DE2336180A1

DE2336180A1 - Videodatenkompression bei der abtastung von schriftstuecken

Info

Publication number: DE2336180A1
Application number: DE19732336180
Authority: DE
Inventors: George Nagy; Peter D Welch
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-08-16
Filing date: 1973-07-16
Publication date: 1974-03-07
Also published as: JPS4947014A; DE2336180B2; GB1386905A; JPS5138204B2; FR2196564B1; IT1003094B; FR2196564A1; DE2336180C3; CA1005916A

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: YO 971 062

yideodatenkompression bei der Abtastung von Schriftstücken

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Datenkompression für von Schriftstücken optisch abgetastete Informationen entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der übertragung von graphischen Texten ist es zweckmäßig, den Bandbreitenbedarf bei der übertragung und der Speicherung von durch Schriftabtastung gewonnenen Binärinformationen in Grenzen zu halten.

Entsprechend dem Stande der Technik gibt es zahlreiche bekannte Verfahren zur Eingrenzung der Bandbreite von Videosignalen, die bei der Abtastung von Schriftstücken gewonnen werden. Einige dieser Techniken beruhen auf der Einschränkung der übertragung der bei Schriftstücken grundsätzlich vorhandenen Redundanz.

Durch die US-PS 3 483 317 ist eine Lauflängencodierung bekannt. Bei ihr werden Binärzahlen für abgetastete Binärdatenblöcke anstelle der insgesamt abgetasteten Binärsignale übertragen. Somit ist es bei diesem Verfahren möglich, Binäraahl'sn mit verhältnismäßig wenigen Bits anstelle größerer Videodatenblöcke zu übermitteln. Bei einer besonderen Ausführung wird eine Binärdatenwellenform in einzelne Abschnitte entsprechend des erwarteten In-

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formationsinhalts eines Schriftstückes unterteilt und analysiert. Diese Abschnitte enthalten redundante Hintergrundinformatfionen und werden mittels der Lauflängentechnik codiert. Nur die tatsächlich Nutzinformationen enthaltenden Abschnitte werden dabei voll übertragen. Dieses Verfahren ist in der US-PS 3 299 204 beschrieben.

Gemäß der US-PS 3 383 461 wird die Bandbreite reduziert durch Variation der Abtastfolgefrequenz, mit der redundante und signifikante Informationen abgetastet werden. - Bei einer weiteren Ausführung werden Digitalwerte, die die Zeitelemente zwischen Ab- , tastpunkten definieren, gespeichert und ermöglichen somit ebenfalls eine Variation der Abtastfolgegeschwindigkeit entsprechend den abgetasteten Informationsbestandteilen. Siehe dazu US-PS 3 414 677.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Angabe eines verbesserten Verfahrens zur Vicieodatenlcompression bei der Abtastung von Schriftstücken; dabei sollen optisch abgetaste Informationen in Form von Folgemustern jeweils beim ersten Auftreten der einzelnen Schriftzeichenmuster gespeichert werden, den einzelnen Folgemustern unterscheidende Zahlen zugeordnet werden und dann bei der übertragung nur jeweils die entsprechende Folgemusterzahl beim wiederholten Auftreten der einzelnen Schriftzeichenmuster übermittelt werden.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprächen beschrieben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur

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Durchführung des beschriebenen Verfahrens,

Fig. 2 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Funktionen ι und

Fign. 3a,b,c die Verfahrensweise bei der Durchführung der

Funktionen.

Fig. 1 zeigt links unten ein abzutastendes Schriftstück 10 mit alphanumerischen Textdaten 12. Dieses Schriftstück wird zeilenweise abgefühlt und durch einen geeigneten optischen Abtaster in Digitalsignale umgewandelt. Dieser Abtaster erzeugt für jedes schriftzeichen ein Videosignal in Form eines binären Matrixfolgemusters, das das abgefühlte Schriftzeichen wiedergibt. Jedes Schriftzeichen läßt sich z.B. in eine Matrix aus 20 χ 30 = 600 Bits zerlegen; auch eine Matrix aus 10 χ 15 = 150 Bits kann für bestimmte Anwendungen eine recht brauchbare Lösung ergeben.

Die für die Übertragung solcher Matrixfolgemuster erforderliche Bandbreite ist sehr groß. Um diesem Umstand abzuhelfen, wurde die Aufgabe der vorliegenden Erfindung gestellt. Dabei wird grundsätzlich jede Videosignalfolge mit allen bereits vorangehend eingespeicherten Musterfolgen verglichen. Bei Übereinstimmung wird lediglich ein identifizierendes Symbol, wie z.B. eine Binärzahl, die einem wiedererkannten Prototyp entspricht, anstelle der insgesamt abgetasteten Videoinformationen selbst übertragen. Solange noch keine Übereinstimmung mit einem bereits bekannten Folgemuster gegeben ist, wird das jeweils abgetastete Schriftmuster als neuer Prototyp eingespeichert, eine Identifizierungszahl zugeordnet und dann das Folgemuster zusammen mit der Identifizierungszahl übertragen. Während neun Bits hinreichend erscheinen, ausreichend viele Binärzahlen zu bestimmen, die den alphanumerischen Daten abgetasteter Schriftstücke entsprechen, ist eine beträchliche Reduktion der Bandbreite gegenüber einer solchen Bandbreite möglich, die erforderlich wäre, 600 oder auch nur 150 Bits pro abgefühltes Schriftzeichenmuster dauernd zu übertragen.

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Gemäß Fig. 1 wird jede Schriftzeichensignalfolge einem Korrelator 16 zugeführt, in dem sie nacheinander mit sämtlichen bereits in einem Speicher 18 eingespeicherten Prototypen von Signalfolgen verglichen wird. Das Korrelatorausgangssignal wird einem Schwellwertglied 20 zugeführt.

Wenn Korrelation zwischen der gerade abgetasteten Schriftzeichensignalfolge und einem bereits eingespeicherten Prototyp ausreichend (z.B. zu 90%) gegeben ist, gibt das Schwellwertglied 20 ein GLEICH-Signal über eine Leitung 22 ab, öffnet damit ein Torglied 2 4 und läßt durch dieses hindurch eine dem wiedererkannten Prototyp zugeordnete Binärzahl über eine Leitung 26 zur Ausgangs leitung 28.

Wenn der gegebene Korrelationsgrad unter dem vorgegebenen Schwellwert liegt, gibt das Schwellwertglied 20 über eine Leitung 30 ein TJNGLEICH-Signal ab, das einen Binärzähler 32 fortschaltet und ein Torglied 34 öffnet, welches die Schriftzeichensignalfolge zu den beiden Leitungen 36 und 38 hindurchläßt, so daß die als neu erkannte Schriftzeichensignalfolge als neuer Prototyp zusammen mit der dazu erstellten Identifikationszahl vom Zähler 32 im Speicher 18 eingespeichert werden kann. Wenn dann eine später auftretende Schriftzeichensignalfolge wieder ausreichend mit dem einmal erkannten Prototyp korreliert, wird nur die Prototypidentifizierungszahl und nicht die gesamte Schriftzeichensignalfolge selbst über das Torglied 24 zur Ausgangsleitung 28 durchgegeben.

Fig. 2 erläutert die vorbeschriebenen Operationen in Form eines Flußdiagramms.

Die gemäß Fig. 1 abgetasteten Schriftzeichensignalfolgen v/erden nunmehr als Prototypen zusammen mit ihren Identifikationszahlen entweder über eine Leitung 40 zu einem Speicher 42 (z.B. einem magnetischen Band- oder Plattenspeicher) oder über einen Kanal 4 4 (z.B. ein Koaxialkabel) zu einem Empfänger 46 übertragen. Im Speicher 42 können die Signale als Grundlage für eine spätere

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Wiederherstellung der vom Schriftstück IO abgetasteten Zeichen gespeichert werden. Wenn die übertragung über den Kanal 44 gewählt wird, wird jeder empfangene Prototyp zusammen mit seiner binären Identifikationszahl in einem Speicher 48 festgehalten und über eine Leitung 49 einer graphischen Ausgabeeinheit 50 zugeführt. Alle empfangsseitig noch nicht eingespeicherten Prototypen werden als neuer Prototyp mit der zugehörigen Prototypidentifikationszahl eingespeichert und gleichzeitig auf einem Schriftstück 56 ausgegeben.

Die Schriftzeichensignale vom optischen Abtaster 14 enthalten zusätzlich X- und Y-Koordinateninformationen in Form von je 20 Bits, die der jeweiligen Abtast-Ablenksteilung des Abtasters entsprechen. Diese Koordinateninformationen werden im Empfänger ebenfalls decodiert und den Ablenksteuerkreisen der graphischen Ausgabeieeinheit 5O zugeführt; damit werden die wiedergewonnenen alphanumerischen Daten in der gleichen Form, wie sie vom Schriftstück 10 abgefühlt wurden, über das Schriftstück 56 verteilt.

Die Fign. 3a, b und c erläutern anhand einzelner Buchstaben und Zahlen die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung mit den Worten "the treatment" auf einem Originalschriftstück gemäß Fig. 3a.

Fig. 3b gibt die digitalen Ausgangssignale vom Abtaster 14 gemäß Fig. 1 wieder. Die erste Zeile von Fig. 3b enthält die jeweilige Musteranordnung für die einzelnen Schriftzeichensignalfolgen. Die zweite und dritte Zeile stellen die X- und Y-Koordinaten der einzelnen Zeichen auf dem Schriftstück dar.

Fig. 3c illustriert die codierte Schriftzeichenfolge. Entsprechend der ersten Zeile von Fig. 3c wird nur jeweils beim ersten Auftreten eines Zeichens das gesamte Prototypsignal übertragen. Die zweite und dritte Zeile enthalten wiederum die X- und Y-Koordinatenwerte der Anordnung der einzelnen Zeichen. In der vierten Zeile sind die Identifikationszahlen der einzelnen Schriftzeichen

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dargestellt.

einral Als Prototyp wird jedes einzelne Zeichen der Zeile !./zusammen mit der zugehörigen Identifikationszahl in Zeile 4 übertragen. Nach jedem ersten Auftreten eines Schriftzeichens wird jedoch nur noch die Prototypzahl gemäß Zeile 4 übertragen. Entsprechend der ersten Zeile von Fig. 3c z.B. wird zusammen mit der Prototyps ignalfolge für den Buchstaben "t" die zugeordnete Identifikationszahl "1" übertragen; dagegen wird entsprechend der vierten Zeile nur noch die Identfikationszahl "1" beim wiederholten Auftreten des Buchstabens "t" übertragen.

Das erläuterte Verfahren und die zugehörige Schaltungsanordnung ermöglichen eine sehr weitgehende Bandbreitenbeschränkung und Videodatenkompression bei gedruckten Texten unter Digitalisierung der abgetasteten Zeichen mit Hilfe eines optischen Abtasters und jeweils nur einmaliger Übertragung jedes vorkommenden Schriftzeichenmusters unter Speicherung der einzelnen Schriftzeichenmuster als Prototypen und unter Substituierung dieser Prototypen bei jedem wiederholten Auftreten des gleichen Schriftzeichenmusters. Welche Schriftzeichenmuster gespeichert oder übertragen werden müssen und auf welche Muster anhand der Prototypzahl vorher eingespeicheter Muster zurückgegriffen werden kann, wird mit Hilfe des verwendeten Korrelationsverfahrens zwischen den jeweils abgetasteten Zeichen und allen vorangehend eingespeicherten prototypmustern bestimmt. Dabei ist für die Gleichheit bzw. Abweichung zwischen neuer Abtastung und bereits eingespeichertem Prototyp ein Schwellwert vorgegeben. Gegenüber herkömmlichen Videodatenkompressionsmethoden sind die wiederausgegebenen Texte sogar bei hohen Fehlerraten annehmbarer Qualität, wobei die wiedergegebene Schrift zeichenweise den einzelnen Zeichen des Originalschriftstückes entspricht.

Die vorliegende Erfindung ist bereits mit Schriftstücken der Größe einer halben Seite praktisch durchgeführt und ausgeprüft worden. Bei einer asymptotisch auftretenden Zahl von 60 Proto-

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typseichen für insgesamt 1000 Zeichen ergibt 3.iah ©in Eemprasgionsvsrhältnis 1*5si bei einer Aiuflösisng ποίι 2C0 Seilen pro Zoll, d.h. etwa 78 Seilen pro Millimeter, Dis"asgsgefoese asymptotische Eahl wird nach etwa 1000 SsicheK srreicörco

Beim mitersuchten JLrisfüh'rungsbeismiel wmcä® jm&äs Prototyp durch sine binäre 10 χ IS-MatriXcinordnu^g wiodssrgsgsbsa, Jedes noch nicht psrotofcypisisrta Ssit-iies '/iiircls tuns-scii ¹SSTt ia Fosrffi eiü-sr Prototypzahl mit-9 Sits ιΐηα das« 20 Bits für cue X- iuid Y-KoOidinatenijiforE-.atiop ?os3üglieh clsr Änordiiiiiiö¹ des betroffenen Ssiohens auf dsm S ehr if tstück, 1000 Beielisa jieamsai stwa den sechsten Teil einer Seite des Formats 8 1/2 2·: 11 Soll,, d.h. etwa 215 3S 279 nun, eii^ Die dabei erreichte Sosüpression ist rmgefäh.?

200 χ 2QD κ G χ 11 κ l/S

60 ü IS x 10 ■>' ICOO χ (9 + 20]

Es ifcit. daraiti: hiii^s^sissß/ SaS disssr E^srargssionsfakior 5*arch KoÄ in ation des beschriebensn "7sr'ialirsn3 ip.it b^^eits bekennten Verfahren noch weiter "arbsöäsrt -v.ss.il3ii i^ua,, ü^,-. -."!nb-si ersa lieh anzuwendenden Vsrfalir^Ei ^ard^r gixj iiadhstshKna bÄ3c"h::isL©iis

1. Die i'oordinatsnirifcriRationeß lasssa v;i-^^;:. ^cix nngsfahr 3 3its für jedes Seichen reduzieren _f wenn Ώχη: 5-^- ""^;;''äi:-;sst2 jeües einseinen Zeichens vom vorangehend betrachteten Seichen angegeben wird.

2. Die Protctypzahlen können entsprechend ihrer Frequenzverteilung nach Huffman codiert werden, wobei 4 Bits anstelle von von 3 Bits pro Zeichen ausreichen,

3. Die Video-Infoxaiationen für die einze3.nen Prototypen können mit Hilfe der Lauflängencodierungs-Technik, voraussagender Operatoren oder aufeinanderfolgender Änalysierung verarbeitet werden. Das einfachste dieser angegebenen Verfahren, nämlich dia Laufiängeneodierung, last eine dreifache Reduktion der Gesamtbitzahl pro Prototyp erv/arten.

4. Die Gesamtzahl aufgestellter Prototypen "and somit der Umfang der gespeicherten oder übertragenen Videosignale und die durchschnittliche Länge der Prototypzahlen läßt sich unter Verwendung

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eines optischen Abtasters noch höherer Auflösung noch weiter einschränken.

Mit den vorgenannten weiteren Verbesserungsmaßnahmen läßt sich ein Kompressionsfaktor 40:1 erreichen.

Natürlich ergibt das beschriebene Verfahren und die zugehörige Schaltungsanordnung keine völlig genaue Wiedergabe des digitalisierten Video-Ausgangssignals des optischen Abtasters 14. Beim praktisch ausgeführten untersuchten Beispiel wurde ein Korrelationsschwellwert von 90 % verwendet. Bei diesem als zulässig erachteten Minimum ergab sich eine durchschnittliche Fehlerzahl von nicht mehr als 5 %.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zur Datenkompression für von Schriftstücken optisch abgetastete Informationen, gekennzeichnet durch

a) die Analyse sämtlicher einzelnen auf einem zu verarbeitenden Schriftstück vorkommenden Schriftzeichenmuster,

b) die vollständige Übermittlung aller vorkommenden Schriftzeichenmuster als Prototypen bei ihrem ersten Auftreten zusammen mit einem zugeordneten Prototypsymbol,

c) die Übermittlung nur des Prototypsymbols bei der späteren Erkennung eines bereits übermittelten Schriftzeichenmusters ,

wobei die abgetasteten Schriftzeicheninformationen aufgrund vorher bereits übermittelter Schriftzeichenmuster und zugeordneter Prototypsymbole wiedergegeben werden

können.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß alphanumerische Schriftzeichen verarbeitet werden können, daß für jedes abgetastete Schriftzeichen mit Hilfe eines optischen Abtasters (14) eine binäre Signalfolge gewonnen wird,

daß die verwendeten Prototypsymbole durch Binärzahlen gegeben sind und

daß die Gesamtzahl von Bits pro abgetastete Signalfolge mindestens 16 mal größer ist als ihre als Prototypsymbol zugeordnete Binärzahl.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß sämtliche abgetasteten Schriftzeichenmuster bei ihrem ersten Auftreten als Signalfolge gespeichert werden und ihnen je ein identifizierendes Prototypsymbol zugeordnet wird,

daß jedes abgetastete Schriftzeichenmuster mit den bereits vorher eingespeicherten Signalfolgen verglichen wird und daß beim wiederholten Auftreten bereits eingespeicherter

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Signalfolgen nur die zugeordneten Prototypsymbole übermittelt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch

a) Übermittlung eines zugeordneten identifizierenden Prototypsymbols zusammen mit jedem SchriftZeichenmuster bei seinem ersten Auftreten,

b) Aufnahme der übertragenen Signalfolgen und der zugeordneten Prototypsymbole beim ersten Auftreten der einzelnen Schriftzeichenmuster in einen Empfänger (46),

c) Speicherung der empfangenen Signalfolgen und zugeordneten Prototypsymbole im Empfänger (46),

d) Vergleich der jeweils empfangenen Prototypsymbole mit vorher bereits empfangenen und empfangsseitig gespeicherten Prototypsymbolen und

e) Wiedergabe der sendeseitig abgetasteten Informationen im Empfänger (46) mittels der empfangen Prototypsymbole aufgrund vorangehend bereits eingespeicherter Signalfolgen und deren zugeordneter Prototypsymbole.
5. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Speicherung der ersterkannten Signalfolgen mit ihren zugeordneten Prototypsymbolen und den nachfolgenden Prototypsymbolen weiterer abgetasteter gleichartiger Schriftzeichenmuster für die spätere Wiedererstellung der abgetasteten SchrifZeicheninformationen.
6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

a) Schaltkreise (16, 20) zur Analyse der einzelnen von einem Schriftstück (10) abgetasteten Informationen,

b) Torglied (34) zur Übermittlung der vollständigen Signalfolgen erstabgetasteter Schriftzeichenmuster,

c) Torglied (24) zur Übermittlung der zugeordneten Prototypsymbole beim nachfolgenden wiederholten Auftreten

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vorangehend bereits abgetasteter Schriftzeichenmuster,

d) Zähler (32), der bei jedem erstabgetasteten Schriftzeichenmuster um einen Schritt weiterzählt und dessen jeweils erreichter Zählerstand als Prototypsymbol den aufeinanderfolgenden erstabgetasteten Schriftzeichenmustern zugeordnet wird,

e) Speicher (18) zur Speicherung aller erstabgetasteten Schriftzeichenmuster zusammen mit ihren zugeordneten identifizierenden Prototypsymbolen.

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