DE2148152A1

DE2148152A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zum automatischen erkennen von schriftzeichen mit hilfe einer translationsinvarianten klassifikationsmatrix

Info

Publication number: DE2148152A1
Application number: DE2148152A
Authority: DE
Inventors: Meinolf Dipl Ing Muenchhausen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-09-27
Filing date: 1971-09-27
Publication date: 1973-04-05
Also published as: US3815090A; DE2148152C3; DE2148152B2; NL7213090A; LU66152A1; IT967862B; FR2155304A5; GB1383061A; BE789353A

Description

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SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München, uen 27.SER1971 Berlin und München Wittelsbaeherplatz 2

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Verfahren und Schaltungsanordnung zum automatischen Erkennen von Schriftzeichen mit Hilfe einer translations-

invarianten Klassifikationsmatrix

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum automatischen Erkennen von Schriftzeichen, die auch innerhalb einer Bedeutungsklasse nach Form, Größe und Lage in einem gerasterten und spaltenweise abgetasteten Abtastfeld variieren können, bei dem das Abtastergebnis nach vorgegebenen Regeln in mehreren Schritten in eine translationsinvariante Klassifikationsmatrix umgeformt wird, aus der mit den Werten ihrer einzelnen Elemente eine Bedeutungaklasse des zu erkennenden Schriftzeichens abgeleitet wird, für die die höchste Wahrscheinlichkeit vorliegt.

Ein praktisch verwendbares und damit erst befriedigendes Verfahren zum automatischen Erkennen von Schriftzeichen muß zwei Hauptforderungen erfüllen, es muß gegen Varianzen und Störungen unempfindlich sein. Primäre Größen- und Pormvariationen lassen sich aufgrund einer.endlichen Anzahl zugelassener Schriftarten erfassen, sie können daher in entsprechender Weise berücksichtigt werden. Zeichenstörungen dagegen, wie Linienzugunterbrechungen oder Anlagerungen von einzelnen Bildelementen an.das Bildmuster, treten rein zufällig auf und bilden sekundäre Zeichenvariationen, deren Anzahl unbegrenzt ist.

Die bekannten iOrmelementeverfahren zum automatischen Erkennen von Schriftzeichen sind deshalb verhältnismäßig störempfindlich, weil bei ihnen immer nur.eine endliche Anzahl

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von Formvariationen, das heißt Abweichungen der abgetasteten Schriftzeichen von bestimmten, eine Bedeutungsklasse repräsentierenden Prototypen erkannt werden kann. Um kausale von zufälligen Formvarianzen zu unterscheiden, sind statistische Entscheidungsverfahren, bei denen die gesamte Information des Bildmusters ausgewertet wird, besser geeignet. Die hierzu gehörenden bekannten Masken- oder Sondenverfahren lassen dafür sogar eine billige Realisierung zu; jedoch.haben sie wiederum den Nachteil, translationsvariant zu sein, da bei ihnen absolute Bildpositionen, ausgewertet werden. Aus diesem Grunde zusätzlich notwendige Zentrierverfahren versagen aber bei gestörten, vor allem nicht isolierten Zeichen.

Über diese auf dem Gebiet der Zeichenerkennung wohl bekannten Verfahren hinausgehend, ist weiterhin ein auf einer statistischen Grundlage bestehendes Verfahren bekannt, bei dem das Ergebnis der Abtastung eines Abtastfeldes digital als Abtastmatrix zwischengespeichert wird und bei dem zur Verminderung der Redundanz dieser Matrix für deren Elemente, die je einem Bildelement des Abtastfeldes entsprechen, abhängig von dem Zustand des Elementes selbst und dem jeweils benachbarter Elemente mit Hilfe von nur wenige Bits umfassende Vergleichsmatrizen der Signalzustand des entsprechenden Elementes einer umgeformten weiteren Abtastmatrix abgeleitet wird. Das wird mit Hilfe von verschiedenen Vergleichsmatrizen gleichen Umfanges erreicht, die einzeln oder in aufeinanderfolgenden Gruppen auch mehrfach hintereinander derart angewendet werden, daß aus jeder umgeformten Abtastmatrix eine weitere berichtigte Abtastmatrix, von der beim nächsten Umformungsschritt ausgegangen wird und schließlich eine n-te Abtastmatrix derart abgeleitet wird, daß unter Beibehaltung der wesentlichen Pormelemente des abgetasteten Zeichens dessen reduzierte Bildelemente nur noch in einem

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festgelegten und im Verhältnis zur gesamten Abtastmatrix kleinen Ausschnitt der η-ten Abtastmatrize enthalten sind. Aus dem Signalzustand der Matrixeleaente dieses Ausschnittes· wird den abgetasteten Zeichen nut Hilfe von nur wenige Bits umfassenden Klassifikatoren eindeutig eine bestimmte Bodeutungsklasse zugeordnet. Die wesentliche Eigenschaft des bekannten Verfahrens besteht darin, daß die" Art, die Anzahl und die Wirkung der einzelnen Uinformungsschritte von dem Zustand der Elemente des Abtastergebnisses selbst abhängen. Vorteilhaft ist dabei die Vorverarbeitung des Abtastergebnisses eines Bildmusters dem Zustand dieses Bildmusters selbst angepaßt. Ein Nachteil besteht aber darin, daß eine gonze Reihe von Umformungsschritten notwendig sind, um das ursprüngliche Abtastergebnis unter Beibehaltung seiner wesentlichen Formelemente unabhängig von möglichen Variationen auf eine bestimmte, nur wenige Bits umfassende Klassifikationsmatrix zu reduzieren. Wegen der deswegen notwendigen Anzahl an Umformungsschritten bedeutet das nicht nur einen verhältnismäßig hohen technischen, sondern auoh einen großen zeitlichen Aufwand, da diese Umformungsschritte nacheinander durchgeführt werden müssen.

Weiterhin wurde bereite ein Verfahren zum automatischen Erkennen von flächenhaften Mustern vorgeschlagen, bei dem als Klassifikationsmerkmale Momente eines solchen Musters in bezug auf beliebig gewählte Achsen verwendet v/erden. Bei diesem Verfahren wird ein aus dem flächenhaften Muster gewonnenes und digitalisiertes A.btastergebnis unverändert in eine erste Arbeitsmatrix, eine sogenannte Übertragungsruatrix, übertragen, aus der mit Hilfe der Momente erster Ordnung bezüglich der Achsen eines im Abtastfeld vorgegebenen Koordinatensystemes der Schwerpunkt des abgetasteten Musters, darait von dessen möglicher. Momenten zweiter Ord-

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nung die Zentralmomente und daraus wiederum die Hauptträgheitsmomente ermittelt werden. Außerdem wird das Abtastergebnis in mindestens eine -weitere Arbeitsmatrix übertragen und daraus Momente zweiter Ordnung des Husters, bezogen auf gegenüber dem ursprünglichen Koordinatensystem verschoben oder geneigte Achsen ermittelt. Sämtliche festgestellten Momente zweiter Ordnung werden einem Klassifikator zugeführt, der dem abgetasteten Muster mit den so gewonnenen Klassifikationsmerkmalen eine bestimmte Bedeutungsklasse zuordnet. Dieses vorgeschlagene Verfahren beruht auf einer rein statistischen Grundlage und benutzt zur Optimierung des Abtastergebnisses den gesamten Informationsgehalt des abgetasteten Musters. Doch liegt es in der Natur der Momente beliebiger Ordnung einer Fläche bezüglich eines Koordinatensystemes, daß dabei zum Beispiel Randgebiete dieser Fläche anders bewertet werden, als Flächenelemente in der Nähe des Koordinatenxarsprunges. Deswegen ist es bei diesem Verfahren notwendig, Momente gleicher Ordnung bezüglich mehrerer Koordinatensysteme zu bilden, zum anderen ist aber auch die Berechnung dieser Momente verhältnismäßig aufwendig, selbst dann, wenn man bei einer Rasterdarstellung des abgetasteten Musters bei noch ausreichender Genauigkeit von der integralen Berechnung der Momente auf eine Summenberechnung übergehen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum automatischen Erkennen von Schriftzeichen zu schaffen, bei dem zur Vorverarbeitung eines aus dem Bildmuster gewonnenen Abtastergebnisses ein rein statistisches Entscheidungsverfahren verwendet wird, bei dem die gesamte Information der Bildvorlage ausgewertet wird, bei dem aber die der Vorverarbeitung zugrundegelegten Regeln derart einfach sind, daß die für die Klassifikation notwendige Umformung des Abtastergebnisses mit einfachen Mitteln technisch ausführbar

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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beim Abtasten des Abtastfeldes gewonnene und dem Schwarzwert der Abtastelemente entsprechende Abtastsignale, nach den Spalten iro Abtastfeld geordnet, mit einem um phasenverschobene Sequenzen erweiterten Satz von orthogonalen Walsh-Funktionen eindimensional derart transformiert werden, daß das Transformationsergebnis einer solchen Reihe von Abtastöignalen mit einer dieser Punktionen einen Wert einer eindimensional transformierten Bildmatrix bildet, daß-diese in gleicher Weise mit dem transponierten Satz der verwendeten Walsh-Funktionen nochmals und dann in eine nun zweidimensional transformierte Bildmatrix umgeformt wird, daß daraus eine als Sequenzspektrum bezeichnete Klassifikationsmatrix derart gebildet wird, daß auf lediglich phasenverschobene Sequenzen von Walsh-Funktionen gleicher Ordnung zurückzuführende, durch Zeilen und Spalten gleicher Ordnung begrenzte Teilbereiche in der zweidimensional transformierten Bildmatrix durch Höchstwertbildung zusammengefaßt und aus diesen sowie allen übrigen Werten der zweidimensional transformierten Bildmatrix Absolutwerte gebildet und als Spektralwerte in das Sequenzspektrum übernommen werden und daß durch Diskriminatoren bewertete Kombinationen dieser Spektralwerte die V/ahrscheinlichkeiten für alle möglichen Bedeutungsklassen ergeben und dem abgetasteten Zeichen diejenige Bedeutung zuerkannt wird, für die die höchste Wahrscheinlichkeit vorliegt.

Mit diesem Verfahren ist es möglich, zu einer translationsinvarianten Darstellung des Abtastergebnisses zu gelangen. Dabei sind für die Transformationen des Abtastergebnisses in das Sequenzspektrum nur einfache Additionen beziehungswei-

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se Subtraktionen notwendig. Dadurch ist die Yorverarbeitung gegenüber den bisher bekannten Verfahren derart vereinfacht, daß es bei vertretbarem Aufwand sogar möglich wäre, die bei der Abtastung gewonnenen Bildsignale nicht - wie im allgemeinen üblich - digitalisiert, sondern analog zu verarbeiten. Weiterhin ist das Verfahren prinzipiell unabhängig davon, ob das im Abtastfeld liegende Zeichen Spalte für Spalte oder parallel abgetastet wird. Wegen der einfachen Realisierungsmöglichkeiten der vorgesehenen Eransformationen des Abtastergebnisses ist bei einer parallelen Abtastung des gesamten Zeichens auch eine parallele -Vorverarbeitung mit vertretbarem technischen Aufwand durchaus nöglich, so daß sich der Zeitaufwand für die Erkennung eines Schriftzeichens in einem beachtlichen Umfange reduziert. Weiterbildungen der Erfindung sind in einer nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen näher erläutert und in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden werden zum besseren Verständnis der Erfindung anhand der Zeichnung zunächst die allgemeinen Grundlagen und dann einzelne Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:

Pig. 1 die schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens,

Fig. 2 die Kurvenverläufe eines um phasenverschobene Sequenzen erweiterten Satzes von orthogonal Walsh-Funktionen,

Fig. 3 einen Operationsverstärker mit einem Eingangsnetzwerk als Funktionsgenerator für eine Walsh-Funktion,

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild für eine parallele Vorverarbeitung des abgetasteten Zeichens,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für eine sequentiell arbei-

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tendo Vorverarbeitungseinheit,

Pig. 6 ein digitalisiertes Bildmuster für ein Schriftzeichen der Bedeutungeklasse "2",

Pig. 7 das zu dem in Fig. 6 dargestellten Zeichen gehörige Sequenzspektrurr), sowie die

Fig. 8,

u. 11 ähnliche Bildmuster mit Schriftzeichen der Bedeutungsklas&e "2" beziehungsweise deren Sequentspektren.

Dio Erfindung beruht darauf, öaß es möglich ist, mit Hilfe einer mathematischen Transformation Bildrauster ohne zusätzlichen Informationsverlust lageinvariant darzustellen. Für diese Auflösung des Bildsignales eignen sich mäanderförmige Punktionen (Walsh-Funktionen) ungleich "besser als trigonometrische Funktionen. Ihr dem Frequenzspektrum der trigonometrischen Punktionen entsprechendes Sequenzspektrum ist ebenfalls 1*3geinvariant, die Punktionen selbst sind aber den Bedingungen gerasterter Bildsignale und einer digitalen Verarbeitung besser angepaßt. Es ist wohl zweckmäßig, der Schilderung von Ausführungsbeispielen zunächste einige Betrachtungen über die Grundlagen der Sequenztechnik voranzustellen. Wie bereits angedeutet, versteht man unter der Sequenztechnik in Analogie zui" gewohnten Prequenztechnik eine Kachrichtentechnik, die statt des vollständigen orthogonalen Systemes der trigonometrischen Funktionen das der Walsh-Funktionen benutzt. Dieses System ist ebenfalls vollständig und orthogonal. Die Theorie der Sequenztechnik ist aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt, zum Beispiel von Walsh, J.L. "A closed set of normal orthogonal functions", Amer. J. Hath 45 (1923) S. 5 bis 24 oder von Harmuth, H. "A generalized concept of frequency and some applications", IEEE Trans, on Information Theory Vol. lT-14 (Mai 1968), H. 3, S. 375 bis 382. Hier wird

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daher nur auf spezielle Eigenschaften eingegangen, die unmittelbar für das Verständnis des Anmeldungsgegenstandes wesentlich sind. Dazu sei zunächst kurz auf Pig. 2 hingewiesen, die später im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen speziell erläutert wird. Dort ist eine Reihe von Walsh-Fimktionen in einem normierten. Intervall -0,5 = θ = H- 0,5 dargestellt. Dabei ist θ - -t/T, die auf die Zeitbasis T normierte Zeit. Außerhalb dieses Intervalles setst sich das System periodisch fort. Walsh-Fuiiktionen können verschieden dargestellt werden. Die hier gewählte Darstellung geht von einer Definitionsgleichung aus, die in dem erwähnten Aufsatz von Harmuth erläutert ist. Die gewählte Darstellung hat den Vorteil, daß einem ganzzahligen Ordnungsparameter i die normierte Sequenz in Analogie zur normierten Frequenz zuzuordnen ist. Dadurch sind die Systeme von trigonometrischen Funktionen und Walsh-Funktionen direkt vergleichbar. In Analogie zu sin (i · 2 T Θ) und cos (i · 2Τθ) bezeichnet sal (i, Θ) die bezüglich 9=0 ungeraden und cal (i, Θ) die entsprechenden geraden Vialsh-Funktionen.

Ein derartiges in Fig. 2 dargestelltes System von Funktionen läßt sich natürlich auch in einer Matrix darstellen, deren Zeilen die einzelnen Sequenzen enthalten. Für die in der zweiten Zeile der Fig. 2 dargestellte Walsh-Funktion sal (4, θ) lautet dann der entsprechende achtdimensionale Vektor Sp = (1, -1, 1, -1, 1, -1, 1, -1). In entsprechender Weise lassen sich auch alle anderen Vektoren für die in Fig. 2 dargestellten Sequenzen angeben.

Da die Walsh-Funktionen ein orthogonales Funktionensystem darstellen, kann man mit bestimmten Sequenzen auch die sogenannte:: Hadamard-Matrix bilden. Eine Hadamard-Matrix setzt sich aus den binären Variablen +1 und -1 derart zusammen, daß sowohl ihre Zeilen beziehungsweise ihre Spalten zueinan-

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der orthogonale Vektoren darstellen. Daraus ergibt sieb die Eigenschaft jeder Hadamard-Matrix entsprechend der Beziehung

Das Matrizenprodukt der ursprünglichen Hadamard-Matrix (H) mit der zu ihr transponierten Matrix (H ) ergibt die Einheitsmatrix (E) der Ordnung n, wenn die Hadamard-Matrix (H) selbst ein System von η · η Zahlen bildet. Die Gleichung (1) vereinfacht sich zu der Beziehung

(1a) (H) -(H) « η · (E) wenn die Hadamard-Matrix (H) zusätzlich symmetrisch ist.

Aus den "Proceedings of the I.E.E.E." Vol. 57 No. 1, Jan. 1969, Seite 58 bis 68 ist eine Hadamardtransformation für die Bildübertragung bekannt, die eine zweidimensionale Bildcodierung darstellt, die sich einfach codieren läßt. Dabei multipliziert man eine quadratische Bildmatrix (B) von links und rechts mit der Hadamard-Matrix (H) und erhält so entsprechend der Beziehung (2) eine transformierte Bildmatrix (T).

Da die transformierte Bildmatrix (T) die gleiche Entropie besitzt, wie die Bildmatrix (B), läßt siensich mit gleicher Kanalkapazität übertragen» Bei der Codierung wiederholt man ' die Matrizenmultiplikation und erhält aufgrund (1a) - abgesehen von einem Faktor η - die ursprüngliche Bildmatrix (B) entsprechend der Beziehung

= n² (B)

Wie im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen der Erfindung zu zeigen sein wird, sollen Eigenschaften der Hadamard-

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Transformation in einem Verfahren zum automatischen Erkennen von Schriftzeichen benutzt werden» das auf einer zweidimensionalen Transformation des Abtastergebnisses mit Hilfe von Walsh-Funktionen beruht, die derart ausgewählt sind, daß eine translationsinvariante Auswertung möglich ist. Ein Überblick über dieses Verfahren wird nun im folgenden anhand der Pig. 1 und 2 gegeben:

Ein in einem Abtastfeld AP enthaltendes Schriftzeichen oder Bildmuster wird in herkömmlicher ¥eise spaltenweise durch einen Abtaster AB abgetastet. Die dem Zustand der einzelnen Elemente des Abtastfeldes AP entsprechenden Bildsignale stellen in ihrer Gesamtheit eine Bildmatrix (B) dar. Zur Vorverarbeitung des Abtastergebnisses können die Elemente dieser Bildmatrix (B) entweder parallel oder Spalte für Spalte in eine Vorverarbeitungseinrichtung (V) übertragen werden. Diese enthält eine Transformati ons schaltung^ TR.·, die einerseits über Bildsignalleitungen an den Abtaster AB und andererseits an einen Sequenzgenerator SG angeschlossen ist.

Der Sequenzgenerator SG erzeugt die benötigten Walsh-Funktionen. In der Auswahl der entsprechenden Sequenzen besteht nun gegenüber der beschriebenen Hadamard-Transformation ein wesentlicher Unterschied, da man bei der Zeichenerkennung eine translationsinvariante Transformation benötigt. Verzichtet man auf die Reversibilität der Transformation, die auf die Gleichung (1) zurückzuführen ist, so läßt sich eine aus einer Reihe von m Sequenzen bestellende Sequenzmatrix (S) bilden, die aus einem um phasenverschobene Sequenzen erweiterten Satz von orthogonalen Walsh-Funktionen besteht. Legt man ein Abtastfeld AP mit einem Raster von 8x8 Bit zugrunde, so kann eine bei der Abtastung des Abtastfeldes AP gewonnene Bildmatrix (B) mit 64 Elementen mit einer Sequenznatrix (S) transformiert wercL-_vi, der ein Satz von m = 12 Sequenzen als aehtdimeiisionale Zeilenvektoren zugrundeliegt. Der dafür verwendete Satz von Walsh-Funktionen ist in Fig.

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in den Zeilen a biß m dargestellt. Vergleicht man die Zeilen a und d oder die Zeilen e "bis h, "beziehungsweise die Zeilen i Md m jeweils miteinander, so ist daraus zu ersehen, daß in diesen Zeilen jeweils Sequenzen gleicher Ordnungssahl i = 1, 2 "beziehungsweise 3 dargestellt sind, die zueinander jedoch phasenverschoben sind. Wesentlich für eine Hageinvariante Transformation der Bildmatrix'(B) mit Hilfe dieser Sequenzmatrix (S) und einer dazu transponierten Sequenzmatrix (S ) entsprechend der Beziehung

ist die Tatsache, daß die Sequenzmatrix (S) beziehungsweise deren Transponierte (S⁺) mehrere zueinander lediglich phasen verschobene Sequenzen enthält. '

In der Transformationsschaltung TR werden nun die Abtastv;erte, öys heißt, die Bildsignale für eine Spalte des Abtastfeldcs AP, nach den Regeln der Matrizenmultiplikation gesteuert durch den Sequeiizgenerator SG addiert beziehungsv.-eise .subtrahiert und am Ende jeder Spalte gespeichert. Daciit erhält man die eindimensional transformierte Bildmatrix (S)" (B). Dieser Prozeß wiederholt sich in der zweiten Transformation, in der die eindimensional transformierte Bildma-trix nun mit der transponierten Sequenzraatrix (S⁺) multipliziert wird. Das Ergebnis dieser Transformation ist die zweidimensional transformierte Bildmatrix (T), die - mathematisch ausgedrückt - eine zweidimensionale Korrelation der Bildmatrix (B) mit m Sequenzen bildet.

Ua die Bedeutung der phasenversch o-benen Sequenzen in der Sequenzmatrix (S) klarzustellen, sei diese Korrelation noch etwas erläutert: Betrachtet man aus dem "gesamten Abtastfeld Ai¹, das ein Bildmuster enthalten soll, nur eine einzige Spalte und nimmt man außerdem an, daß die dieser Spalte des Ab-

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tastfeiaes AP entsprechenden Bildsignale beziehungsv/eise Elemente einer Spalte der Bildmatrix (B) von allen Sequenzen am besten mit der in Zeile i der Fig. 2 dargestellten Sequenz -cal (3, θ) übereinstimmen, dann würde bei einer Verschiebung des Bildmusters im Abtastfeld um eine Zeile nach unten stattdessen die in Zeile 1 der Pig. 2 dargestellte Sequenz (3,θ + 1>25) nun aa besten mit den Bildsignalen dieser Spalte des Abtastfeldes AP korrelieren_v das heißt, die Matrizenmultiplikation ergäbe jeweils den gleichen Viert. Das bedeutet, die Lageinvarianz dieser Transformation ist darauf zurückzuführen, daß in der Sequenzmatrix (S) Sequenzen gleicher Ordnung, aber verschiedener Phase zusammengefaßt werden.

Um aber das Abtastergebnis eines Bildmusters im Abtastfeld AP unabhängig von dessen Lage in diesem Abtastfeld auswerten zu können, muß die transformierte Bildmatrix (T) derart reduziert werden, daß man unabhängig von der Phasenlage dieser Sequenzen wird. Dazu ist in der Vorverarbeitungseinheit V eine Reduktionsanordnung RED vorgesehen, die die transformierte Bildmatrix (T) auf ein sogenanntes Sequenaspektrum (T¹) reduziert und normiert. Die Reduktion besteht in einer Höchstwertbildung, über die ¥erte .solcher Teilbereiche der transformierten Bildmatrix (T), die durch die Zeilen und Spalten gebildet werden, die den phacenverschobenen Sequenzen gleicher Ordnung zugeordnet sind. Die Normierung erreicht man dadurch, daß man die Absolutwerte dieser Höchstwerte der einzelnen Teilbereiche bildet, die dann die Elemente des Sequenzspektrums (T¹) darstellen.

Dieses Sequenzspektrura (T¹) ist das Ergebnis der Vorverarbeitung und wird in einem an die Vorverarbeitungseinhe.it V angeschlossenen Klassifizierer KL weiter verarbeitet. Der Klassifizierer KL enthält nichtlineare Diskriminatoren D1

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Ms Dk, in denen die informationstragenden Elemente des Sequenzspektrums (T') , die sogenannten Spektralwerte und deren Korabinationen, mit bestimmten unterschiedlichen Faktoren für jede Bedeutungsklasse multipliziert werden. Die Diskriminatoren zeigen dann die Wahrscheinlichkeiten für alle Bedeutung s3claßβ en en. In einem an die Di3kriminatoren angeschlossenen Maximumzähler wird eine Extremwertbestimmung dieser Wahrscheinlichkeiten vorgenommen und die wahrscheinlichste Bedeutung angezeigt, sofern diese einen genügenden einstellbaren Abstand von der nächst wahrscheinlichen Bedeutungoklasse besitzt. Der notwendige Abstand ergibt sich aus dem Verhältnis von Fehlerrate zu Rückweisungsrate.' Besitzen die beiden Bedeutungen mit der höchsten Wahrscheinlichkeit nicht i den notwendigen Abstand voneinander, so wird eine Rückweisung EE des abgetasteten Bildmusters angezeigt.

Die Klassifizierung des Zeichens wurde hier nur kurz angedeutet, da sie mit herkömmlichen Mitteln durchgeführt werden kann. So lassen sich die Diskriminatoren in einem simulierten Optimierungsprozeß nach dem Kriterium einer minimalen Fehlerrate mit einem repräsentativen Zeichensatz nach statistischen Methoden, zum Beispiel der Regressionsanalyse, errechnen.

Anhand der Fig. 3 soll nun erläutert werden, daß die Transformation der Bildmatrix (B) in die transformierte Bildmatr.ix (T) auf eine sehr einfache Weise zu realisieren ist. Ausge- * hend von dem als Beispiel gewählten Baster von 8x8 Elementen im Abtastfeld AF ist in Fig. 3 eine Fotodiodenspalte mit acht Elementen PD1.... PD8 dargestellt, durch die eine Spalte beziehungsweise eine Zeile des Abtastfeldes AF abgetastet werden kann. Für die eindimensionale Transformation der Bildniatrix (B) muß nun jede Spalte des Abtastfeldes AF mit sämtlichen Zeilen der Sequenzmatrix (S) korreliert werden. Dazu läßt sich ein sehr einfacher Sequenzgenerator SG aufbauen. Dieser enthält

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als wesentliches Element einen Operationsverstärker OP mit einem positiv und einem negativ zählenden Eingang +E beziehungsweise -E. Der Operationsverstärker OP enthält eine Rückkopplung seines Ausganges A auf den positiven Eingang +E über einen ohaschen Widerstand IiO, außerdem ist der negativ- zählende Eingang -E über einen ebenso großen ohtnsehen Widerstand EO geerdet. Beiden Eingängen +E'und -E ist jeweils ein Widerstandsnetzwerk aus parallelgeschalteten und gleichgroßen ohmsohen Widerständen R1 zugeordnet. Soll mit dea Sequensgenerator SG - wie in diesem Fall am Ausgang A angedeutet - die Sequenz cal(3» Θ) nachgebildet werden, so sind - wie sich aus einem Vergleich mit der in Zeile i der Fig. 2 dargestellten Sequenz -cal(3,ö) ergibt die Fotodioden PD2, PD4, PD5 und PD7 beziehungsweise die an sie angeschlossenen Bildsignalleitungen BS mit jeweils einem ohmsehen Widerstand R1 des im positiven Eingangszweig des Operationsverstärkers OP liegenden ohmschen Netzwerkes zu verbinden, umgekehrt sind die Fotodioden PD1, PD3, PD6 und PD8 in analoger Weise dem negativen Eingang -E des Operationoverstärkers OP zugeordnet. An dessen Ausgang A liegt dann eine Spannung, die der Funktion eal(3,ö) * (ASP) entspricht, wobei mit ASP eine Spalte des Abtastfeldes AF bezeichnet sein soll.

In Fig. 4 ist eine Yorverarbeitungseinrichtung dargestellt, die im wesentlichen aus einer Vielzahl derartiger Sequenzgeneratoren SGn aufgebaut ist, mit denen die zweidimensionale [Transformation der Bildmatrix (B) durchgeführt wird. Wegen der Übersichtlichkeit der Darstellung ist dieses Schema stark vereinfacht auf ein 3x3 Bit-Abtastraster und eine Sequenzmatrix (S), die nur drei Sequenzen enthält. Eine praktische Ausführung einer derart vereinfachten Vorverarbeitungseinrichtung würde allerdings zu ungenügenden Ergebnissen führen, für die Darstellung das Prinzipes ist sie jedoch anschaulicher. Nach der Erläuterung des Aufbaues eines Sequenzgenerators SGn an»

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hand der Fig. 3 wird die in Pig. 4 dargestellte Vorverarbeitungseinrichtung aus eich heraus verständlich. Sie ist für eine parallele Abtastung und Vorverarbeitung sämtlicher Elemente des Abtastfeldes Ai¹ geeignet. Dementsprechend werden auch sämtliche über die Bildsignalleitungen BS geführten Elemente der Bild- I matrix (B) parallel weiterverarbeitet. Dazu sind an die einer Spalte des Abtastfeldes AF zugeordneten Fotodioden PD1, PD2, PD3 entsprechende Bildsignalleitungen BS angeschlossen, die parallel an die Eingänge dreier Sequenzgeneratoren SG1, S&2 und SG3 geführt sind. In diesen Sequenzgeneratoren ist jeweils eine von drei Sequenzen einer Sequenzmatrix (S) nachgebildet. Diese Anordnung ist jeweils parallel für sämtliche Spalten des Abtastfeldes vorgesehen, so daß mit 3x3 Sequenzgeneratoren SGn, von denen wieder jeweils drei gleichartig aufgebaut sind, die eindimensionale Transformation der BiIdmatrix durchgeführt werden kann.

Für die zweite Transformation der Bilämatrix (B) in der zweiten Koordinatenrichtung sind die Ausgänge der gleichartig aufgebauten und dieselben Sequenzen nachbildenden Sequenzgeneratoren, zum Beispiel SG1, jeweils mit einem Satz von zweiten Sequenzgeneratoren verbunden, in denen wieder die gleichen Sequenzen der ursprünglichen Sequenzmatrix (S) nachgebildet sind. Diese Vereinfachung ergibt sich aus der Grundregel der Matrizenrechnung, bei der die Zeilen der ersten Matrix mit den Spalten der zweiten zu multiplizieren sind und der weiteren Regel, daß die transponierte Sequenzmatrix (S⁺) durch Vertauschen von Zeilen und Spalten aus der Sequenzmatrix (S) hervorgeht. Jeder der zweiten Sequenzgeneratoren SGn gibt an seinem Ausgang eine Signalspannung ab, die einem Element der transformierten Bildmatrix (I) entspricht. Diese Ausgänge sind über eil Widerstandskoppelfeld KP mit Diodenspalten DS verbunden, mit denen eine ODER-Funktion realisiert ist, so daß sie als Maximumdetektor wirken.

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Mit dem Widerstandskoppelfeld KP können Werte der transformierten Bildmatrix (T) erzeugt werden, die von phasenverschobenen Sequenzen herrühren und von dem Hadamard-Spektrum linear abhängig sind. Dieses Beispiel zeigt aber, daß es mit einer Anzahl von zum Teil gleichartigen,bei der heutigen Schaltkreistechnik aber einfach aufzubauenden Baugruppen möglich ist, eine parallele Transformation der Bildmatrix (B) durch'zuführen. Das gelingt vor allem aufgrund der Eigenschaften der Walsh-Funktionen, die als orthogonale Punktionen mit binären Variablen aufgebaut sind, so daß die zweidimensionale Transformation der Bildmatrix (B) auf einfache Additionen und Subtraktionen zurückgeführt werden kann.

Die Transformation der Bildmatrix (B) könnte aber auch auf andere Art und Weise erreicht werden. Dafür ist ein anderes Beispiel für eine mögliche Schaltungsanordnung in Fig. 5 dargestellt. Dort ist ein Matrixspeicher ASM gezeigt, der als Analogspeicher ausgebildet ist, wie sich aus einer beispielhaft dargestellten Speicherzelle SZ ergibt, die ein RC-Giied als Speicherelement enthält. Jedem Zeilenleiter ZL dieses Matrixspeichers ist ein rückgekoppeltes Schieberegister SR1 bis SRm zugeordnet, das über einen zentralen Taktgeber TG-taktgesteuert ist. Diese taktgesteuerten und rückgekoppelten Schieberegister SR1 bis SRm bilden jeweils einen Sequenzgenerator, der alle Speicherzellen SZ einer Speicherzeile gemeinsam ansteuert. Abhängig von dem Zustand des zugeordneten Sequenzgenerators wird die jeweilige Zählrichtung des analogen Speicherelementes jeder Speicherzelle SZ eingestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist dies rein schematisch durch einen zweipoligen -Umschalter U dargestellt, der sich beim heutigen Stande der Technik auch ohne weiteres als elektronischer Schalter nachbilden läßt.

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An den Spaltenleiter SL des Matrixspeichers ASM· ist jeweils ein Ausgang einer Zuordnerschaltung Z angeschlossen, die ebenfalls durch den zentralen Taktgeber TG taktgesteuert ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist dieser Zuordner Z - um seine Punktion anzudeuten - als mehrpoliger Schalter ausgebildet, dessen Schaltglieder jeweils eine bestimmte Fotodiode PD einer Fotodiodenspalte mit den zugeordneten Spaltenleitern des Matrixspeichers ASM verbindet. Nun wird ersichtlich, daß dieses Ausführungsbeispiel besonders dann geeignet ist, wenn der Abtastvorgang und die Vorverarbeitung sequentiell Spalte für Spalte erfolgen. Mach der vollständigen Abtastung des Bildmusters im Abtastfeld AF enthält der Matrixspeicher ASM die eindimensional transformierte Bildmatrix (S) · (B) . In analoger Weise ist dann - in Fig. 5 nicht mehr dargestellt die zweite Transformation durchzuführen, die zweidimensional transformierte Bildmatrix (T) wird dann - wie bereits anhand der Fig. 4 erläutert - über ein Widerstandskoppelfeld und Diodenspalten reduziert und normiert.

In den Fig. 6 bis 11 sind schließlich Beispiele für einander ähnliche Bildmuster der Ziffer "2" und deren zugeordnete Sequenzspektren (ΐ¹) dargestellt. Hierzu sei nur kurz erläutert, daß die beiden in Fig. 6 beziehungsweise in Fig. 8 dargestellten Bildmuster bis auf eine Lageverschiebung im Abtastfeld identisch sind und-dementsprechend auch die beiden zugeordneten Sequenzspektren in Fig. 7 beziehungsweise Fig. 9 übereinstimmen. Dem gegenüber ist das in ?ig. 10 dargestellte Bildmuster den beiden anderen nur ähnlich, was sich zum Beispiel auch schon aus dem Vergleich des der ersten Zeile und der ersten Spalte zugeordneten Spektralwertes der verschiedenen Sequenzspektren ergibt. Dieser Spektralwert ist - wie ■ich aus einer mathematischen Betrachtung der der Bildtraneformation zugrundeliegenden Matrizenrechnung ohne weiteres ergibt den mittleren Schwarzwert im Abtastfeld proportional. Abgesehen

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davon, ist aber offensichtlich, daß - abgesehen von der im Sequenzspektrum zum Ausdruck kommenden Lageinvarianz - auch ähnliche Zeichen ähnliche Sequenzspektren hervorrufen.

Die Erfindung wurde vorstehend anhand von zwei Ausführungsbeispielen erläutert, die auf einer Vorverarbeitung von digitalisierten Bildsignalen beruhen. Abgesehen davon, daß man in der Praxis eine höhere Bildauflösung fordern würde, als sie hier aus Gründen der Anschaulichkeit dargestellt wurde, ist im Rahmen der Erfindung noch eine Reihe von Möglichkeiten denkbar. So wäre es zum Beispiel durchaus auch möglich, in einer Bildmatrix statt der binären Werte "O" und "1" auch be- ^ liebige Analogwerte zuzulassen und eine derartige Bildmatrix w zu transformieren. Diese direkte Verarbeitung analoger Bildsignale kann Störungen und Rastfehler vermindern. Weiterhin ist die Auswahl der Sequenzen in der geschilderten Sequenzmatrix selbstverständlich nicht bindend, sondern kann den verschiedensten Anwendungsfällen angepaßt werden. Auch bei einer höheren Bildauflösung oder einer Verarbeitung von analogen Bildsignalen bleiben die Vorteile des Verfahrens erhalten, daß man die notwendige Transformation der Bildmatrix mit einfachen Grundrechenoperationen durchführen und diese bei den heutigen Möglichkeiten der Schaltkreistechnik mit einfachen Bausteinen verwirklichen kann.

6 Patentansprüche
11 Figuren

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Claims

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Pa t enta η spriiche

M«'Verfahren zum automatischen Erkennen von Schriftzeichen, die auch innerhalb einer Bedeutungsklasse nach Form, Größe iind Lage in einem gerasterten und spaltenweise abgetasteten Abta.stfeld variieren können, bei dem das Abtastergebnis nach vorgegebenen Regeln in mehreren Schritten in eine translationsinvariante Klassifikationsmatrix umgeformt ■wird, aus der mit den Werten ihrer einzelnen Elemente eine Bedeutungsklaese des zu erkennenden Schriftzeichens abgelei~ tet wird, für die die höchste Wahrscheinlichkeit vorliegt, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abtasten des Abtastfeldes (AI?) gewonnene und dem Schwarzwert der Abtastelemente entsprechende Abtastsignale, nach den Spalten im Abtaßtfeld geordnet, mit einem um phasenverschobene Sequenzen erweiterten Satz von orthogonalen Walsh-Funktionen (S) eindimensional derart transformiert werden, daß das iDransformationsergebnis einer solchen Reihe von Abtastsignalen mit einer dieser Funktionen einen Viert einer eindimensional transformierten Bildraatrix (B) bildet, daß diese in gleicher Weise mit dem transponierten Satz der verwendeten Walsh-Funktionen (S ) nochmals und damit in eine nun zweidimensional transformierte Bildmatrix (T) umgeformt wird, daß daraus eine als Sequenzspektrum (T¹) bezeichnete Klassifikationsmatrix derart gebildet wird, daß auf lediglich phasenverschoben Sequenzen von Walsh-Funktionen gleicher Ordnung zurückzuführende, durch Zeilen und Spalten gleicher Ordnung begrenzte Teilbereiche in der zweidimensional transformierten Bildmatrix durch Höchstwertbildung zusammengefaßt und aus diesen sowie allen übrigen Werten der zweidimensional transformierten Bildmatrix Absolutwerte gebildet und als Spektralwerte in das SequenzSpektrum übernommen werden und daß durch Diskriminatoren (D1.... Dk) bewertete Korabinationen dieser Spektralwerte die Wahrscheinlichkeiten für alle möglichen

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Bedeutungsklassen ergeben und der& abgetasteten Zeichen diejenige Bedeutung zuerkannt wird, für die die höchste Wahrscheinlichkeit vorliegt. .
2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die eindimensionale Transformation des Abtastergebnisses einander parallelgeschaltet eine Reihe von jeweils einen Operationsverstärker (OP) enthaltenden Addiereinheiten mit ihrem t.eils positiv, teils negativ zählenden Eingangsnetzwerk an einzelne, die digitalisierten Abtastsignale führenden und den Abtastelementen einer Spalte des Abtastfeldes zugeordneten Bildsignalleitungen (BS) derart angeschlossen ist, daß jede Addiereinheit eine Walsh-Funktion nachbildet.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer parallelen Abtastung sämtlicher Abtastelemente an die Bildsignalleitungen (BS) jeder Abtastspalte ein vollständiger Satz von Addiereinheiten (SGn) parallel angeschaltet ist, mit dem Walsh-Funktionen nachgebildet sind und daß die Ausgänge aller Addiereinheiten für dieselbe Punktion wiederum jeweils parallel mit einem vollständigen Satz von weiteren Addiereinheiten verbunden sind, mit denen gegenüber den ursprünglichen transponierte Walsh-Funktionen nachgebildet sind, und daß die Ausgänge der weiteren Addiereinheiten zum Bilden von Werten der transfomierten Matrix (T), die auf phasenverschobene Sequenzen zurückzuführen sind, an ein Koppelfeld (KP) aus ohmschen Widerständen angeschlossen sind und dieses zum Bilden von Höchstwerten aus den zusaicmenzufassenden Teilbereichen der zweidimensional transformierten Bildmatrix mit Diodenspalten (DS) verbunden ist, so daß an den Ausgängen dieser Diodenspalten die Werte des Sequenzspektrums

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(T¹) auftreten.
4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Yerfahrens nach Anspruch 1, "bei dem die einzelnen Spalten des Abtastfeldes nacheinander abgetastet werden, gekennzeichnet durch einen als Matrixspeicher ausgebildeten addierfähigen Analogspeicher (ASM), bei dem die Speicherzellen (SZ) spaltenweise parallel nacheinander über einen mit den Spaltenleitern (SL) verbundenen Zuordner (Z) den einzelnen Abtastelementen in einer Zeile des Abtastfeldes (Ai¹) zuzuordnen sind und zeilenweise parallel an einen Ausgang eines Sequenzgenerators (SRm) für eine der verwendeten Walsh-ihinktionen derart angeschaltet sind, daß - abhängig von der Polarität der Walsh-Punktionen - die analog speichernden Elemente jeder Speicherzelle (SZ) addier- oder subtrahierfähig in bezug auf die über die Spaltenleiter ankommenden Abtastsignale sind und durch einen Taktgenerator (TG), der mit den Sequenzgeneratoren und dem Zuordner verbunden ist und diese synchron weiterschaItet.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet» daß die Sequenzgeneratoren als taktgesteuerte, rückgekoppelte Schieberegister (SRm) ausgebildet sind.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherelemente des Analogspeichers aus einem RC-Glied bestellen, das über einen Schalter (U) für die Zählrichtung wahlweise umgekehrt gepolt an den Spaltenleiter (SL) anschließbar ist.

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