videosignal mit einer falschen Frequenz abgetastet wird, zu erfassen
und die Mittel zum Verändern derart zu steuern, dass der
Abtasttakt bei Vorhandensein von Interferenzen so lange verändert
wird, bis keine Interferenzen mehr erfasst werden.
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Bevorzugt
sind die Mittel zur Analyse derart ausgebildet, dass die Interferenzen
anhand eines Gradienten im analogen Videosignal am Abtastpunkt erkannt
werden.
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Bevorzugt
sind die Mittel zur Analyse und die Mittel zum Verändern
derart ausgebildet, dass bei Vorhandensein von Gradienten ein erster
Ort der Gradienten erfasst wird, anschließend die Phase
des Abtasttaktes verändert wird und danach ein zweiter Ort
der Gradienten erfasst wird. Anhand der erfassten Orte der Gradienten
wird anschließend eine Bewegungsrichtung ermittelt und
der Abtasttakt wird anhand der ermittelten Bewegungsrichtung verändert.
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Vorteilhaft
ist dabei, dass anhand der ermittelten Bewegungsrichtung der Gradienten
und mit der Information darüber, in welche Richtung die
Phase verschoben wurde, ermittelt werden kann, ob eine Über-
oder eine Unterabtastung stattfindet. Bei einer Verschiebung der
Phase nach rechts und einer vorliegenden Überabtastung
wandern die detektierten Gradienten ebenfalls nach rechts, d. h.
der detektierte zweite Ort der Gradienten nach der Phasenverschiebung
liegt in der Bildzeile weiter rechts. Liegt dagegen eine Unterabtastung
vor, so wandern die Gradienten nach links und der detektierte zweite
Ort liegt entsprechend auch in der Bildzeile weiter links. Bei einer
Phasenverschiebung nach links (Verkleinerung des Phasenwinkels)
gilt selbiges invers, d. h. bei Übertastung wandern die
Gradienten nach links, bei Unterabtastung nach rechts. Zur Ermittlung
der Gradienten kann beispielsweise das Verfahren aus der
deutschen Patentanmeldung Nr.
10 2005 025 453.5 „Vorrichtung zur Ermittlung
eines Maßes für eine Signaländerung und
Verfahren zur Phasenregelung" genutzt werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Mittel zur Analyse Mittel zum Verändern derart
steuern, dass bei Vorhandensein von Gradienten und identischem ersten
Ort und zweiten Ort der Gradienten, die Frequenz konstant bleibt
und nur die Phase des Abtasttaktes verändert wird, bis
keine Gradienten mehr erfasst werden.
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Vorteilhaft
an dieser Ausgestaltung ist, dass erkannt wird, wenn die Pixeltaktfrequenz
und die Abtastfrequenz übereinstim men und so ein schnelleres Konvergieren
des Algorythmus gewährleistet wird.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung wird, wenn keine Gradienten erfasst
werden, überprüft, ob das analoge Videosignal
anliegt.
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Hierbei
liegt der Vorteil darin, dass ausgeschlossen wird, dass fälschlicherweise
ein korrekter Abtasttakt vermutet wird, obwohl keine Bildinformationen
zur Verfügung stehen, und nur deshalb keine Gradienten
im abgetasteten Signal erfasst werden.
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In
einer weiter bevorzugten Ausgestaltungsform sind die Mittel zur
Analyse derart ausgebildet, dass eine Bildzeile in mehrere gleichgroße
Abschnitte unterteilt wird und die zeilenbezogen ermittelten Gradienten über
ein ganzes Bild in einem Histogramm nach ihren Abschnitten aufsummiert
werden.
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Im
Idealfall gibt es dabei gleich viele Abschnitte wie Abtasttakte,
aus Hardwaregründen ist dies jedoch nicht immer günstig,
so dass diese Ausgestaltungsform ebenfalls Vorteile mit sich bringt. Insbesondere
ist es möglich, den Anfang und das Ende des zu messenden
Gesamtabschnittes einer Bildzeile einzustellen, so dass auch einzelne Bildabschnitte
vergrößert dargestellt werden können. Dadurch,
dass die zeilenbezogen ermittelten Gradienten über ein
ganzes Bild aufsummiert und über ein Histogramm ausgewertet
werden, werden des Weiteren eindeutige Informationen über
die Gradientenverteilung und damit über die Form des Interferenzmusters
erlangt.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Mittel zur
Analyse teilweise oder ganz als Software implementiert.
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Eine
Ausgestaltung dieser Form hat den Vorteil, dass z. B. zur Histogrammauswertung
oder zur Ermittlung der Bewegungsrichtung der Gradienten leicht
verschiedene Methoden und Algorhithmen eingesetzt werden können.
Es ist z. B. denkbar, die Bewegung der Gradienten mittels Korrelation
Fourier-Transformation oder durch eine Cluster-Analyse zu ermitteln.
Auch eine Ermittlung der Position der Gradienten mittels Threshold
oder anderer Methoden ist denkbar.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Mittel zum
Verändern des Abtasttaktes als Phase-locked-loop (PLL)
zum Einstellen der Frequenz und als Delay-locked-loop (DLL) zum
Einstellen der Phase ausgebildet.
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Eine
derartige Implementierung hat den Vorteil, dass die Frequenz und
die Phase des Abtasttaktes mit PLL- und DLL-Schaltungen sehr exakt
eingestellt werden können.
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Gemäß dem
nebengeordneten Patentanspruch 8 wird ein Verfahren zum Einstellen
eines Abtasttaktes in Frequenz und Phase für breitbandige analoge
Videosignale beansprucht, die einen Pixeltakt einer Pixelfrequenz
aufweisen. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird das analoge Videosignal mit dem Abtasttakt abgetastet, es werden
bildzeilenbezogen bei der Abtastung Signal Gradienten und deren
Ort im analogen Videosignal ermittelt und der Abtasttakt in seiner
Abtastfrequenz und seiner Phase solange verändert, bis
keine Gradienten mehr erfasst werden.
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Nach
einer bevorzugten Verfahrensweise wird bei der Analyse ein erster
Ort der Gradienten erfasst, anschließend die Phase des
Abtasttaktes geändert, und danach ein zweiter Ort der Gra dienten
erfasst. Anhand der erfassten Orte wird eine Bewegungsrichtung der
Gradienten anhand derer der Abtasttakt verändert wird ermittelt.
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Dieses
Verfahren weist den schon oben beschriebenen Vorteil auf, dass anhand
der Bewegungsrichtung der Gradienten mit Information über die
Richtung der Phasenverschiebung ermittelt werden kann, ob eine Über-
oder eine Unterabtastung vorliegt. Das hat den Vorteil, dass so
eine gezielte Veränderung der Abtastfrequenz möglich
ist.
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Gemäß einem
weiter bevorzugten Verfahren wird die Abtasttaktfrequenz des Abtasttaktes
bei Vorhandensein von Gradienten und identischem ersten und zweiten
Ort der Gradienten konstant gehalten und nur die Phase des Abtasttaktes
geändert, bis keine Gradienten mehr erfasst werden.
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Vorteilhaft
an dieser Vorgehensweise ist, dass erkannt wird, wenn die korrekte
Abtastfrequenz vorliegt und über die Phasenanpassung der
optimale Abtastpunkt eingestellt werden kann.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird eine Bildzeile in
mehrere gleichgroße Abschnitte unterteilt und die zeilenbezogen
ermittelten Gradienten werden über ein ganzes Bild in einem
Histogramm nach ihren Abschnitten aufsummiert.
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Vorteilhaft
an dieser Vorgehensweise ist, dass durch das Aufsummieren über
ein gesamtes Bild eine eindeutige Aussage über die Verteilung
der Gradienten gewonnen wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles
unter Zuhilfenahme der beigefügten Figuren näher
erläutert. Es zeigen:
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1 ein
erstes Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen
Schaltung,
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2 ein
zweites, detailreicheres Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen
Schaltung,
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3 beispielhafte
Signalverläufe für das analoge Eingangssignal,
das abgetastete Signal und die ermittelten Gradienten und
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4 ein
beispielhaftes Ablaufdiagramm für ein erfindungsgemäßes
Verfahren.
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Das
in 1 dargestellte Blockschaltbild eines Ausführungsbeispieles
der Erfindung zeigt ein analoges Videosignal Vin mit einem Pixeltakt
tp, das eine Abtasteinrichtung 1 aufweist. Die Abtasteinrichtung 1 führt
eine Abtastung mit einem Abtasttakt ta, der eine Abtasttaktfrequenz
fa und eine Phase phia aufweist durch und stellen ein abgetastetes
Signal Va zur Verfügung. Das abgetastete Signal Va kann
beispielsweise einem Computermonitor, der aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt ist, zugeführt werden. Des Weiteren wird
bei der Abtastung des analogen Videosignals Vin durch eine Analyseeinrichtung
A, die ermittelt, ob im analogen Videosignal Vin Gradienten G am
Abtastpunkt vorhanden sind, und bildzeilenbezogen bestimmt, an welchem Ort
O sich diese Gradienten G befinden. Die Analyseeinrichtung A wiederum
steuert eine Veränderungseinrichtung V, die dazu geeignet
ist, den Abtasttakt ta in seiner Abtasttaktfrequenz fa und seiner Phase
phia entsprechend der Analyse zu verändern.
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Das
in 2 dargestellte Blockschaltbild zeigt eine weitere
Verfeinerung des Blockschaltbildes aus 1. Das analoge
Videosignal Vin wird dabei einem Analog-Digital-Wandler (ADC) zugeführt,
indem gleichzeitig eine Funktion zur Ermittlung der Gradienten G
implementiert ist. Die Analyseeinrichtung A ist gemäß 2 in
einen Hardware- und einen Softwareteil aufgeteilt. Den Hardwareteil
stellt ein Pixel-clock-recovery-sensor PCR dar, dem die im Analog-Digital-Wandler
ADC ermittelten Informationen über die Gradienten G, ein
Vertikal-Synchron-Signal Vsync und ein Horizontal-Synchronsignal
Hsync zugeführt werden. Das Horizontal-Synchronsignal Hsync
gibt dabei das Ende einer jeden Bildzeile an, das Vertikal-Synchronsignal
Vsync das Ende eines gesamten Bildes. Durch die beiden Synchronsignale Vsync,
Hsync ist es dem Pixel-clock-recovery-sensor PCR möglich,
die zeilenbezogen ermittelten Informationen über die Gradienten
G in ein Histogramm zu wandeln, bei dem die zeilenweise ermittelten
Informationen über ein gesamtes Bild aufsummiert werden.
Das vom Pixel-clock-recovery-sensor PCR ermittelt Histogramm wird
einer Analysesoftware zur Verfügung gestellt, die das Histogramm
auswertet und dementsprechend die Veränderungseinrichtung V
steuert.
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Die
Veränderungseinrichtung V besteht gemäß 2 aus
einem phasengekoppelten Regelkreis, einem sogenannten Phase-locked-loop
PLL und einem verzögerungsgekoppelten Regelkreis, einem
sogenannten Delay-locked-loop DLL. Dem Phase-locked-loop PLL ist
dabei das Vertikal-Synchron-Signal Vsync zuführbar, dass
das Ende eines gesamten Bildes kennzeichnet. Der Phase-locked-loop
PLL wird des Weiteren von der Analysesoftware gesteuert, und dient
zur Erzeugung der Abtasttaktfrequenz fa. Die Abtasttaktfrequenz
ist dem Delay-locked-loop DLL zuführbar, der, gesteuert
von der Analysesoftware, den Phasenwinkel phia zwischen dem Abtasttakt
ta und dem Pixeltakt tp einstellt.
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Durch
rekursives Durchlaufen dieses Regelkreises wird so eine optimale
Einstellung des Abtasttaktes ta erreicht.
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In 3 sind
beispielhafte Signalverläufe für das analoge Videosignal
Vin, das abgetastete Videosignal Va und die ermittelten Gradienten
G dargestellt. Beim analogen Videosignal Vin ist eine Zeile mit
640 Pixel dargestellt, aus der mit einem Abtasttakt von 642 Takten
pro Zeile ein abgetastetes Signal Va gewonnen wird. Wie sich in
der Darstellung des abgetasteten Signales Va zeigt, entstehen an
zwei Stellen, die je nach Phasenlage variieren können, Amplitudeneinbrüche.
Das in 3 dargestellte Signal G zeigt die Gradienten G,
die aus dem analogen Videosignal Vin ermittelt werden können.
Wird die Phase des Abtasttaktes zum Pixeltakt verändert,
so verändern die Amplitudeneinbrüche und entsprechend
die detektierten Gradienten G ihre Lage in der untersuchten Zeile,
und es kann aus dieser Bewegung darauf geschlossen werden, ob eine Über-
oder eine Unterabtastung vorliegt.
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Das
in 4 dargestellte Ablaufdiagramm zeigt eine mögliche
Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In
einem ersten Schritt werden der Phase-locked-loop PLL, der Delay-locked-loop
DLL und der Pixel-clock-recovery-sensor PCR initialisiert. Anschließend
wird der Abtasttakt ta eingestellt und in einem folgenden Schritt
das Histogramm, das durch den Pixel-clock-recovery-sensor PCR aus
den zeilenbezogenen ermittelten Daten der Gradienten G erstellt
wurde, eingelesen. Wird ein neues Format detektiert, so wird im
folgenden Schritt zum Initialisierungsprozess zurückgesprungen.
Liegt kein neues Format vor, so wird das eingelesene Histogramm
auf Gradientenhaufen untersucht. Werden keine Gradientenhaufen detektiert, so
wird überprüft, ob Bilddaten vorhanden sind, und
wenn dem so ist, zum Prozeßende gesprungen. Liegen keine
Bilddaten vor, so wird der bisherige Ablauf ab dem Einlesen des
Histogramms erneut durchlaufen. Für den Fall, dass Gradientenhaufen
ermittelt werden, wird in einem nächsten Schritt die Position
der Gradientenhaufen ermittelt. Anschließend wird die Position
der Gradientenhaufen aus dem aktuell eingelesenen Histogramm mit
der Position der Gradientenhaufen aus dem Histogramm der vorhergehenden
Messung verglichen und eine partielle Bewegungsrichtung bestimmt. Wird
im folgenden Schritt eine Phasenverschiebung ermittelt, die kleiner
einer Taktperiode ist, so wird im darauffolgenden Schritt der Abtasttakt
ta um einen Bruchteil der Abtasttaktperiode verändert und
der Ablauf ab dem Einlesen des Histogramms erneut durchlaufen. Ist
die ermittelte Phasenverschiebung größer als eine
Taktperiode, so wird im folgenden Schritt die resultierende Bewegungsrichtung
der Gradientenhaufen bestimmt. Wird eine Bewegung detektier, so
wird in einem folgenden Schritt die Abtastfrequenz fa abhängig
von der Bewegungsrichtung und dem verwendeten Suchalgorhythmus angepasst
und der Abtasttakt ta erneut eingestellt. Wird bei der Bestimmung
der resultierenden Bewegungsrichtung keine Bewegung festgestellt,
so wird die Phase phia des Abtasttaktes ta solange verändert,
bis keine Gradienten mehr detektiert werden. Werden keine Gradienten
mehr detektiert, so ist der Ablauf beendet.
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- 1
- Abtasteinrichtung
- A
- Mittel
zur Analyse, Analyseeinrichtung
- G
- Gradient
- V
- Mittel
zum Verändern, Veränderungseinrichtung
- Vin
- analoges
Videosignal
- Va
- abgetastetes
Videosignal
- ta
- Abtasttakt
- fa
- Abtasttaktfrequenz
- φa
- Phase
- tp
- Pixeltakt
- fp
- Pixeltaktfrequenz
- O
- Ort
- ADC
- Analog-Digital-Wandler
- PLL
- Phase-locked-loop
- DLL
- delay-locked-loop
- Vsync
- Vertikal-Synchronsignal
- Hsync
- Horizontal-Synchronsignal
- PCR
- pixel
clock recovery sensor
- R
- Bewegungsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6522365 [0004]
- - US 709996 [0004]
- - US 6922188 [0004]
- - DE 102005025453 [0014]