DE2148152C3 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum automatischen Erkennen von Schriftzeichen mit Hilfe einer translationsinvarianten Klassifikationsmatrix - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum automatischen Erkennen von Schriftzeichen, die innerhalb einer Bedeutungsklasse in bezug auf Form,

Eingangsnetzwerk an einzelne, die digitalisierten 50 Größe und Lage variierend, in einem gerasterten Abtastsignale führenden und den Abtastelemen- Abtastfeld liegen und spaltenweise abgetastet wer

ten einer Spalte dos 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 Abtastelemcnte an die Bildsignalleitungen (BS) jeder Abtastspalte ein voll den, bei dem in Form einer Bildmatrix geordnete und dem Schwarzwert der Abtastelemente entsprechende Abtastsignale spaltenweise mit einem in Form einer Matrix angeordneten Satz von orthogonalen Walsh-Funktionen eindimensional derart transformiert werden, daß das Transformationsergebnis einer Bildmatrixspalte mit einer dieser Funktionen einen Wert einer eindimensional transformierten Bildmatrix

ständiger Satz von Addiereinheiten (SGn) parallel 60 bildet, die ihrerseits mit dem transponierten Satz der

angeschaltet ist, mit dem Walsh-Funktionen nachgebildet sind und daß die Ausgänge aller Addiereinheiten für dieselbe Funktion 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 Walsh-Funktionen analog in eine zweidimensional transformierte Bildmatrix umgeformt und dann in eine reduzierte Klassifikationsmatrix übergeführt wird, aus der auf Grund der Werte ihrer einzelnen Elemente mit Hilfe von Diskriminatoren durch Vergleich mit entsprechenden Werten bekannter Zeichen die Bedeutung des abgetasteten Schriftzeichens abgeleitet wird.

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

Bekannte Formelementeverfahren zum automatischen Erkennen von Schriftzeichen sind deshalb verhältnismäßig störempfindlich, weil bei ihnen immer nur eine endliche Anzanl von Formvariationen, d. h. Abweichungen der abgetasteten Schriftzeichen von bestimmten, eine Bedeutungsklasse repräsentierenden Prototypen erkannt werden kann. Um kausale von zufälligen Formvarianzen zu unterscheiden, sind 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, ^or allem bei nicht isolierten Zeichen.

Über diese auf dem Gebiet der Zeichenerkennung wohlbekannten Verfahren hinausgehend, hat man aber auch bereits verschiedentlich Überlegungen angestellt, ob es möglich ist, das Abtastergebnis ohne wesentlichen Informationsverlust so umzuformen, daß dabei ein für die zugehörige Bedeutung charakteristisches, automatisch leicht und sicher auswertbares Muster entsteht. In diese Überlegungen einbezogen wurden Fragen, nach welchen Lösungsprinzipien das menschliche Gehirn die optische Information bei der Zeichenerkennung verarbeitet und inwieweit diese so entdeckten Prinzipien auch maschinell anwendbar sind.

Ein solcher Versuch ist -aus »Application of Walsh-Functions Symp. 1971 Proc«, N. R. L. & U. of Maryland, April 1971, S. 203· bis 209, bekannt. Dieser dort veröffentlichte Aufsatz beschreibt ein biologisch-technisches Modell einet, möglichen menschlichen Algorithmus zur Zeichenerkennung. Daraus werden allgemeine Vorstellungen abgeleitet, wie sich ein Algorithmus für die automatische Zeichenerkennung ausbilden ließe. Dem Aufsatz selbst ist noch keine technische Realisierung dieser Vorstellungen zu entnehmen. Es wird dort lediglich darauf hingewiesen, daß die Eigenschaften von Walsh-Funktionen möglicherweise einen Weg bieten, das Zeichenerkennungsproblcm allgemeiner als bisher, d. h. ohne Beschränkung auf bestimmte Schreibregeln bei niedriger Fehlerrate zu lösen. Eine Möglichkeit dafür scheint darin zu bestehen, eine als Ergebnis der Abtastung eines zu erkennenden Schriftzeichens erhaltene Bildmatrix zweidimensional mit Hilfe eines Satzes von orthogonalen Walsh-Funktionen in eine Klassifikationsmatrix zu transformieren, in der die Werte einzelner oder der Mehrzahl ihrer Elemente in ihrer Kombination für die Bedeutung des abgetasteten Zeichen charakteristisch sind.

Während in dem obengenannten Aufsatz im wesentlichen ein mögliches Modell diskutiert wird, das nach Ansicht des Autors nur Hinweise dafür gibt, wie das menschliche Gehirn das Zeichenerkennungsproblem meistert, gibt ein in »Application of Walsh-Functions Symp. Ϊ970 Proc«, N. R L. & U. of Maryland, März 1970, S. 147 bis 151, veröffentlichter Aufsatz bereits konkretere Hinweise. Dieser Aufsatz enthält zunächst einen mathematischen Überblick über die Walsh-Funktionen und weist dabei auf ihre mögliche Verwendung bei der Zeichenerkennung hin. Dabei wird allerdings weniger eine konkrete Realisierung eines Zeichenerkennungsverfahrens mit Hilfe von durch Walsh-Funktionen transformierten Abtastergebnissen beschrieben, vielmehr werden grundlegende Untersuchungen erläutert, die Aufschluß darüber geben sollen, inwieweit sich die Walsh-Funktionen für eine Anwendung in der Zeichenerkennung eignen. Wie im vorletzten Absatz der rechten Spalte auf S. 148 zusammengefaßt und anschließend im einzelnen erläutert ist, hat man die prinzipiellen Verwendungsmöglichkeiten dadurch getestet, daß man mit einem Satz von Walsh-Funktionen transformierte digitalisierte Abtastergebnisse von Zeichen mit einem Satz von ebenso transformierten Prototypen kreuzkorreliert, deren Bedeutung bekannt, d. h. gespeichert, ist. Das beste Korrelationsergebnis wird gewertet, d. h. dem Testzeichen die Bedeutung desjenigen Prototyps zugeordnet, mit dem es jeweils in der transformierten Form am besten übereinstimmt. Unter verschiedenen Bedingungen, z. B. Iterationen, wird dann etwas über die Erkennungsrate ausgesagt.

Diese bekannten Untersuchungen ermöglichen noch keine praktische Realisierung eines Zeichenerkennungsverfahrens mit ausreichend niedriger Fehlerrate. Sie geben zwar prinzipielle Hinweise auf die Verwendungsmöglichkeit von Walsh-Funktionen im Zusammenhang mit der Zeichenerkennung, zeigen jedoch noch nicht, wie sich dabei das Problem der Zeichenvariationen innerhalb einer Bedeutungsklasse in bezug auf Form, Größe und Lage des Schriftzeichens im Abtastfeld lösen läßt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die beim Abtasten eines Zeichens erhaltene Information über das Abtastfeld in Form einer Bildma'.rix mit einfachen Mitteln so umgeformt wird, daß nicht nur die gesamte Information möglichst vollständig bis zur endgültigen Klassifizierung erhalten bleibt, sondern darüber hinaus Änderungen der Zeichengröße, der Zeichenform und vor allem der Zeichenlagc im Abtastfeld in möglichst weiten Grenzen irrelevant bleiben, d. h. die Werte der Elemente der Klassifikationsmatrix möglichst nicht beeinflussen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bildmatrix mit einem um phasenverschobene Sequenzen erweiterten Satz von orthogonalen Walsh-Funktionen in eine zweidimensional transformierte Bildmatrix übergeführt wird, in der die jeweils auf lediglich phasenverschobenen Sequenzen derselben Ordnung beruhenden Elemente Teilbereiche bilden, daß zum Überführen der zweidimensional transformierten Bildmatrix in die als Sequenzspektrum bezeichnete Klassifikationsmatrix jeweils die Elemente eines solchen Teilbereichs durch Höchstwcrtbildung zusammengefaßt, und daß aus diesen sowie allen übrigen Werten der zwcidimen-

sional transformierten Bildmatrix Absolutwerte gebildet, die als Spektralwerte in das Sequenzspektrum übernommen werden.

Damit ist es möglich, die im Zusammenhang mit dem Zeichenerkennungsproblem untersuchten und erkannten Eigenschaften von Walsh-Funktionen praktisch auszunutzen, da die obengenannte spezielle Art der Transformation des Abtastergebnisses mit Walsh-Funktionen und die anschließende Reduktion der zweidimensional transformierten Bildmatrix in das Sequenzspektrum eine translationsinvariante Darstellung des Abtastergebnisses bedeutet. Dabei sind für die Transformationen des Abtastergebnisses in das Sequenzspektrum nur einfache Additionen beziehungsweise Subtraktionen notwendig. Dadurch ist die Vorverarbeitung 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 Transformationen des Abtastergebnisses ist bei einer parallelen Abtastung des gesamten Zeichens auch eine parallele Vorverarbeitung mit vertretbarem technischem Aufwand durchaus möglich, 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 gekenr. zeichnet.

Im folgenden werden zum besseren Verständnis der Erfindung an Hand der Zeichnung zunächst die allgemeinen Grundlagen und dann einzelne Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Scha'-tungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens,

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

F i g. 3 einen Operationsverstärker mit einem Eingangsnetzwerk als Funktionsgenerator für eine Walsh-Funktion,

F i g. 4 ein Prinzipschaltbild für eine parallele Vorverarbeitung des abgetasteten Zeichens,

F i g. 5 ein Ausführungsbeispiel für eine sequentiell arbeitende Vorverarbeitungseinheit,

F i g. 6 ein digitalisiertes Bildmuster für ein Schriftzeichen der Bedeutungsklasse »2«,

Fig. 7 das zu dem in Fig. 6 dargestellten Zeichen gehörige Sequenzspektrum sowie die

Fig. 8, 9, 10 und 11 ähnliche Bildmuster mit Schriftzeichen der Bedeutungsklasse »2« beziehungsweise deren Sequenzspektren.

Die Erfindung beruht darauf, daß es möglich ist, mit Hilfe einer mathematischen Transformation Bildmuster ohne zusätzlichen Informationsverlust lageinvariant darzustellen. Für diese Auflösung des Bildsignals eignen sich mäanderförmige Funktionen (Walsh-Funktionen) ungleich besser als trigonometrische Funktionen. Ihr dem Frequenzspektrum der ⁶S trigonometrischen Funktionen entsprechendes Sequenzspektrum ist ebenfalls lageinvariant, die Funktionen selbst sind aber den Bedingungen gerasterter Bildsignale und einer digitalen Verarbeitung besser angepaßt.

Es ist wohl zweckmäßig, der Schilderung von Ausführungsbeispielen zunächst einige Betrachtungen über die Grundlagen der Sequenztechnik voranzustellen. Wie bereits angedeutet, versteht man unter der Sequenztechnik in Analogie zur gewohnten Frequenztechnik eine Nachrichtentechnik, die statt des vollständigen orthogonalen Systems 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, z. B. von Walsh, J. L., »A closed set of normal orthogonal functions«, Amer. J. Math 45 (1923), S. 5 bis 24, oder von Harmuth , H., »A generalized concept of frequency and some applications«, IEEE Trans, on Information Theory Vol. IT-14 (Mai 1968), H. 3, S. 375 bis 382. Hier v/ird daher nur auf spezielle Eigenschaften eingegangen, die unmittelbar für das Verständnis des Anmeldungsgegenstandes wesentlich sind. Dazu sei zunächst kurz auf F i g. 2 hingewiesen, die später im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen speziell erläutert wird. Dort ist eine Reihe von Walsh-Funktionen in einem normierten Intervall - 0,5 £ Θ <; -l· 0,5 dargestellt. Dabei ist θ = t/T, die auf die Zeitbasis T normierte Zeit. Außerhalb dieses Intervalls setzt sich das System periodisch fort. Walsh-Funktionen können verschieden dargestellt werden. Die hier gewählte Darstellung geht von einer Definitionsgteichung aus, die in dem erwähnten Aufsatz von Harmuth erläutert ist. Die gewählte Darstellung hat den Vorteil, daß einem ganzzahligen Ordnungsparameter 1 die normierte Sequenz in Analogie zur normierten Frequenz zuzuordnen ist. Dadurch sind die Sysieme von trigonometrischen Funktionen und Walsh-Funktionen direkt vergleichbar. In Analogie zu sin (/ · 2 η θ) und cos (/ · 2 .τ Θ) bezeichnet sal (ι, θ) die bezüglich θ = 0 ungeraden und cal (/', (->) die entsprechenden geraden Walsh-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 F i g. 2 dargestellte Walsh-Funktion sal (4, θ) lautet dann der entsprechende achtdimensionale Vektor S₂ = (1, — 1, 1, — 1, 1, — 1, 1, —1). In entsprechender Weise lassen sich auch alle anderen Vektoren für die in F i g. 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 zueinander orthogonale Vektoren darstellen. Daraus ergibt sich die Eigenschaft jeder Hadamard-Matrix entsprechend der Beziehung

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

(la)

wenn die Hadamard-Matrix (H) zusätzlich symmetrisch ist.

Aus den »Proceedings of the I.E.E.Ε.«, Vol. 57, Nr. 1, Januar 1969, S. 58 bis 68, ist eine Hadamard-Transfonnation für die Bildübertragung bekannt, die eine zweidimensionale Bildcodierung darstellt, die sich einfach codieren läßt. Dabei multipliziert man eine quadratische Bildmatrix (ß) von links und rechts mit der Hadamard-Matrix (H) und erhält so entsprechend der Beziehung (2) eine transformierte Bildmalrix (T).

(2)

Da die transformierte Bildmatrix (D die gleiche Entropie besitzt wie die Bildmatrix (B), läßt sie sich mit gleicher Kanalkapazität übertragen. Bei der Codierung wiederholt man die Matrizenmultiplikation und erhält auf Grund (1 a) — abgesehen von einem Faktor n² — die ursprüngliche Bildmatrix (ß) entsprechend der Beziehung

(H) · (D · (H) = (H) ■ (H) ■ (B) ■ (H) ■ (H) (3)

= n*(B).

Wie im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen der Erfindung zu zeigen sein wird, sollen Eigenschaften der Hadamardtransformation in einem Verfahren zum automatischen Erkennen von Schriftzeichen benutzt werden, das auf einer zwei- 3<> dimcnsionalen 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 an Hand der F i g. 1 und 2 gegeben:

Ein in einem Abtastfcld AF enthaltendes Schriftzeichen oder Bildmuster wird in herkömmlicher Weise spaltenweise durch einen Abtaster AB abgetastet. Die dem Zustand der einzelnen Elemente des AbUisifeldcs AF entsprechenden Bildsignale stellen in ihrer Gesamtheit eine Bildmatrix (ß) dar. Zur Vop/erarbeitung des Abtastergebnisses können die Elemente dieser Bildmatrix (B) entweder parallel oder Spalte für Spalte in eine Vorverarbcitungscinrichtung (V) übertragen werden. Diese enthält eine TransformationsschaUung TR, die einerseits über Bildsignalleitungen an den Abtaster AB und andererseits an einen Scquenzgencrator SG angeschlossen ist.

Der Sequenzgenerator SG erzeugt die benötigten 5" Walsh-Funktionen. In der Auswahl"der entsprechenden Sequenzen besteht nun gegenüber der beschriebenen Hadamardtransformation ein wesentlicher Unterschied, da man bei der Zeichenerkennung eine translationsinvariante Transformation benötigt. Verziehtet man auf die Reversibilität der Transformation, die auf die Gleichung (1) zurückzuführen ist, so läßt sich eine aus einer Reihe von m Sequenzen bestehende Sequenzmatrix (S) bilden, die aus einem um phasenverschobenc Sequenzen erweiterten Satz von orthogonalen Walsh-Funktionen besteht. Legt man ein Abtastfeid AF mit einem Raster von 8 X 8 Bit zugrunde, so kann eine bei der Abtastung des Abtastfeldes AF gewonnene Bildmatrix (B) mit 64 Elementen mit einer Scqucnzmalrix (S) transformiert werden, der ein Satz von m ·- 12 Sequenzen als achtdimensionale Zeilenvcktoren zugrunde liegt. Der dafür verwendete Süiz von Walsh-Funktionen ist in F i g. 2 in den Zeilen α bis m dargestellt. Vergleicht man die Zeilen α und d oder die Zeilen e bis A, beziehungsweise die Zeilen 1 bis m jeweils miteinander, so ist daraus zu ersehen, daß in diesen Zeilen jeweils Sequenzen gleicher Ordnungszahl / = I, 2 beziehungsweise 3 dargestellt sind, die zueinander jedoch phasenverschoben sind. Wesentlich für eine lageinvariante Transformation der Bildmatrix (ß) 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 phasenverschobene Sequenzen enthält.

In der TransformationsschaUung TR werden nun die Abtastwerte, d. h. die Bildsignale für eine Spalte des Abtastfeldcs AF, nach den Regeln der Matrizenmultiplikation gesteuert, durch den Sequenzgenerator SG addiert beziehungsweise subtrahiert und am Ende jeder Spalte gespeichert. Damit erhält man die eindimensional transformierte Bildmatrix [S) ■ (B). Dieser Prozeß wiederholt sich in der zweiten Transformation, in der die eindimensional transformierte Bildmatrix nun mit der transponierten Sequenzmatrix (S⁺) multipliziert wird. Das Ergebnis dieser Transformation ist die zweidimensional transformierte Bildmatrix (D. die — mathematisch ausgedrückt — eine zweidimensionale Korrelation der Bildmatrix (ß) mit m Sequenzen bildet.

Um die Bedeutung der phasenverschobenen Sequenzen in der Sequenzmatrix (S) klarzuslellen, sei diese Korrelation noch etwas erläutert: Betrachtet man aus dem gesamten Abtastfeld AF, das ein Bildmuster enthalten soll, nur eine einzige Spalte und nimmt man außerdem an, daß die dieser Spalte des Abtastfeldes AF entsprechenden Bildsignale beziehungsweise Elemente einer Spalte der Bildmatrix (B) von allen Sequenzen am besten mit der in Zeile ί der Fig. 2 dargestellten Sequenz — cal (3, Θ) übereinstimmen, dann würde bei einer Verschiebung des Bildmusters im Abtastfeld um eine Zeile nach unten statt dessen die in Zeile / der Fig. 2 dargestellte Sequenz (3, θ -f 1,25) nun am besten mit den Bildsignalen dieser Spalte des Abtastfeldes A F korrelieren, d. h., die Matrizenmultiplikation ergäbe jeweils den gleichen Wert. Das bedeutet, die Lageinvarianz dieser Transformation ist darauf zurückzuführen, daß in der Sequenzmatrix (S) Sequenzer gleicher Ordnung, aber verschiedener Phase zusammengefaßt werden.

Um aber das Abtastergebnis eines Bildmusters irr Abtastfeld AF unabhängig von dessen Lage in dieserr Abtastfeld auswerten zu können, muß die transformierte Bildmatrix (D derart reduziert werden, daC man unabhängig von der Phasenlage dieser Sequenzen wird. Dazu ist in der Vorverarbeitungseiriheit V eine Reduktionsanordnung RED vorgesehen, die die transformierte Bildmatrix (T) auf ein sogenannte; Sequenzspektrum (7"') reduziert und normiert. Die Reduktion besteht in einer Höchstwertbildung, übei die Werte solcher Teilbereiche der transformierter Bildmatrix (T), die durch die Zeilen und Spalter gebildet werden, die den phasenverschobenen Sequenzen gleicher Ordnung zugeordnet sind. Die Normierung erreicht man dadurch, daß man die

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Absolutwerte dieser Höchstwerte der einzelnen Teilbereiche bildet, die dann die Elemente des Sequenzspektrums (T') darstellen.

Dieses Sequenzspektrum (T') ist das Ergebnis der Vorverarbeitung und wird in einem an die Vorver- S arbeitungseinheit V angeschlossenen Klassifiziere!· ÄX weiterverarbeitet. Der Klassifiziercr KL enthält nichtlineare Diskriminatoren AJl bis DA:, in denen die informationstragenden Elemente des Sequenzspektrums (T'), die sogenannten Spektralwerte und deren Kombinationen, mit bestimmten unterschiedlichen Faktoren für jede Bedeutungsklassc multipliziert werden. Die Diskriminatoren zeigen dann die Wahrscheinlichkeiten für alle Bedeutungsklassen an. In einem an die Diskriminatoren angeschlossenen Maximumzähler wird eine Extremwertbestimmung dieser Wahrscheinlichkeiten vorgenommen und die wahrscheinlichste Bedeutung angezeigt, sofern diese einen genügenden einstellbaren Abstand von der nächst wahrscheinlichen Bedeutungsklasse besitzt. Der notwendige Abstand ergibt sich aus dem Verhältnis von Fehlerrate zu Rückweisungsrate. Besitzen die beiden Bedeutungen mit der höchsten Wahrscheinlichkeit nicht den notwendigen Abstand voneinander, so wird eine Rückweisung RE 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 Fehlerratc mit einem repräsentativen Zeichensatz nach statistischen Methoden, z. B. der Regressionsanalyse, errechnen.

An Hand der Fig. 3 soll nun erläutert werden, daß die Transformation der Bildmatiix (B) in die transformierte Bildmatrix (T) auf eine sehr einfache Weise zu realisieren ist. Ausgehend von dem als Beispiel gewählten Raster von 8X8 Elementen im Abtastfeld AF ist in Fig. i eine Fotodiodenspalte mit acht Elementen PDl . . . PDS dargesiellt, durch die eine Spalte beziehungsweise eine Zeile des Abiastfeldes AF abgetastet werden kann. Für die eindimensionale Transformation der Bildmatrix (B) muß nun jede Spalte des Abtastfeldes A F mit sämtlichen Zeilen der Sequenzmatrix (S) korreliert werden. Dazu läßt sich ein sehr einfacher Sequenzgenerator SG aufbauen. Dieser enthält 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 ohmschen Widerstand R ö, außerdem ist der negativ zählende Eingang — E über einen ebenso großen ohmschen Widerstand RO geerdet. Beiden Eingängen +E und — E ist jeweils ein Wider-Standsnetzwerk aus parallelgeschalteten und gleich großen ohmschen Widerständen R 1 zugeordnet. Soll mit dem Sequenzgenerator 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 F i g. 2 dargestellten Sequenz —cal (3, Θ) ergibt — die Fotodioden PD2, PD4, PDS und PD7 beziehungsweise die an sie angeschlossenen Bildsignalleitungen BS mit jeweils einem ohmschen Widerstand R1 des im positiven Eingangszweig des Operationsverstärkers OP liegenden ohmschen Netzwerkes zu verbinden. Umgekehrt sind die Fotodioden PDl, PD 3, PD 6 und PD 8 in analoger Weise dem negativen Eingang /: des Operationsverstärkers OP zugeordnet. An dessen Ausgang A liegt dann eine Spannung, die der Funktion cal (3, H)- (ASP) entspricht, wobei mit ASP eine Spalte des Abtastfeldes AF bezeichnet sein soll.

In Fig. 4 ist eine Vorvcrarbeitungseinrichtung dargestellt, die im wesentlichen aus einer Vielzahl derartiger Sequenzgeneratoren SGn aufgebaut ist, mit denen die zweidimensionale Transformation der Bildmatrix (ß) durchgeführt wird. Wegen der Übersichtlichkeit der Darstellung ist dieses Schema stark vereinfacht auf ein 3 X 3-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 des Prinzips ist sie jedoch anschaulicher. Nach der Erläuterung des Aufbaues eines Sequcnzgcnerators SGn an Hand der Fig. 3 wird die in Fig. 4 dargestellte Vorverarbeitungseinrichtung aus sich heraus verständlich. Sie ist für eine parallele Abtastung und Vorverarbeitung sämtlicher Elemente des Abtastfeldes AF geeignet. Dementsprechend werden auch sämtliche über die Bildsignalleitungen BS geführten Elemente der Bildmatrix (ß) parallel weiterverarbeitet. Dazu sind an die einer Spalte des Abtastfeldes AF zugeordneten Fotodioden PDl, PO 2, PD 3 entsprechende Bildsignalleitungen BS angeschlossen, die parallel an die Eingänge dreier Sequenzgeneratoren 5Gl, SGZ 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 uaß mit 3 X 3-Sequcnzgeneratoren SGn, von denen wieder jeweils drei gleichartig aufgebaut sind, die eindimensionale Transformation der Bildmatrix durchgeführt werden kann.

Für die zweite Transformation der Bildmatrix (B) in der zweiten Koordinatenrichtung sind die Ausgange der gleichartig aufgebauten und dieselben Sequenzen nachbildenden Sequenzgeneratoren, z.B. SGl, jeweils mit einem Satz vonzweiten 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 (T) entspricht. Diese Ausgänge sind über ein Widerstandskoppelfeld KP mit Diodenspalten DS verbunden, mit denen eine ODER-Funktion realisiert ist, so daß sie als Maximumdetektor wirken.

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 β Λ ^VOn ^^{m Teil} g^Ieichartigen, bei der heutigen :>cnaltkreistechnik aber einfach aufzubauenden Baugruppen möglich ist, eine parallele Transformation der Bildmatnx (ß) durchzuführen. Das eelinst vor

allem auf Grund der Eigenschaften der Walsh-Funktionen, die als orthogonale Funktionen 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 (/}) könnte aber auch auf andere Art und Weise erreicht werden. Dafür i\t ein anderes Beispiel für eine mögliche Schaltungsanordnung in F i g. 5 dargestellt. Dort ist iu ein Matrixspeicher ASM gezeigt, der als Analogspeicher ausgebildet ist, wie sich aus einer beispielhaft dargestellten Speicherzelle SZ. ergibt, die ein WC-Glied als Speicherelement enthält. Jedem Zeilenleiter ZL dieses Matrixspeichers ist ein rückgekoppeltes Schieberegister SR I bis SRm zugeordnet, ckis über einen zentralen Taktgeber TG taktgesteueit ist. Diese taktgesteuerten und rückgekoppelten Schieberegister SR 1 bis SR m bilden jeweils einen Sequcnzgeneiator. der alle Speicherzellen SZ einer Speicherzeile gemeinsam ansteuert. Abhängig von dem Zustand des zugeordneten Seqiienzgenerators wird die jeweilige Zählrichtung des analogen Speicherelements jeder Speicherzelle SZ eingestellt. In diesem Ausführimgsheispiel ist dies rein schematisch durch einen /■.·.eipoligen Umschalter U dargestellt, der sich beim i^utigen Stande der Technik auch ohne weiteres als elektronischer Schalter nachbilden läßt.

An den Spaltenleiter SL des Matrixspeichers .-1.S^-A/ 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 Funktion anzudeuten — als mehrpoliger Schalter ausgebildet, dessen Schaltglieder jeweils eine bestimmte Fotodiode PD einer Foiodiouenspalte mii den zugeordneten Spahcnleitern des Matrixspeichers ASM verbindet. Nur: wird ersichtlich, daß dieses Ausführungsbeispiel besonders dann geeignet ist. wenn der Abtastvorgang und die Vorverarbeitung 4¹"· sequentiell Spalte für Spalte erfolgen. Nach der vollständigen Abtastung des Bildmusters im Abtastfeld AF enthält der Matrixspeicher ASM die eindimensional transformierte Bildmatrix (S) · (B). In analoger Weise ist dann — in F i g. 5 nicht mehr dargestellt — die zweite Transformation durchzuführen, die zweidimensional transformierte Bildmatrix (7") wird dann — wie bereits an Hand der F i g. 4 erläutert — über ein Widcrstandskoppelfeld und ')iodenspalten reduziert und normiert.

In den F i g. 6 bis M sind schließlich Beispiele für einander ähnliche Bildmuster der Ziffer »2« und deren zugeordnete Sequenzspektren (Y'') dargestellt. Hierzu sei nur kurz erläutert, daß die beiden in Fig. 6 bzw. in F i g. 8 dargestellten Bildmuster bis auf eine Lageverschiebung im Abtastfeld identisch sind und dementsprechend auch die beiden zugeordneten Sequenzspektren in Fig. 7 bzw. ') übereinstimmen. Demgegenüber ist das in F i g. 10 dargestellte Bildmuster den beiden anderen nur ähnlich, was sich z. B. auch schon aus dem Vergleich des der ersten Zeile und der eisten Spalte zugeordneten Spektralwertes der verschiedenen Sequenzspektren ergibt. Dieser Spektral wert ist — wie sich aus einer mathematischen Betrachtung der der Bildtransformation zugrunde liegenden Matrizenrechnung ohne weiteres ergibt -— dem mittleren Schwarzwert im Abtastfeld proportional. Abgesehen davon, ist aber offensichtlich, daß — abgesehen von der im Sequenzspektrum /um Ausdruck kommenden I.ageinvarianz — auch ähnliche Zeichen ähnliche Sequenzspektren hervorrufen.

Die Erfindung wurde vorziehend an Hand von wei Ausiührungsbeispielen erläutert, die auf einer Yorverarbeitung von digitalisierten Bildsignalen beruhen. Abgesehen da\on, daß man in der Praxis eine höhere Bildauflösung fordern würde als sie hier aus Ciründen der Anschaulichkeit dargestellt wurde, ist im Rahmen der Erfindung noch eine Reihe von Möglichkeiten denkbar. Sr. wäre es z. B. durchaus auch möglich, in einer Bildmatrix statt der binären Werte »Οχ und .-1« auch beliebige Analogwerte zuzulassen und eine derartige Bildmatrix zu transformicien. Diese Juckle Verarbeitung .inaloger Bildsignale kann Störungen und Rastfehler vermindern. Weiterhin ist die Auswahl der Sequenzen in der geschilderten Sequenzmatrix selbstverständlich nicht bindend, sondern kann den verschiedensten Anwendungsfällcn angepaßt werden. Auch bei einer höheren Bildauflösung oder einer Verarbeitung von analogen Bildsignalen bleiben die Vorteile des Y'erfahrens erhallen, daß man die notwendige Transformation der Bildmairix mit einfachen Grundrechenoperationen durchführen und diese bei den heutigen Möglichkeiten der Schaltkreistechnik mit einfachen Bausteinen verwirklichen kann.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Verfahren zum automatischen Erkennen von Schriftzeichen, die innerhalb einer Beueutungsklasse in bezug auf Form, Größe und Lage variierend, in einem gerasterten Abtastfeld liegen und spaltenweise abgetastet werden, bei dem in Form einer Bildmatrix geordnete und dem Schwarzwert der Abtastelemente entsprechende Abtastsignale spaltenweise mit einem in Form einer Matrix angeordneten Satz von orthogonalen Walsh-Funktionen eindimensional derart transformiert werden, daß das Transformationsergebnis einer Bildmatrixspalte mit einer dieser ^J5 Funktionen einen Wert einer eindimensional transformierten Bildmatrix bildet, die ihrerseits mit dem transponierten Satz der Walsh-Funktionen analog in eine zweidimensional transformierte Bildmatrix umgeformt und dann in eine reduzierte Klassifikationsmatrix übergeführt wird, aus der auf Grund der Werte ihrer einzelnen Elemente mit Hilfe von Diskriminatoren durch Vergleich mit entsprechenden Werten bekannier Zeichen die Bedeutung des abgetasteten Schriftzeichens abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildmatrix (B) mit einem um phasenverschobene Sequenzen erweiterten Satz von orthogonalen Walsh-Funktionen (S) in eine zweidimensional transformierte Bildmatrix (T) übergeführt wird, in der die jeweils auf lediglich phasenverschobenen Sequenzen derselben Ordnung beruhenden Elemente Teilbereiche bilden, daß zum Überführen der zweidimensional transformierten Bildmatrix in die als Sequenz-Spektrum (7"') bezeichnete Klassifikationsmatrix jeweils die Elemente eines solchen Teilbereichs durch Höchstwertbildung zusammengefaßt, und daß aus diesen sowie allen übrigen Werten der zweidimensional transformierten Bildmatrix Absolutwerte gebildet, die als Spektralwerte in das Sequenzspektrum übernommen werden.

   2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die eindimensionale Transformation des Abtastergebnisses einander parallel geschaltet eine Reihe von jeweils einen Operationsverstärker (OP) enthaltenden Addiereinheiten mit ihrem teils positiv, teils negativ zählenden zum Bilden von Werten der transformierten 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 zusammenzufassenden Teilbereichen der zweidimensional transformierten Bildmatrix mit Diodenspalten (DS) verbunden ist, so daß an den Ausgängen dieser Diodenspalten die Werte des Sequenzspektrums (T) auftreten.

   4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei dem die einzelnen Spalten d^s 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 (AF) zuzuordnen sind und zeilenweise parallel an einen Ausgang eines Sequenzgenerators (SRm) für eine der verwendeten Walsh-Funktionen derart angeschaltet sind, daß — abhängig von der Polarität der Walsh-Funktionen — 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 weiterschaltet.

   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 ÄC-Glied bestehen, das über einen Schalter (U) für die Zählrichtung wahlweise umgekehrt gepolt an den Spaltenleiter (SL) anschließbar ist.