DE10220220C1 - Lokalisierungsmuster für automatisch lesbare Codes und für Klarschrift, sowie Codierung von Klarschrift - Google Patents

Abstract

Anordnung zur Erleichterung des Lokalisierens von optisch lesbaren Codes oder Klarschrift hat mindestens ein zweidimensionales, regelmäßig strukturiertes Lokalisierungsmuster mit abwechselnden Elementen,vorzugsweise schachbrettartig vorzugsweise an den Ecken einer rechteckförmigen Codeform. Die Anordnung kann neben der Position auch die Lageart signalisieren und hat Vorteile bezüglich Geschwindigkeit der zugehörigen Erkennungsalgorithmen und bezüglich Platzbedarf. Klarschrift kann mit einer internen Codierung aus solchen Elementen versehen sein, um fehlerkorrigierendes Lesen zu ermöglichen.

Description

Die Erfindung betrifft Muster zur Erleichterung des Lokalisierens von automatisch optisch lesbaren Codes und von automatisch lesbarer Klarschrift, sowie das Lesen von Klarschrift.

Zum Lesen von optisch maschinenlesbaren Codes oder Schriftzeichen mittels Kameras werden die Codes über ein Kamerasystem abgebildet, vorzugsweise in digitale Daten gewandelt und gespeichert, und dann mit einem Bildanalysesystem ausgewertet.

Teilaufgabe hierbei ist die Lokalisierung des Codes bzw. der Schriftzeichen; die Lokalisierung ist unter nicht-trivialen Bedingungen (bei geringen oder schwan­ kenden Kontrasten, bei Störungen des Codes/Schriftzei­ chens und/oder des Hintergrundes) bezüglich Rechenzeit der kritischste Teil der Bildauswertung. Zur Erleichterung dieser Teilaufgabe wurden verschiedene Lokalisierungs- Hilfsmittel vorgeschlagen, sie werden Finder genannt.

Hier verwendete Begriffe: Unter Codeform ist hier ein zweidimensionaler örtlicher Bereich zu verstehen, (nicht notwendigerweise zusammenhängend oder exakt abgegrenzt), in dem sich ein Schriftzeichen oder ein Code, z. B. ein Barcode, ein Dotcode oder ein Matrixcode befindet. Die Symbole eines Codes werden als bildhafte Elemente bei der Bildaufnahme aufgenommen. Die hier vorgeschlagenen Lokalisierungsmuster sind ebenfalls aus bildhaften Ele­ menten unterschiedlicher Art zusammengesetzt, hier kurz Elemente genannt.

Nach US 5.825.015 A wird an den Ecken eines quadratförmigen Codes je ein Muster von isolierten Punkten platziert, das in zwei Teilmengen von Punkten gegliedert ist; bei der ersten Teilmenge sind alle Punkte gesetzt, um daraus das Muster lokalisieren zu können; die Punktemuster der zweiten Teilmenge sind unterschiedlich, so daß man daraus die Lageart des Codes ableiten kann. Die Trennung in zwei Teilmuster, von denen der zweite Teil nur zur Erkennung der Lageart dient, erfordert extra Platz.

Nach US 5.189.292 A und US 5.153.418 A wird in der Mitte des Codes eine hexagonale Anordnung von "Spots" platziert; Spots sind nach diesen Patentschriften Flecken einer bestimmten Reflektivität, z. B. hell, die von einer Region anderer Reflektivität, z. B. dunkel, umgeben sind.

Nach US 5.591.956 A wird im Zentrum eines quadratförmigen Codes eine quadratische konzentrische Anordnung von hellen/dunklen Zonen platziert. Zusätzlich werden mehrere lineare Feinraster zur Feinlokalisierung angegeben.

Die bisher aufgeführten Finder sind für Binärbildverar­ beitung und Blobanalyse (Analyse von zusammenhängenden Regionen im Binärbild) günstig und offensichtlich für solche Verfahren entwickelt worden. Binärbildverfahren benötigen entweder kontrastreiche Bilder oder die Vorab-Berechnung einer adaptiven Schwelle. Ersteres ist sehr häufig nicht realisierbar, letzteres erfordert viel Rechenaufwand, bevor die eigentliche Lokalisierung erst beginnen kann.

Nach JP 07254037 AA wird in zwei Ecken eines quadratförmigen Codes eine konzentrische Anordnung von hellen/dunklen Zonen platziert. Ziel dieses Finders ist ein symmetrisches Signal, das sich bei linearer Abtastung des Bildes durch das Zentrum des Finders hindurch ergibt. Zusätzlich wird ein lineares diagonales Feinraster angegeben.

Die Symmetrie in einem eindimensionalen Signal zu detek­ tieren ist bei feinen Strukturen sehr kritisch; die im Bild vorhandene zweidimensionale Zusatzinformation wird nicht genutzt. Wie die weiter oben angegebenen konzen­ trischen Anordnungen ist auch dieser Finder prinzipiell einfach mittels Binärbildverarbeitiung zu handhaben, jedoch gilt das oben zu Binärbildverarbeitung Gesagte.

Nach EP 0670555 A1 wird ein Dot Code über ein Muster lokali­ siert, das aus einem einzigen, relativ zu den informa­ tionstragenden Dots sehr großen Spot besteht, der sich dadurch eindeutig von den informationstragenden Dots un­ terscheidet. Dieses Lokalisierungsmuster ist mit einem sehr großen Platzbedarf verbunden.

Alle bisher genannten Vorschläge arbeiten mit isolierten Objekten, seien es nun Spots oder konzentrische Anord­ nungen; sie benötigen viel Platz, weil um diese Merkmale herum der Platz freigehalten werden muss, z. B. zwischen konzentrischen Kreise.

Nach US 4.939.354 A wird vorgeschlagen, daß zwei Seiten des Randes der Codeform aus durchgezogenen Linien bestehen, die sich an einer Ecke schneiden und so eine L-Form zur Lokalisierung und eindeutigen Erkennung der Lageart ermöglichen. Zwei weitere Seiten sind anders gestaltet; sie bestehen aus regelmäßig unterbrochenen Linien, aus denen Information über das zugrundeliegende Raster zu entnehmen ist.

Diese Art eines L-förmigen Finders benötigt zur Lokalisierung ausserhalb der Codeform eine Ruhige Zone (quiet zone), was zusätzlich Platz beansprucht. Codes, die sich in einer ruhigen Umgebung befinden, von der sich das L am Rand eindeutig abhebt, können schnell mittels Konturverfolgung lokalisiert werden. Wenn jedoch die Umgebung unruhig ist oder die Aussenkante (ggf. mehrfach) unterbrochen ist (z. B. bei punktweiser Prä­ gung durch Nadelprägger praktisch unvermeidbar), wird die Loklalisierung sehr kompliziert und in der Praxis unzuverlässig. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Drehlage vorab unbekannt ist. Bei der Bildalanyse könnten Unterbrechungen durch Einsatz von Projek­ tionsberechnungen gehandhabt werden, jedoch ist dies bei freier Orientierung sehr aufwendig, da Projektionen über das ganze Bild und für alle Richtungen berechnet werden müssen. Auf gleich auf­ wendige Verfahren läuft der Einsatz einer Hough- Transformation hinaus.

Ähnliche Ansätze, mit Taktspuren oder Synchronisations­ daten am Rand der Codeform, sind DE 41 07 020 A1, US 5541396 A, WO 86/05906 A1. Sie haben die gleichen Nachteile.

Bei schwierigen Randbedingungen wird in der Praxis versucht, durch Optimierung der Beleuchtung und durch situationsabhängige Auswahl und Durchtesten von Bildvorverarbeitungsoperationen die Erkennbarkeit zu erhöhen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lokalisierungsmittel für optisch lesbare Codes bereitzustellen, das auch unter schwierigen Randbedingungen (Störungen der Oberfläche, variable Beleuchtungsverhältnisse) zuverlässig und schnell lokalisiert werden kann. Dies soll möglich sein, ohne eine individuelle Optimierung der Beleuchtung oder einer Vorverarbeitungsoperation durchführen zu müssen. Ausserdem soll eine möglichst genaue Schätzung der Lage des Codes ermöglicht werden. Ausserdem soll das Lokalisierungsmittel möglichst wenig Platz beanspruchen. Das Lokalisierungsmittel soll bei unterschiedlichsten Beschriftungs- und Bearbeitungsverfahren der Oberfläche gleichermassen einsetzbar sein. Die Lokalisierung soll für alle möglichen Drehlagen sicher und schnell möglich sein. Ausserdem soll bei symmetrischen Code­ formen eine eindeutige Erkennung der Lageart möglich sein, ohne zusätzlichen Platzbedarf. Da bei den meisten industriellen Anwendungen das Raster zumindest grob vorher bekannt ist, braucht andererseits die Forderung nach hoher Geschwindigkeit nur bei bekannter oder grob bekannter Rastergrösse gestellt zu werden.

Eine weitere Aufgabe, die im Rahmen dieser Erfindung gelöst wird, betrifft das Lokalisieren und Erkennen von Klarschrift:
Um maschinenlesbare Information auch mit dem Auge lesen zu können, wird meist neben dem Code (Barcode, Matrix­ code..) zusätzlich eine Klarschrift angebracht. Dies ist mit Platzbedarf und Zusatzaufwand beim Beschrif­ ten verbunden. Um bei Verzicht auf einen maschinenles­ baren Code die Klarschrift direkt ausreichend sicher maschinell erkennen zu können, wurden spezielle Schrift­ arten entwickelt (OCR-A, OCR-B. . .), bei denen sich die Zeichen alle untereinander anhand mehrerer Merkmale un­ terscheiden. Eine Coderedundanz und damit Lesesicherheit, wie sie beispielsweise mit Matrixcodes realisiert ist, läßt sich auf diese Weise allerdings nicht erreichen. Ein weiteres Problem bei der maschinellen Klarschrift­ erkennung ist das Lokalisieren der einzelnen Zeichen (die Zerlegung einer Zeile in einzelne Zeichen wird Segmentierung genannt), das je nach Druckqualität, Hin­ tergrundeigenschaften und insbesondere bei berührenden Zeichen eine beträchtliche Schwierigkeit darstellen kann.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, das sichere Lo­ kalisieren und Erkennen von Klarschrift zu ermöglichen, auch unter den oben aufgeführten schwierigen Randbedin­ gungen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach Hauptanspruch 1 da­ durch gelöst, daß in festgelegter, vorzugsweise fester, örtlicher Relation zu der Codeform (Code oder Klar­ schrift), mindestens ein Lokalisierungsmuster platziert wird, wobei jedes Lokalisierungsmuster aus einer zweidi­ mensionalen Anordnung von mindestens vier zweidimensional ausgeprägten Elementen von mindestens zwei verschiedenen Sorten besteht, wobei die Anordnung der Elemente in einem regelmaessigen Raster ist, insbesondere quadra­ tisch oder hexagonal, wobei zwei sich linienhaft be­ rührende Elemente nie von gleicher Sorte sind.

Automatisch lesbare Klarschrift ist nach Nebenanspruch 19 dadurch gekennzeichnet, daß die Schriftzeichen und/oder der Hintergrund zumindest teilweise aus einer zweidimensionalen Anordnung von zweidimensional ausgeprägten Elementen von mindestens zwei verschiede­ nen Sorten besteht, wobei mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist:

• 1. a: Die Elemente codieren Klarschriftinformation.
• 2. b: Die Elemente oder ein Teil davon bilden Lokalisierungsmuster wie vorstehend beschrieben.

Das Decodieren von Klarschrift oder Codes geschieht durch Interpretation der Elemente; da bei jedem Code die Bedeutung der Elemente ortsabhängig ist, wird die Interpretation der Elemente durch die Lokalisierungs­ muster erst ermöglicht.

In bevorzugter Ausgestaltung besitzen die Lokali­ sierungsmuster binäre Elemente (2 verschiedene Beschriftungen bzw. beschriftet/unbeschriftet) in einer Schachbrett-Anordnung. Bevorzugt werden mindestens zwei Lokaliserungsmuster, an den Ecken der Codeform platziert. Bevorzugt werden 3 × 3, 3 × 5 oder 5 × 5-Anordnungen.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Anordnung mit 3 × 3 Lokalisierunsgmustern (2), bei binärer Codierung, mit schachbrettförmig angeordneten, quadratischen, homogenen Elementen (3), mit Lokalisierungsmuster jeweils am Rand und innerhalb einer 12 × 12 Codeform (1). Die Polaritäten der Lokali­ sierungsmuster sind in diesem Beispiel unter­ schiedlich, so daß daraus eindeutig die Lageart der symmetrischen Codeform bestimmt werden kann.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung wie Fig. 1, jedoch mit Lokalsierungsmustern alle teilweise ausserhalb der Codeform.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung wie Fig. 2, jedoch mit unterschiedlich platzierten Lokalsierungsmustern, ganz ausserhalb, teilweise ausserhalb, am Rand innerhalb und ganz innerhalb der Codeform.

Fig. 4 zeigt verschiedene 3 × 3 Lokalisierungsmuster, mit unterschiedlichen Elementen. Fig. 4 soll zum Aus­ druck bringen, dass die Elemente sich dadurch unter­ scheiden können, daß sie bearbeitet bzw. unbearbeitet sind, oder dass sie unterschiedlich bearbeitet sein können, dass die Elemente sich durch Formen unter­ scheiden können, dass diese Formen nicht präzise platziert sein müssen und sich überlappen können, dass die Elemente sich durch Helligkeit, Farbe und/ oder Textur unterscheiden können und dass, mit den gleichen Elementen, verschiedene Polaritäten möglich sind.

Fig. 5 zeigt die gleiche Codeform und die gleiche Anordnung von Lokalisierungsmustern wie Fig. 1, jedoch mit eingezeichneten Bildelementen zu will­ kürlich gewählten Symbolen des Codes. Fig. 5 soll veranschaulichen, dass sich die Lokalisierungsmuster unauffällig in ihre Umgebung einbetten lassen.

Fig. 6 zeigt Beispiele zur Verallgemeinerung auf Codes mit mehr als 2 Symbolen, die hier mit unter­ schiedlichen Kleinbuchstaben gekennzeichnet sind, dazu werden Beispiele möglicher Raster und Modu­ lationen angegeben.

Fig. 7 zeigt Beispiele von Lokalisierungsmustern für Codes mit mehr als 2 Symbolen und mit 2 oder mehr als 2 zugeordneten Sorten von Elementen, und Beispiele ihrer Einbettung in Codeformen. Fig. 7 soll u. a. zum Ausdruck bringen, dass nicht alle möglichen Symbole ihre zugeordnete Element­ sorte haben muessen, siehe Lokalisierungsmuster (5) rechts oben, dass nicht alle Lokalisierungs­ muster die gleiche Form haben muessen, dass sie jedoch zweidimensional angeordnet sein müssen, wie beispielsweise auch bei dem Lokalisierungsmuster (4) der Fall.

Fig. 8 zeigt die Verwendung eines 3 × 3-Schachbrett- Lokalisierungsmusters bei einem langgestreckten Codemuster, wie es vorteilhaft auf der Mantelflä­ che eines dünnen zylindrischen Teils, bevorzugt in achsialer Richtung, angebracht werden kann (Nockenwelle, Werkzeug. . .). Selbstverständlich braucht die Breite des Codemusters nicht genau der des Lokalisierungsmusters zu entsprechen.

Fig. 9 zeigt die Verwendung eines 3 × 3-Schachbrett- Lokalisierungsmusters bei einem Codemuster in Form eines Kreisrings oder einem Sektor eines Kreisrings, wie es vorteilhaft auf der Stirnfläche eines zylin­ drischen Teils angebracht werden kann, beispiels­ weise der Stirnfläche einer im Zentrum ausgestoche­ nen Welle.

Fig. 10 zeigt schematisch die Verwendung eines 3 × 3-Schachbrett-Lokalisierungsmusters bei einem Schriftzeichen als Codemuster. Das Schriftzeichen ist zusammengesetzt aus Lokalisierungsmustern in Form von 3 × 3-Blöcken von schachbrettartig angeordneten Referenz-Elementen "r", außerdem aus informations­ tragenden Elementen "i", hier speziell ebenfalls in Form von 3 × 3-Blöcken.

Fig. 11 entspricht Fig. 10, jedoch mit zusätzlichen Füllelementen "x", die dem Schriftzeichen ein gefälli­ geres Erscheinungsbild verleihen sollen.

Fig. 12 entspricht Fig. 11; hier umfassen die Füll­ elemente "x" das Schriftzeichen komplett, was den globalen Kontrast erhöht und dadurch die Augen-Les­ barkeit erleichtert.

Fig. 13 zeigt den Übergang der schematischen Darstel­ lung Fig. 12 auf die reale Darstellung, wobei für das Lokalisierungsmuster und den Informationsblock eine spezielle Anordnung gewählt wurde (s. Figur).

Um den Sinn und die Vorteile des hier vorgestellten Lokalisierungsmusters deutlich zu machen, muss der Hintergedanke des Algorithmus erläutert werden, mit dem man das Muster schnell und zuverlässig lokali­ sieren kann:

Da das Lokalisierungsmuster nicht auf Binärbildverar­ beitung angewiesen sein soll, wurde ein Lokalisie­ rungsmuster gesucht, das man mit einem möglichst ein­ fachen, homogenen lokalen Operator arbeiten kann, der nicht auf absoluten Grauwertschwellen beruht. Grundsätzlich kann man mit einem sehr einfachen Operator jedoch nur einfache Strukturen detektieren. Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit einem stufenweisen Vorgehen gelöst, das darin besteht, daß auf einem ersten, sehr einfachen Operator (Basisoperator) aufsetzend, in einer zweiten Operation nur solche Stellen bearbeitet werden, die aufgrund der ersten einfachen Operation als Kandidaten für die Weiterverarbeitung übrig blieben. In der zweiten Operation werden dann strukturell mächtigere Formen detektiert, auf der Basis der Vorarbeit des ersten Operators.

Wir setzen zunächst voraus, daß die Rasterweite des Schachbrettmusters bekannt sei, und daß die Codeform nicht oder nur sehr wenig gedreht ist.

Mit g(x, y) = Grauwert an der Stelle (x, y) sei der Basisoperator o wie folgt definiert:

o1(x, y) := g(x, y) - g (x + r, y);

o2(x, y) := g(x, y) - g (x, y + r);

o(x, y) := min(abs(o1(x, y)), abs(o2(x, y))));

Der Operatorwert o ist hoch an Stellen, wo sowohl eine horizontale, als auch eine vertikale Struktur liegt. Zunächst werden nur solche Stellen weiterverarbeitet, an denen o größer als ein vorgebbarer Schwellwert ist. Führt dies nicht zum Ziel, wird das Ganze mit einem niedrigeren Schwellwert wiederholt.

An den verbliebenen Stellen (das sind im Prinzip die gerasterten Stellen und alle schrägen Kanten) werden weitere Tests ausgeführt, solange bis nur ganz wenige Stellen übrig bleiben. Diese Stellen sind Kandi­ daten für die Position des Musters, was, da nun nur ganz wenige Kandidaten übrig bleiben, mittels aufwendigerer Tests durchgeführt werden kann.

Für diese weiteren Tests können die bereits berech­ neten Werte o1 und o2 herangezogen werden, mit einer frei und konservativ (d. h. klein) festlegbaren Schwelle auf Grauwertdifferenzen (nicht auf absolute Grauwerte), z. B.
o1(x, y) < -Schwelle?
o1(x - r, y) < Schwelle?
o1(x, y - r) < Schwelle?
o1(x, y + r) < Schwelle?
o1(x - r, y - r) < -Schwelle?
o1(x - r, y + r) < -Schwelle?
o2 (x, y) < Schwelle?
etc., mit vorzeitiger Ausstiegsmöglichkeit.

Die Arbeit mit lokalen Differenzen anstelle von Binär­ schwellen macht das Verfahren, im Vergleich zu Binärbildverfahren, automatisch adaptiv auf lokale Schwankungen der Grundhelligkeit.

Die erwähnten Schwellen sind alle unkritisch für das Erkennungsergebnis; eine geschickte Wahl der Schwellen bzw. Strategie des Schwellensetzens hat nur Einfluß auf die Rechengeschwindigkeit, nicht auf die Quali­ tät des Endergebnisses selbst.

Aus der Position von je zwei so gefundenen Kandidaten in passender Relativlage ergibt sich eine Hypothese für die Position der Codeform, die für diese Hypothese dann versuchsweise gelesen werden kann, entsprechend der verwendeten Codierungsart. Da nur wenige solche Hypothesen bleiben, ist das Verfahren ausreichend schnell.

Für frei gedrehte Codeformen brauchen aufgrund der Tatsache, daß das Lokalisierungsmuster nur aus wenigen, relativ zur Grösse des Lokalisierungsmusters groben Elementen besteht, nur wenige, grob gegen­ einander gedrehte Basisoperatoren definiert zu werden.

Für grob bekannte Raster brauchen, nach der gleichen Überlegung, ebenso nur sehr wenige alternative Raster­ abstände durchgerechnet zu werden.

Dies soll lediglich die grundsätzliche Arbeitsweise schildern; es wären einige verbessernde Details hinzuzu­ fügen, die aber für das Verständnis des Hintergedankens der hier vorgeschlagenen Lokalisierungsmuster nicht wesentlich sind. Der beschriebene Ansatz ist für alle in Fig. 4 gezeigten Varianten wirksam; der mit Bilder­ kennungsverfahren und lokalen Operationen vertraute Programmierer sollte in der Lage sein, die erforder­ lichen Feinanpassungen vorzunehmen. Dies gilt auch für Codes mit mehr als zwei Symbolen. Beispielsweise bieten sich für die in Fig. 6 angegebenen Dreiecksraster drei verschiedene Basisoperatoren an, anstelle von zweien, und man erkennt eine hexagonale Grundstruktur, die man für die darauf aufsetzenden Operatoren verwenden kann.

Dadurch dass die Elemente ein regelmässiges Raster bilden und nach einem sich gleichartig wiederholenden Muster platziert sind, lassen sich, wie beispielhaft geschildert, effiziente, hierarchische Lokalisierverfahren realisieren.

Es ist im allgemeinen nicht ausgeschlossen, dass die Lokalisierungsmuster auch in der Codeform selbst ent­ halten sind, siehe hierzu Fig. 5. Da der Abstand zweier Lokalisierungsmuster ungefähr von vorneherein bekannt ist, entstehen dadurch keine oder nur sehr wenige Falschhypothesen, die zu nicht lesbaren Codehypothesen führen und dadurch zurückgewiesen werden. Dies gilt insbesondere, wenn die Lokalisierungsmuster diagonal gegenüber liegen.

Für das Lokalisieren und Lesen von Klarschrift ist es nicht unbedingt erforderlich, daß alle oder die Mehrzahl der Lokalisierungsmuster erkannt werden. Grundsätzlich kann das Finden eines einzigen Lokali­ sierungsmusters ausreichend sein. Dies ergibt sich aus der folgenden Vorgehensweise:
Erfindungsgemäß wird auch Klarschrift aus Elementen zusammengesetzt, in die die Bedeutung der Klarschrift hineincodiert wird. Die Decodierung erfordert die Zuordnung der Elemente zu den Plätzen entsprechend der gewählten Codierungsvorschrift (Synchronisation); dieses wird mit den erfindungsgemäßen Lokalisierungs­ mustern ermöglicht.

Die Vorgehensweise sei anhand des Beispiels Fig. 10 bis 12 erläutert:
Ein Schachbrettartiges 3 × 3-Lokalisierungsnmuster, wie in Fig. 4 gezeigt, wird in das Schriftzeichen an vor­ gegebenen Stellen integriert. Die Elemente des Loka­ lisierungsmusters sind 3 × 3-Blöcke von Referenzzellen "r" eingezeichnet. Außerdem sind in das Zeichen Infor­ mationsblöcke integriert, ebenfalls mit 3 × 3 Elementen, gekennzeichnet mit "i". Bei binärer Codierung gibt es also 2 hoch 9 = 512 mögliche Codeworte für einen In­ formationsblock. Es seien nur die Ziffern 0 bis 9 zu darzustellen. Aus den 512 möglichen Codeworten werden 10 Codeworte mit möglichst großem Mindestabstand ge­ wählt. Die Informationsblöcke sind immer in direkter Nachbarschaft mindestens eines Lokalisierungsblocks angeordnet. Nach Auffinden eines Lokalisierungsmusters kann in direkter Nähe ein Informationsblock - aufgrund der Mindestdistanz fehlerkorrigierend - interpretiert werden. Die Informationsblöcke sind in dem gezeigten Beispiel alle gleich. Zur Zeichenerkennung genügt also das Erkennen eines einzigen Informationsblocks; es kann also auch ein bis auf einen kleinen Rest völlig gestörtes Zeichen noch erkannt werden (und der Rest selbst darf aufgrund der Fehlerkorrektur auch noch bis zu einem gewissen Grad gestört sein). Sind mehrere In­ formationsblöcke interpretierbar, so kann durch ge­ eignete Überlagerung (bildhaft oder informations­ mässig) zusätzliche Lesesicherheit gewonnen werden. Je nach Ziffer ist i. a. die Relativlage von Lokalisie­ rungsmustern und Informationsblöcken unterschiedlich; darin steckt eine zusätzlich verwertbare Redundanz.

Durch die Vorgehensweise wird das je nach Randbedin­ gungen mitunter sehr gravierende Segmentierungsproblem der Schriftzeichenerkennung gelöst (berührende Zeichen, unterbrochene Zeichen, gestörte Zeichen, Verschmutzun­ gen, die zu Berührungen führen. . .): Eine unabhängig von der Zeichenerkennung vorab geschaltete Segmen­ tierung funktioniert nur unter sehr günstigen Bedingungen ausreichend sicher. Die nach derzeitigem Stand beste Lösung des Problems ist eine in den Erkennungsprozeß integrierte Segmentierung, was zu sehr komplexen Algo­ rithmen führt (Teufelskreis: Erkennung setzt Segmen­ tierung voraus, Segmentierung setzt Erkennung vo­ raus. . .).

Durch die geschilderte Vorgehensweise werden diese Probleme umgangen:
Nachdem einige Lokalisierungsmuster gefunden sind, werden die Informationsblöcke in der Nähe interpretiert.

Je nachdem, wieviele der Informationsblöcke interpretier­ bar sind, ergibt sich im Bild eine mehr oder weniger dichte Anordnung von Interpretationen. Über die bekannte Zeichenbreite und den bekannten (ggf. leicht negativen) Mindestabstand zwischen zwei Zeichen kann eindeutig auf die Bedeutung der vorliegenden Zeichenfolge geschlossen werden.

Es ist vorteilhaft, aber nicht zwingend notwendig, daß sich die Lokalisierungsmuster von einem der gewählten Codeworte unterscheiden. Da nie zwei Lokalisierungs­ muster direkt nebeneinander stehen, kann man, läßt man Gleichheit von einem Lokalisierungsmuster und einem Codewort zu, sobald man zwei direkt nebeneinander lie­ gende gleiche Blöcke mit dem Inhalt des Lokalisie­ rungsmusters findet, auf dieses Codewort schließen.

Selbstverständlich müssen die Inforationselemente nicht in identisch aufgebauten Blöcken organisiert sein. Das Beispiel wurde nur der Einfachheit und An­ schaulichkeit wegen so gewählt. Alle bekannten Me­ thoden der redundanten Speicherung und fehlerkorri­ gierenden Decodierung sind für Informationselemente einsetzbar, nachdem über die Lokalisierungsmuster die Zuordnung jedes einzelnen Elementes zu einer "Platznummer" in der Codeform ermöglicht wurde.

Selbstverständlich kann die geschilderte Vorgehens­ weise auch auf den Zeichenhintergrund angewendet wer­ den, sofern (auch) der Zeichenhintergrund beschriftet wird (werden Zeichen und Hintergrund beschriftet, so läßt sich eine Kontrastierung durch Auswahl von unter­ schiedlich realisierten Elementen erreichen, nach Dichte, Farbe. . .). Mit Beschriftung von Zeichen und Hintergrund läßt sich eine geschlossene geometrische Codeform erreichen, insbesondere ein Rechteck. Bei Be­ schriftung des Hintergrundes kann man vorteilhaft die Lokalisierungsmuster in die Ecken der Codeform setzen.

Die codierte Information kann neben der augenlesbare Information noch Zusatzinformation betreffen.

Die geschilderte Vorgehensweise der Klarschriftlesung kann auch derart abgewandelt werden,

• - daß die Lokalisierungsmuster zur Lokalisierung von ansonsten mit konventionellen Methoden (z. B. Korre­ lationsverfahren oder Neuronalnetzen) gelesenen zeichen verwendet werden, oder umgekehrt,
• - daß konventionelle Methoden (z. B. Korrelationsver­ fahren) zur Lokalisierung verwendet werden und die Informationselemente wie beschrieben zur (fehlerkor­ rigierenden) Interpretation dienen.

Auch sind beliebige Mischformen möglich, beispiels­ weise

• - Groblokalisieren mit Unterabtastung und Korrela­ tion, gefolgt von Feinlokalisierung mit Lokalisie­ rungsmustern,
• - Vorklassifikation mit Interpretation der Informa­ tionselemente, gefolgt von Verifikation über globales Template-Matching.

Gleichgültig, ob die Elemente verschiedener Sorte sich dadurch unterscheiden, daß sie unterschiedlich gefärbt, bedruckt, mechanisch verformend oder sonst irgendwie entweder unterschiedlich bearbeitet oder bearbeitet/unbearbeitet sind, z. B. nach Erhitzen verschiedene Helligkeit aufweisen (Anlauf-Farben beim Laserbeschriften), ob sich ein Raster mit Quadraten, Punkten, mit grösseren oder kleineren Elementen ergibt, ob sich die Elemente berühren oder nicht: Das ge­ schilderte Lokalisierungsverfahren ist in der Lage, die erfindungsgemäßen Eigenschaften des Musters ausnutzend, auch bei solcherart unterschiedlichen Erscheinungsformen die Codeform zu finden; dies geschieht ohne eine massgeschneiderte Beleuchtung oder Bildvorverarbeitung.

Lediglich bei Elementen, die sich nur durch Feintextur unterscheiden (siehe z. B. die 2 Beispiele in Fig. 4 rechts), ist i. a. eine Vorverarbeitungsoperation zur Unterscheidung dieser Texturen erforderlich. Es ist eine Standardaufgabe für den mit lokalen Operatoren vertrauten Programmierer, je nach Situation solche Filter, insbesondere richtungsselektive Filter zu realisieren. Solche Filter sind homogen und können effizient realisiert werden.

Das vorgeschlagene Lokalisierungsmuster bietet maximal viel Struktur auf kleinem Raum, dadurch wird möglichst wenig des kostbaren Codeplatzes für das Lokalisieren aufgebraucht. Für binäre Muster bietet ein Schachbrett auf kleinem Raum die maximal mögliche Strukturiertheit, insbesondere im Vergleich zu konzentrischen Anordnungen oder solchen mit sonstigen isolieren Elementen. Ent­ sprechendes gilt für die geschilderten Lokalisierungs­ muster mit mehr als zwei Elementen. Ausserdem wird keine Ruhige Zone benötigt.

Ein flächiges Lokalisierungsmuster hat gegenüber einem linienhaften Lokalisierungsmuster den Vorteil, dass die Basisoperatoren in verschiedenartigster Art zusam­ mengesetzt werden können und dass dabei dennoch viele Drehlagenvarianten abdeckt sind. Bei linienhaften Mustern, wie es z. B. bei dem aus 2 regelmäßig unterbro­ chenen Linien bestehenden Synchronisationsmuster nach US 4.939.354 gegeben ist, wuerde mit einer Zusammenfas­ sung mehrerer Basisoperatoren nur ein sehr kleiner Win­ kelbereich abgedeckt werden. Entsprechendes gilt fuer den Bereich der Rasterweite.

Aufgrund der Homogenität des Algorithmus für den Basis­ operator sind die Algorithmen leicht in parallel arbei­ tende Hardware umsetzbar.

Das Lokalisierungsmuster braucht sich optisch nicht von den informationstragenden Daten zu unterscheiden. Das Lokalisierungsmuster läßt sich so in eine Codeform einbinden, dass sich für das Auge eine unauffällige, insgesamt homogene optische Erscheinungsweise ergibt.

Bei gleichartiger Realisierung von Lokalisierungsele­ menten und Interpretationselementen ergibt sich ein ganz wichtiger Vorteil beim Lesen von verformender Beschriftung bzw. Codierung, z. B. mit Nadelprägern: Glanz- und Schatteneffekte treten für Lokalisierungs- und Informationselemente gleichartig auf; daraus ergeben sich die Vorteile:

• a) Vereinfachungen bei der Optimierung von Bildaufnahme- und Beleuchtungsgeometrie, mit dem Ziel einer kontrastreichen Darstellung.
• b) Eine systematische Verschiebung (z. B. bei Schrägbe­ leuchtung) wirkt sich beim Lokalisieren und beim Interpretieren gleichermaßen aus und wird dadurch in­ folge der Referenzierung automatisch kompensiert.

Die Lokalisierung der Codeform bezüglich Drehlage ist schon bei Verwendung von zwei weit auseinanderliegenden Lokalisierungsmustern exakt. Aufgrund der dadurch er­ zielten Positionsgenauigkeit und aufgrund des eigenen innewohnenden Rasters, erübrigt sich ein zusätzliches lineares Feinraster: das zugrundeliegende Raster ist daraus bestimmbar. Die Positionsgenauigkeit ist höher, wenn, wie im Normalfall, die Elemente des Lokalisie­ rungsmusters die gleiche Grundform haben wie die informationstragenden Elemente der Codeform. Mit linienartigen alternierenden Rastern kann die entspre­ chende Genauigkeit nur mit wesentlich höherem Platz­ bedarf erreicht werden.

Der dadurch erreichte Verzicht auf einen Feinindikator für das Raster führt zu weiterer Platzersparnis.

Die Polarität des Schachbrettmusters ist ein weiterer Freiheitsgrad, in den, ohne zusätzlchen Platz zu bean­ spruchen, und ohne für diesen Zweck am Basisoperator etwas ändern zu müssen, Information hineincodiert werden kann. Dies kann man vorteilhaft verwenden, um bei symmetrischen Anordnungen die Lageart zu codieren. Entsprechendes gilt für Codes mit mehr als 2 Symbolen, indem man die Symbole z. B. zyklisch vertauscht.

Darüber hinaus kann die Lageart über eine unsymmetrische Anordnung nach Fig. 3 codiert werden.

Mit den erfindungsgemäßen Merkmalen wird eine automa­ tische Klarschrifterkennung von höchster Lesesicherheit ermöglicht: Die integrierten Lokalisierungsmuster er­ möglichen eine robuste Zeichensegmentierung auch unter widrigen Verhältnissen. Nach Lokalisierung können auch Zeichen, bei denen der Großteil massiv gestört ist, erkannt werden. Die geschilderte Vorgehensweise ermög­ licht eine Lagenerkennung (einschl. Drehlage) und Klas­ sifikation von Schriftzeichen unabhängig vom gewählten Zeichenfont.

Bei Klarschrifterkennung ist es möglich, die gleiche Codierung für verschiedene Zeichenfonts einzusetzen, was zu Freiheitsgraden bei der optischen Gestaltung des Erscheinungsbildes führt, ohne an einem automatischen Lesesystem etwas ändern zu müssen.

Claims (19)

1. Anordnung zur Erleichterung des Lokalisierens von optisch lesbaren Codes oder Klarschrift, dadurch gekennzeichnet, daß, in festgelegter, vorzugsweise fester, örtlicher Relation zu der Codeform, mindes­ tens ein Lokalisierungsmuster platziert wird, wobei jedes Lokalisierungsmuster aus einer zweidimensio­ nalen Anordnung von mindestens vier zweidimensional ausgeprägten Elementen von mindestens zwei verschie­ denen Sorten besteht, wobei die Anordnung der Ele­ mente in einem regelmaessigen Raster ist, insbeson­ dere quadratisch oder hexagonal, wobei zwei sich linienhaft berührende Elemente nie von gleicher Sorte sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sorten nach einem regelmaessigen Muster ver­ teilt sind, vorzugsweise unter exakter Wiederholung oder symmetrischer Vertauschung oder zyklischer Ver­ tauschung.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lokalisierungsmuster aus einer Schachbrett-Anordnung von Elementen von zweierlei Sorte bestehen.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die Codeform, einschließlich Lokalisierungsmuster, eine abgeschlossene geometrische Form hat, insbesondere ein Kreis, ein Achteck, oder ein Sechseck, oder ein Rechteck, einschließlich Quadrat als Sonderform eines Rechtecks.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Lokalisierungsmuster am Rand der Codeform befinden, und zwar, innerhalb der Codeform und/oder ausserhalb der Codeform und/oder teilweise innerhalb, teilweise ausserhalb der Codeform.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Lokalisierungsmuster oder alle Lokalisierungsmuster an Ecken der Codeform angeordnet ist, insbesondere an den Ecken eines Recht­ ecks, mit dem Quadrat als Sonderfall des Rechtecks.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß die Lokalisiermuster innerhalb der Codeform angeordnet sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lokalisiermuster aus mindestens 2 × 3 Elementen bestehen.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lokalisiermuster aus mindestens 3 × 5 Elementen bestehen.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lokalisiermuster aus mindestens n × n Elementen bestehen, mit n < = 3.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lokalisiermuster aus mindestens n × m Elementen bestehen, mit n < = 5, m < = 3.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit mehreren Lokalisierungsmustern, dadurch gekennzeichnet, daß bei mindestens zwei Lokalisierungsmustern das Platzierungsmuster der Elemente so verändert ist, daß sich daraus die Lageart der Codeform eindeutig ergibt.

13. Anordnung Anspruch 12, mit zweierlei Sorten von Ele­ menten, dadurch gekennzeichnet daß die Elemente von mindestens zwei Lokalisierungsmustern so vertauscht sind, daß sich daraus die Lageart der Codeform ein­ deutig ergibt.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit mit mindestens vier Lokalisierungsmustern, von denen sich mindestens vier an Ecken der Codeform befinden.

15. Anordnung nach Anspruch 14, wobei für mindestens zwei Paare von Lokalisierungsmustern die Elemente jeweils so vertauscht sind, daß sich aus jedem dieser Paare die Lageart der Codeform eindeutig ergibt.

16. Anordnung nach Anspruch 15, wobei für mindestens vier Paare von Lokalisierungsmustern die Elemente jeweils so vertauscht sind, daß sich aus jedem dieser Paare die Lageart der Codeform eindeutig ergibt.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Codeform aus einer langgestreckten Anordnung von Elementen besteht, wobei sich an mindestens einem der beiden Enden oder nahe zumindest eines der beiden Enden ein Lokalisierungsmuster befindet.

18. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Codeform aus einem Kreisring, oder midestens einem Sektor eines Kreisrings, von Elementen besteht und sich aus der Position des/der Lokalisiserungs­ muster(s) die Position und/oder die Drehlage der Codeform ergibt.

19. Automatisch lesbare Klarschrift, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schriftzeichen und/oder der Hintergrund zumindest teilweise aus einer zweidimensionalen Anordnung von zweidimensional ausgeprägten Elementen von mindestens zwei verschiedenen Sorten besteht, wobei mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist:

• 1. a: Die Elemente codieren Klarschriftinformation.
• 2. b: Die Elemente oder ein Teil davon bilden Lokalisierungsmuster nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 16.