DE2336180B2 - Videodatenkompression bei der abtastung von schriftstuecken - Google Patents

Description

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 34 83 317 ist eine Lauflängencodierung bekannt. Bei ihr werden Binärzahlen für abgetastete Binärdatenblöcke anstelle der insgesamt abgetasteten Binärsignale übertragen. Somit ist es bei diesem Verfahren möglich, Binärzahlen mit verhältnismäßig wenigen Bits anstelle größerer Videodatenblöcke zu übermitteln. Bei einer besonderen Ausführung wird eine Binärdatenwellenform in einzelne Abschnitte entsprechend des erwarteten Informationsinhaltes eines Schriftstückes unterteilt und analysiert. Diese Abschnitte enthalten redundante Hintergrundinformationen und werden mittels der Lauflängentechnik codiert. Nur die tatsächlich Nutzinformationen enthaltenden Abschnitte werden dabei voll übertragen. Dieses Verfahren ist in der US-PS 32 99 204 beschrieben.

Gemäß der US-PS 33 83 461 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 Abtast-

i>5 punkten definieren, gespeichert und ermöglichen somit ebenfalls eine Variation der Abtastfolgegeschwindigkeit entsprechend den abgetasteten Informationsbestandteilen (siehe dazu US-PS 34 14 677).

Die US-I¹S J2I5 77J offenbar! ein Verfahren /uv komprimierten Übertragung von durch optische Λ b ι a stung von Bildvorlagen erhaltenen Informalionen, bei dem einfache geometrische bildmuster, soweit sie iiuf der Vorlage vorkommen, analysier! und erkannt werden. Dabei wird anstelle eines solchen Musters jeweils nur ein zugeordnetes Symbol übertragen. Aufgrund der zwischen Sender und Empfänger vereinbarten Muster kann die empfangene Information wieder hergestellt werden. Dabei sind aber nur fest vorgegebene Bildmuster im Sender und Empfänger verfügbar. Eine Flexible Übermittlung vorkommender Muster als Prototypen, so dall im Prinzip beliebige Muster komprimiert übertragen werden können, ist nach dieser genannten Technik weder bekannt noch nahegelegt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Angabe eines verbesserten Verfahrens zur Videodatenkompression bei der Abtastung von Schriftslücken; dabei sollen optisch abgetastete Informationen in Form von Folgemustern jeweils beim ersten Auftreten der einzelnen Schriftzeichenmuster gespeichert werden, den einzelnen Folgemustern un.erscheidende 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 Unteransprüchen beschrieben.

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

Fig. I das Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens,

Fig.2 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Funktionen und

Fig.3a, 3b und 3c die Verfahrensweise bei der Durchführung der Funktionen.

Fig.. I zeigt links unten ein abzutastendes Schriftstück 10 mit alphanumerischen Textdaten 12. Dieses Schriftstück wird zeilenweise abgefühlt und durch einen geeigneten optischen Abtaster 14 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 · 30 = 600 Bits zerlegen; auch eine Matrix aus 10 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 Identiikierungszahl 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

cine beträchtliche Redukiiou der Bandbreite gegenüber einer solchen Bandbreite möglich, die erforderlich wäre, W)O oder auch nur 150 Bits pro abgefühltes Schrifl/.eich !minister dauernd zu übertragen.

Gemäß Fig.) wird jede Schrifizeichensignalfolgc 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 Schwcllwertglied 20 zugeführt.

Wenn Korrelation zwischen der gerade abgetasteten Schriftzeichensignylfolge und einem bereits eingespeicl.L'iten Prototyp ausreichend (z. B. zu 90%)gegeben ist, gibt das Schwellwcrtglied 20 ein GLEICH-Signal über eine Leitung 22 ab, öffnet damit ein Torglied 24 und läßt durch dieses hindurch eine dem wiedererkannten Prototyp zugeordnete Binärzahl über eine Leitung 26 zur Ausgangsleitung 28.

Wenn der gegebene Korrelationsgrad unter dem vorgegebenen Schwellwert liegt, gibt das Schwsllwertglied 20 über eine Leitung 30 ein UNGLEICH-Signal ab, das einen Binarzahler 32 fortschaltet und ein Torglied 34 öffnet, welches die Schriflzeicbensignaifolge 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 Schriftzeichcnsignalfolge selbst über das Torglied 24 zur Ausgangsleitung 28 durchgegeben.

F i g. 2 erläutert die vorbeschriebenen Operationen in Form eines Flußdiagramms.

Die gemäß Fig. 1 abgetasteten Schriftzeichensignalfolgen werden 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 44 (z. B. ein Koaxialkabel) zu einem Empfänger 46 übertragen, Im Speicher 42 können die Signale als Grui.dlage für eine spätere Wiederherstellung der vom Schriftstück 10 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-Ablenkstellung des Abtasters entsprechen. Diese Koordinateninformationen werden im Empfänger ebenfalls decodiert und den Ablenksteuerkreisen der graphischen Ausgabeeinheit 50 zugeführt; damit werden die wiedergewonnenen alphanumerischen Daten in der gleichen Form, wie sie vom Schriftstück 10 abgefühlt wurden, über das Schriftstück 56 verteilt.

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

Fig.3b gibt die digitalen Ausgangssignale vom

Abtaster 14 gemäß F i g. 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 ^-Koordinaten der einzelnen Zeichen auf dem Schriftstück dar. s

Fig.3c illustriert die codierte Schriftzeichenfolge. Entsprechend der ersten Zeile von F i g. 3c wird nur jeweils beim ersten Auftreten eines Zeichens das gesamte Prototypsignal übertragen. Die zweite und dritte Zeile enthalten wiederum die X- und V-Koordina- κ> tenwerte der Anordnung der einzelnen Zeichen. In der vierten Zeile sind die Identifikationszahlen der einzelnen Schriftzeichen dargestellt.

Als Prototyp wird jedes einzelne Zeichen der Zeile 1 einmal zusammen mit der zugehörigen Identifikations- is zahl 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 F i g. 3c z. B. wird zusammen mit der Prototypsignalfolge für den Buchstaben »t« die zugeordnete Identifikationszahl »1« übertragen; dagegen wird entsprechend der vierten Zeile nur noch die Identifikationszahl »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 Schriflzeichenmusier gespeichert oder übertragen werden müssen und auf welche Muster anhand der Prototypzahl vorher eingespeicherter Muster zurückgegriffen werden kann, wird mit Hilfe des verwendeten Korrclationsvcrfahrcns zwischen den jeweils abgetasteten Zeichen und allen vorangehend |o eingespeicherien Prototypinustern bestimmt. Dabei ist für die Gleichheit bzw. Abweichung zwischen neuer Abtastung und bereits eingespeichertem Prototyp ein Schwellweit vorgegeben. Gegenüber herkömmlichen Videodatenkonipressionsmcthodcn sind die wicdcraus- i> gegebenen Texte sogar bei hohen Fchlcrratcn annehmbarer Qualität, wobei die wiedergegebene Schrift zeichenweise den ein/einen /eichen des Originalschriftstückes entspricht.

Die vorliegende Ki'findung ist-bcreits mit Schriftstük- «> ken tlei Größe einer halben Seite praktisch durchgeführt und ausgeprüft worden. Hei einer asymptotisch auftretenden Zahl von bO Prototyp/.cichen für insgesamt KX)O/eichen ergibt sich ein Komprcssiorisverhältmis Ib : 1 bei einer Auflösung von 200 /eilen pro Zoll, ·.·. d.h. etwa 78 /eilen pro Millimeter. Die angegebene asymptotische Zahl wird nach etwa 1000 Zeichet erreicht.

Beim untersuchten Ausführungsbeispiel wurde jedei Prototyp durch eine binäre 10- 15-Matrixanordnuni wiedergegeben. Jedes noch nicht prototypisierte Zei chen wurde umcodiert in Form einer Prototypzahl mit ί Bits und dazu 20 Bits für die X- und V-Koordinatenin formation bezüglich der Anordnung des betroffener Zeichens auf dem Schriftstück. 1000 Zeichen nehmer etwa den sechsten Teil einer Seite des Formati 8V2 χ 11 Zoll, d. h. etwa 215 χ 279 mm, ein. Die dabe erreichte Kompression ist ungefähr

■-—--- =16.

60- 15 · 10 + 1000 (9 + 20)

Es ist darauf hinzuweisen, daß dieser Kompressionsfaktor durch Kombination des beschriebenen Verfahrens mit bereits bekannten Verfahren noch weiter verbessert werden kann. Die dabei zusätzlich anzuwendenden Verfahren werden grob nachstehend beschrieben:

1. Die Koordinateninformationen lassen sich auf ungefähr 8 Bits für jedes Zeichen reduzieren, wenn nur der Versatz jedes einzelnen Zeichens vom vorangehend betrachteten Zeichen angegeben wird.

2. Die Prototypzahlen können entsprechend ihrer Frequenzverteilung nach Huffman codiert werden, wobei 4 Bits anstelle von 9 Bits pro Zeichen ausreichen.

3. Die Video-Informationen für die einzelnen Prototypen können mit Hilfe der Lauflängencodierungs-Technik, voraussagender Operatoren oder aufeinanderfolgender Analysierung verarbeitet werden. Das einfachste dieser angegebenen Verfahren, nämlich die Lauflängencodierung, läßt eine dreifache Reduktion der Gesamtbitzahl pro Prototyp erwarten.

4. Die Gesamtzahl aufgestellter Prototypen und somit der Umfang der gespeicherten oder übertragenen Videosignale und die durchschnittliche Länge der Prototypzahlcn läßt sich unter Verwendung eines optischen Abtasters noch höherer Auflösung noch weiter einschränken.

Mit den vorgenannten weiteren Verbesserungsmaßnahmen läßt sich ein Kompressionsfaktor 40: I 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 l'ehleivahl von nicht mehr als 5¹Vd.

I ho/u .^Λ !!hm A'k'liiiiiiii'eii

Claims (6)

Patentansprüche:

1. 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 Protoiypsymbols bei der späteren Erkennung eines bereits übermittelten Schriftzeichenmusters,

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

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 abgetasteter Signalfolge mindestens 16mal größer ist als ihre als Prototypsymbol zugeordnete Binärzahi.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche abgetasteten Schriftzeichenmuster bei ihrem ersten Auftreter, 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 Signalfolgen nur die zugeordneten Prototypsymbole übermittelt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch

a) Übermittlung eines zugeordneten identifizierenden Prototypsymbols 2:usammen 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 empfarigsseitig gespeicherten Prototypsymbolen und:

e) Wiedergabe der sendeseitig abgetasteten Informationen irr. Empfänger (46) mittels der empfangenen 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 Wjederersteüung der abgetasteten

Schrifizeicheninformationen.

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 vorangehend bereits abgetasteter Schriftzeichenmuster,

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

e) Speicher (118) zur Speicherung aller erstabgetasteten Schriftzeichenmuster zusammen mit ihren zugeordneten identifizierenden Prototypsymbolen.