DE2444961A1

DE2444961A1 - Zeichenerkennungssystem unter verwendung einer rosettenartigen anordnung von photoelektrischen signalumsetzern

Info

Publication number: DE2444961A1
Application number: DE19742444961
Authority: DE
Inventors: Hein Van Steenis
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-10-22
Filing date: 1974-09-20
Publication date: 1975-04-24
Also published as: NL7314469A; FR2279164B1; GB1486908A; FR2279164A1; JPS5074945A

Description

Böblingen, den 16. September 1974 heb-aa

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung j

Aktenzeichen der Anmelderin: NE 971 002

Zeichenerkennungssystem unter Verwendung einer rosettenartigen Anordnung von photoelektrischen Signalumsetzern

Die Erfindung betrifft ein Zeichenerkennungssystem zum Abtasten lesbarer Zeichen und insbesondere ein derartiges System unter Verwendung einer rosettenartigen Anordnung von photoelektrischen Signalumsetzern, die aus einer zweidimensionalen Anordnung von Photodioden aufgebaut sind. Ferner betrifft die Erfindung die besondere. Anwendung dieses neuen photoelektrischen Signalumsetzers in einem Zeichenerkennungssystem.

Obgleich bereits Vorschläge dafür vorliegen, zweidimensionale Abtastsignalwandler-Anordnungen bei der optischen Zeichenerkennung einzusetzen, so hat diese Art der Zeichenerkennung in der Praxis keinerlei Anwendung gefunden. Es sei hier auf die US-Patentschrift 3 275 985 verwiesen, in der eine orthogonale Matrixanordnung von 32 χ 32 Photozellen vorgeschlagen wird. Ferner wurde bereits vorgeschlagen, zwei kreuzweise angeordnete Reihen von Photozellen als Abtastwandler zu benutzen, vergleiche die Holländisehe Patentanmeldung Nr.67.10.521.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte zweidimensionale Photowandleranordnung zur Verwendung in Zeichenerkennungssystemen zu schaffen, mit deren Hilfe es möglich ist, aus einem abgetasteten Zeichen unmittelbar die einzelnen Merkmale zu entnehmen. Eine solche unmittelbare Entnahme der Information über die Ein-

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zelheiten eines gelesenen Zeichens, welche man mit üblichen Verfahren nur entnehmen kann, wenn man das gelesene Signal einer ; Aufbereitung unterzieht, die Ergebnisse der ersten Stufe zwischenspeichert und aus diesen Ergebnissen logische Kombinationen bildet.

Insbesondere soll durch die Erfindung eine neue Photodiodenanordnung in einem Zeichenerkennungssystem geschaffen werden, mit deren Hilfe die Richtung einer Linie und die Kante einer Linie und ihre Richtung in der Nachbarschaft eines jeden beliebigen Punktes des abgetasteten Zeichens als unmittelbare Information erhalten werden kann. Insbesondere soll ein Zeichenerkennungssystem unter Verwendung der neuartigen Abtast-Photodiodenanordnung geschaffen werden, die sich für eine einfache, jedoch relevante Aufbereitung der Abtastsignale eignet und zu jeder • Signalabtastzeit eine Gruppe von binären Signalwerten abgibt. j Zur Lösung dieser, der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe, wird eine zweidimensionale Abtast-Photodiodenanordnung geschaffen, die die Form einer Rosette aufweist, in der die einzelnen Photodioden Sektoren eines Kreises und/oder Sektoren eines oder mehrere kreisförmiger Ringe darstellen. Außerdem kann die Rosettenanordnung auch eine in der Mitte liegende Zelle aufweisen, die von einem oder mehreren konzentrischen kreisförmigen Ringen umgeben ist, die wiederum in Sektoren unterteilt sind.

Die gesamte Rosette läßt sich dann auf einem einzigen, aus Silicium bestehenden Halbleiterplättchen unter Verwendung bekannter Verfahren zum Ätzen von Nuten oder Vertiefungen in einer epitaxialen Schicht herstellen.

; Es ist dabei die besondere Sektorform der einzelnen Photodioden, J durch die es mit dieser rosettenartigen Anordnung möglich wird, ^! in dem projizierten Abbild eines abgetasteten Zeichens unmittelbar die Richtung der Kante einer Linie festzustellen. Diese ! Eigenschaft kann noch weiterhin dadurch verbessert werden, daß man Signalübergänge von der in der Mitte liegenden Zelle als

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ORlGiINAL InGPECTIED

Schaltimpuls für die Einleitung der binären Abtastung der Sektor-Zellensignale verwendet.

Um außerdem die Richtung der einzelnen Linien eines Zeichens in der weiteren Umgebung eines willkürlich gewählten Punktes des abgetasteten Zeichens zu bestimmen, wird die Rosette durch einen weiteren kreisförmigen Ring ergänzt, der in Sektoren unterteilt ist und konzentrisch mit dem inneren Kreis oder Kreisring liegt. Am besten wird man dabei die Sektoren des äußeren Kreisringes in bezug auf die Sektoren des inneren Ringes tangential um einen halben Sektor verschieben.

Der erweiterte rosettenartige Photodioden-Abtaster besteht aus photoempfindlichen Sektoren verschiedener Oberflächen und die daraus abgeleiteten Analog-Videosignale lassen sich am besten dadurch digitalisieren, daß man die den einzelnen Sektoren in jedem Ring der Rosette entsprechenden Signale von einem gesonderten variablen Schwellwert unterscheidet, der einen Prozentsatz des maximalen Signalwertes aller Sektoren in dem gleichen Ring darstellt.

Das Ergebnis der Abtastung der digitalisierten, von der rosettenartigen Anordnung ausgehenden Signale, ist eine Gruppe von binären Video-Datensignalen, deren Bitanzahl der Anzahl der Sektoren in der Rosettenanordnung entspricht. Diese Gruppe von Videodatenbits stellt eine Art Momentaufnahme eines Teils des projizierten Zeichens durch die Rosetten-Wandleranordnung dar. überstreicht man das Zeichenabbild mit einer Rosettenanordnung in einem senkrechten Abtastraster, so erhält man eine Folge von Datenbitgruppen, aus denen das gesamte Zeichen erkennbar ist, und zwar wegen der Tatsache, daß die Folge der Datenbitgruppen viele signifikante Datenbitgruppen enthält, wenn sich das Zentrum der Rosette am Zeichen oder nahe bei dem Zeichen befindet.

In einem Zeichenerkennungssystem unter Verwendung dieser rosettenartigen Anordnung von Photodioden kann man dann eine höchst

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wirksame und wesentlich verbesserte Zeichenerkennung dadurch erzielen, daß man aufeinanderfolgende Gruppen von Videodatenbits der einzelnen Vertikalabtastung vertikalen oder ersten Folgen von genau bezeichneten Gruppen von Datenbitwerten oder verbotenen Werten, falls diese vorliegen, die zuvor definiert wurden, gegenüberstellt, um damit festzustellen, welche dieser ersten charakteristischen Folgen während dieser Abtastung befriedigt wird. Während jedes Zeichen abgetastet wird, werden die Bezeichnungen der vertikalen oder ersten Folgen nach jeder vertikalen Abtastung horizontalen oder zweiten Folgen von genau spezifizierten und, falls vorhanden, den Bezeichnungen der ersten Folge gegenübergestellt, um zu bestimmen, welche dieser charakteristischen Folgen der zweiten Ebene durch das abgetastete Zeichen befriedigt werden. Wird eine Folge der zweiten Ebene befriedigt, dann wird dadurch das abgetastete Zeichen identifiziert .

Zn diesem Zusammenhang sei ,bemerkt, daß ein früheres Zeichenerkennungssystem bereits zur Bestimmung der Richtung der Begrenzungslinien des Zeichens benutzt wurde. Bei diesem System war jedoch aine sehr komplizierte und kostspielige Einrichtung erforderlich, «am den Umrissen des abgetasteten Zeichens zu folgen, wie dies beispielsweise in der US-Patentschrift 3 383 516 beschrieben ist. Andererseits geht die Eigenschaft der erfindungsfemäßen Anordnung der Richtungsbestimmung In einfacher Weise auf di© besondere Form der neuen rosetteßartigen Anordnung zurück, wodurch as ätöglieh. lst_; daß man außerdem einfache und stabile mechanisch optische Raster-Mstasteinrichtungen an sich bekannter Bauart einsetzen kann. Außerdem wird der gesamte !Bereich des Zeichens abgetastet, so daß nicht mit dem Zeichen unmittelbar verbundene Delle nicht wergessen werden.

j Ferner sei darauf Magewiesenp daß bei bekannten Seichenerlcen- ! aungssystemen die sequentielle Feststellung abgetasteter Seichenmerkmale bereits benutzt wurde, wobei Einrichtungen taid Verfahren dafür ia den öS»Patestseferlften 3 258 751 und 3 274 551 be-

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y sf ο i l ti U I ! ί

schrieben sind. Diese bekannten Systeme verwenden Kathodenstrahlröhrenabtaster und benötigen einen hohen Schaltungsaufwand, um die einzelnen Zeichenmerkmale feststellen zu können. Andererseits kann man mit Hilfe der Erfindung unter Verwendung der neuen rosettenartigen Anordnung von Photodioden die Merkmale des abgetasteten Zeichens unmittelbar feststellen, so daß der darauf anzuwendende sequentielle Zeichenerkennungs-Älgorithmus recht einfach aufgebaut und trotzdem bequem und wirkungsvoll anwendbar sein und durch eine besondere Datenverarbeitungsanlage verarbeitet werden kann, wie sie beispielsweise in der Holländischen Patentanmeldung Nr. 71.05.520 beschrieben ist, aber durch eine Datenverarbeitungsanlage üblicher Art. Natürlich ist es außerdem möglich, den Zeichenerkennungsalgorithmus durch sequentielle Schaltkreise mit üblicher gedruckter Schaltungstechnik und integrierten Schaltkreisen durchzuführen, doch wird dadurch das System weniger flexibel und ist schwieriger aufzubauen und zu prüfen.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in

Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden Merkmale sind in den ebenfalls beigefügten Patentansprüchen im einzelnen angegeben.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine mechanisch optische Rasterabtasteinrichtung, die sich zusammen mit der Erfindung einsetzen läßt,

Fig. 2a, b + c verschiedenartige Ausführungsformen einer

Rosettenanordnung von Photodioden gemäß der Erfindung zur Verwendung mit dem Abtastsystem in Fig. 1,

Fig. 3 ein vertikales Abtastraster für das handgeschriebene Zeichen 2, das schematisch dargestellt ist»

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Fig. 4 ©inen rosettenartigen Abtaster bei der Aufnahme

eines Teils der Abbildung des Zeichens in Fig.3 mit einer schematisehen Anzeige, welche Sektorphotodioden die Farbe schwarz erkennen,

Fig. 5 schematisch eine Darstellung des Verfahrens

oder des Algorithmus für die Zeichenerkennung unter Verwendung der Abtastrosettenanordnung gemäß der'Erfindung,

Fig. 6 die Bahn der Vertikalabtastung, die quer zu einem Teil des Zeichens verläuft; zur Darstellung, ■ wie die mittlere S5elle zma Schalten for die Abtastung des Rosettensignals benutzt werden kann und

Fig. 7 die £os@tt@nartig@ Anordnung während der Aufnahme von Teilen zweier benaclibarter Zeichen, mm. die Notwendigkeit der selektive^ unterdrückung des Signals bestimmter Sektoren darzustellen.

Fig. 1 zeigt eine Äusführungsform einer Äbtastvorrichtung zur Zeichenerkennung, die mit einem mehr fächern photoeleictrischeii Signalumsetzer 10 ausgerüstet ist. Der Signalumsetzer 10 besteht aus einer zweidimensionalen Photodiodenanordnung in Form einer Rosette gemäß der Erfindung, von denen einige Beispiele in den Fign. 2a bis 2c dargestellt sind. Die rosettenartige Anordnung von Photodioden kann unter Benutzung bekannter monolithischer Herstellverfahren auf einem Siliciumhalbleiterplättchen hergestellt werden, worauf das so hergestellte Halbleiterplättchen auf der freien Kopfoberfläche 12 eines scheibenförmigen Halters 14 angelötet wird. An der oberen Oberfläche des Halters 14 tritt ein. Bündel isolierter Drähte, die zu einem Kabel 26 zusammengefaßt sind, aus, wobei jeder dieser Drähte ein von einer Photodiode der rosettenartigen Anordnung ausgehendes Signal führt.

ύ ι;

Die Kopfoberfläche 12 mit der rosettenartigen Anordnung von Photodioden liegt gegenüber einem auf einer Auflagefläche liegenden Dokument 16 mit darauf befindlichen zu lesenden Zeichen. Die auf dem Dokument 16 befindlichen Zeichen müssen für die Zeichenerkennung zur Erzeugung der entsprechenden Videosignale auf dem Kabel 26 nacheinander abgetastet werden, das nach einer der Aufbereitung der Signale dienenden Schaltung (nicht gezeigt) und weiteren Schaltkreisen für die nachfolgende Zeichenerkennung (ebenfalls nicht gezeigt) führt. Für diesen Zweck ist ein optisches System vorgesehen, das aus einem Paar Sammellinsen 18, 19 und einem sechsseitigen, rotierbaren, durchsichtigen Prisma 20 besteht. Das Prisma 20 ist auf einer Welle 22 befestigt, die bei 23 gelagert ist und durch einen Elektromotor angetrieben wird.

Wenn das Dokument 16 durch eine (nicht gezeigte) Lampe ausgeleuchtet wird, wird das von einem Teil des Dokuments 16 zerstreute und reflektierte Licht durch die Sammellinse 19 gesammelt und bildet ein Zwischenbild innerhalb des Prismas ab. Das Zwischenbild wird durch die beiden parallelen Seiten des durchsichtigen Prismas 20 in einem sich ändernden Ausmaß, abhängig von dem Augenbllckswinkei der Rotation des Prismas, in der Bildebene verschoben. Diese Verschiebung erfolgt in vertikaler Richtung, wobei der Ausdruck "vertikal" sich hier auf die Ausrichtung des projizierten Zeichens selbst bezieht. Die Linse 18 projiziert das verschobene Zwigichenbild auf die rosettenartige Anordnung von Photodioden, so da£ nunmehr jede Photodiode auf der zugehörigen Leitung des Kabels 26 ein elektrisches Signal erzeugt, das vom Augenblickswert des aufgenommenen Lichtes abhängt.

Während das Prisma 20 rotiert, werden die Abbilder der auf dem Dokument 16 befindlichen Zeichen in vertikaler Richtung über die rosettenartige Anordnung von Photodioden auf der Kopfoberfläche 12 in einer Folge von raschen, vertikalen Abtastbewegungen geführt. Die Wirkung ist die gleiche, als wenn die Wandleranordaung selbst wiederholt und rasch in vertikaler Richtung über das

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auf dem Dokument 16 befindliche, ausgeleuchtete Zeichen geführt würde.

Eine gleichzeitige, relativ langsame horizontale Abtastbewegung wird durch eine Transportvorrichtung (nicht gezeigt) ausgeführt, die während des fortgesetzten und wiederholten raschen, vertikalen Abtasters das Dokument 16 ständig in Richtung der auf dem Papier stehenden Zeile von Zeichen bewegt, d.h., parallel zu der Rotationsachse des Prismas 20. Auf diese Weise werden alle Zeichen einer Eeile auf dem Dokument 16 nacheinander das Gesichtsfeld des optischen Systems durchlaufen, wobei jedes Zeichen beispielsweise 8- bis 15-mal in vertikaler Richtung bei seitlicher Verschiebung abgetastet wird.

Selbstverständlich hängt die Anzahl der Abtastungen je Zeichen \ von der Transportgeschwindigkeit des Papiers und der Rotationsgeschwindigkeit des Prismas ab. Bewegt sich beispielsweise das Papier mit einer Geschwindigkeit von etwa 18 cm/sec und sind dabei etwa 10 Zeichen pro Soli (25,4 ram) vorhanden, dann muß der Antriebsmotor bei 14^3 Abtastungen je Zeichen das sechsseitige Prisma bsi 1/i ümclrelranej je Abtastung mal 14_ff3 Abtastungen je leiefeea iaal je 10 teidien j© Soll saal etwa 18 cm/sec mal §0 see pro min sit 10 ©00 Umdrehungen pro min laufen. Dann beträgt die Äfetastfsequeaz 14_ff3 ss 10 ss 7 = 1000 je see und der Äbtastschritt ist d©aa 7/1000 Soll = ©_ff007 loll ©der etwa 0,18 E2B_O Ia dieses leisgi©! was? das see&sseitig© Prisma aas

iaes^j®s-tellt. Der Abstand swiseliesi gegendes Prismas betrug 35*6 mau Verwendet man eisi Durchsichtprisma statt eines reflektierenden Prismas, so kann man mit einem geraden Lichtstrahl arbeiten. Die Verwendung von zwei Äbfoiidiuigslinsen anstelle einer einzigen Linse ergibt einen großen aktiven feil des Äbtastzyklus (etwa 60 % (verglichen mit 5 bis 10 % bei einer einzigen Linse))... Der Gesamtabstand vom Papier zux rosettenartigen Anordnung war etwa 162,β aim, die Vergrößerung .des optischen Abbildes betrug 1 s 1 und der Äbtastweg der ¥ertikalabtastung betrug etwa 10,2 mm.

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Wegen dieses kompakten Aufbaus und geringen Gewichtes kann das gesamte Abtastsystem, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, leicht auf einem Schlitten oder Wagen befestigt werden und kann dann parallel zur Dokumentauflage oder senkrecht zur Ausrichtung der Welle 22 bewegt werden. Diese Bewegungsfreiheit des optischen Abtastsystems kann auch zum Zentrieren auf eine vorgegebene Durckzeile und auch für sequentielles Lesen von verschiedenen Zeilen benutzt werden, wobei zu diesem Zweck das Dokument 16 jedesmal parallel zur Welle 22 hin- und hergeführt werden muß.

Fign. 2a bis 2c zeigen einige Beispiele einer rosettenartigen Anordnung von Photodioden gemäß der Erfindung. Wie aus diesen Figuren zu ersehen, sind die einzelnen Photodioden der Rosette als Sektoren eines Kreises und/oder Sektoren eines oder mehrerer konzentrischer Kreisringe ausgebildet. Außerdem kann beispielsweise eine kreisförmige Photodiode als zentrale Zelle der Rosette vorgesehen sein, wie z.B. in Fig. 2b gezeigt. In Fig. 2c besteht die rosettenartige Anordnung aus einer zentralen Zelle und einem einzigen kreisförmigen Ring von Sektoren. In diesem Beispiel ist die Rosette auf beiden Seiten durch zwei gerade * Zeilen von Photozellen ergänzt, die für Hilfsfunktionen, wie z.B. Zeichentrennung oder Auffinden einer Zeile benutzt werden können. Solche flankierenden Photodioden wirken bei der eigent-' liehen Zeichenabtastung nicht mit, sondern helfen mit bei der Bestimmung, wann ein Zeichenerkennungszyklus beginnt und endet. Sie könnten andererseits auch oberhalb und unterhalb der rosettenförmigen Anordnung angeordnet sein und könnten auch bei den Anordnungen gemäß Fig. 2a und'2b hinzugefügt werden. Ferner könnte man auch eine unterschiedliche Anzahl flankierender Zellen benutzen, beispielsweise eine einzige Zelle auf der rechten Seite und keine auf der linken.

In den Beispielen der Fig. 2a und 2b besteht die rosettenartige Anordnung aus mehreren konzentrischen, kreisförmigen Ringen, die einen zentralen Kreis umgeben. Diese sind voneinander durch kreisförmige Nuten oder Vertiefungen getrennt, die in der HaIb-

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leiteroberfläche durch bekannte Mesaätzverfahren bis su einer Tiefe hergestellt sind, die ausreicht, die epitaxieale Oberflächenschicht in getrennte Bereiche zu unterteilen _e so daß dadurch voneinander isolierte Photodioden entstehen.

Die zentrale, kreisförmige Diode und jeder der konzentrischen Ringe sind durch gleiche radiale Nuten in eine Anzahl von Sek- ! toren unterteilt. In diesem Beispiel weist jeder kreisförmige Ring oder Kreis acht Sektoren auf, es sind aber auch andere Zahlen von Sektoren möglich, beispielsweise sechs oder zwölf. j Erhöht man die Anzahl der Sektoren, so erhöht sich damit auch ^! die Auflösung der Wandleranordnung, aber auch die Kosten der gesamten Einrichtung, da Hehrere parallele Signalkanäle erforder- ; lieh werden.

, Vorzugsweise sind die Sektoren in jedem kreisförmigen Ring gleich groß und die Anzahl der Sektoren ist ein Vielfaches von vier, so daß die vier Quadranten symmetrisch behandelt werden

j und keine Vorzugsrichtung vorhanden ist. Außerdem soll die An-

I zahl der Sektoren in jedem Kreisring oder Kreis vorzugsweise gleich groß sein, so daß in jedem Ring oder Kreis eine Videoinformation anfällt, die sich auf die gleiche Anzahl von Riehtun-

I gen vom Rosettenmittelpunkt, jedoch auf unterschiedliche Abstände von diesem Mittelpunkt in den verschiedenen Ringen bezieht.

Ferner erkennt man aus Fig. 2a und 2b, daß die Lage der Sektoren in dem inneren kreisförmigen Ring oder Kreis der rosettenartigen Anordnung eine tangentiale Verschiebung um eine halbe Sektorbreite in bezug auf die Sektoren der mittleren und äußeren

i Kreisringe aufweist. Dies hat den Zweck, die möglichst klare Un-¹ terscheidung der Richtung der Kanten der Linien in der Nähe des ' Zentrums herbeiführen zu können, während mit wachsendem Abstand ivon der Mitte die Richtung der Linien als Ganzes wichtiger ist. I Daher haben im inneren Ring oder im inneren Kreis die Sektoren ! Trennkanten in senkrechter und in waagerechter Richtung und in

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den beiden 45°-Richtungen, wobei diese Richtungen sich auf die normale Ausrichtung der abzutastenden Zeichen beziehen. In dem äußeren Ring haben die Sektoren selbst diese Richtung. Daher sind die Trennkanten zwischen den Sektoren um 22,5° tangential verschoben oder gedreht, d.h. um einen halben Sektor in bezug auf die inneren Sektoren.

Schließlich muß betont werden, daß die einfachste Form der rosettenartigen Atiordnung gemäß der Erfindung beispielsweise nur die innere Gruppe von Sektoren umfaßt ohne zentrale Zelle von Fig. 2a oder mit einer zentralen Zelle in Fig. 2b. Falls nur die örtliche Richtungsinformation von Wert ist, sind die äußeren Ringe nicht erforderlich und können weggelassen werden. Wenn jedoch außerdem noch beträchtlich mehr Information erforderlich ist und innerhalb des durch die Erfindung gegebenen Rahmens wird dies als Normalfall angesehen, dann ist ein zweiter Ring von Sektoren erforderlich, wie es als Zwischenring in den Fign. 2a und 2b gezeigt ist«

Der äußere Ring kann dann hinzugefügt werden, so daß mit der gleichen Wandleranordnung nicht nux gedruckte Zeichen, sondern auch handgeschriebene Zeichen gelesen werden können, die normalerweise größere Abmessungen aufweisen, als gedruckte Zeichen. Für handgeschriebene Zeichen werden entweder die inneren oder äußeren Sektorenrlnge benutzt, während dar dazwischenliegende Kreisring nicht beachtet wird oder es werden die Signale benachbarter Sektorenpaare in dem Zwischenring und den äußeren Kreisringen aufaddiert und Beben den Signalen des inneren Rings als einzelne Signale für eine größere Umgebung benutzt. Das wird gegenüber einer Einzelausnutzung aller Sektoren vorgezogen, da dieser Fall dann weitere acht Signalkanäle erfordern würde.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Abtastung eines handgeschriebenen Zeichens 2, das nur mit seiner Umrandung dargestellt ist, d.h. wie dieses Zeichen durch wiederholte vertikale Abtastung mit rotierendem Prisma abgetastet wird, wobei

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die einzelnen Abtastungen wegen der kontinuierlichen Bewegung des Papiers, jedesmal um einen kleinen Abstand in waagrechter Richtung verschoben sind. Die von den Photodioden in der rosettenartigen Anordnung gelieferten Signale werden periodisch zur Erzeugung diskreter Gruppen von Videosignalen abgetastet. Dies ist in Fig. 3 durch eine Folge von Punkten 30 an jeder der nach unten gerichteten Zeilen 31 gezeigt, die die vertikalen Abtastungen darstellen. Die vertikale Abtasthöhe wird durch den mit zwei Pfeilspitzen versehenen Pfeil 32 dargestellt, während die langsamere Abtastbewegung durch den Papiertransport durch einen waagrechten, nach rechts zeigenden Pfeil 33 angedeutet ist. Selbstverständlich könnte die langsamere Abtastbewegung auch von rechts nach links verlaufen und/oder die Vertikalabtastung könnte von unten nach oben erfolgen.

In dem zuvor erwähnten Beispiel war die Abtasthöhe etwa 1 cm und der Abstand der einzelnen Vertikalabtastungen voneinander betrug etwa 0,18 mm. Wird die periodische Abtastung der Videoimpulse mit dem gleichen räumlichen Abstand von 0,18 mm durchge- i führt, dann beträgt die Anzahl der Abtastungen je Abtastzeile I 57. Der aktive Teil des Abtastzyklus war 60 % einer Millisekunde, daher beträgt die Periode zwischen den Abtastungen der Signale ' 600:57 oder etwa 10 Millisekunden.

j Somit zeigt Fig. 3 eine Darstellung eines vertikalen Abtastrastera, wie es durch jeden Punkt, z.B. den Mittelpunkt der rosettenar- j tigen Anordnung in bezug auf das Abbild des abgetasteten Zeichens beschrieben wird. Bei bekannten Abtastsystemen für die Zeichenerkennung wird das vertiakale Abtastraster gewöhnlich mit einer relativ kleinen Linsenöffnung durchgeführt. Im Gegensatz dazu verwendet das Abtastsystem gemäß der vorliegenden Erfindung eine rosettenartige Anordnung als vielfache, zweidimensionale und in bezug auf das Abbild des Zeichens große Abtastblende.

Fig. 4 zeigt, wie die rosettenartige Anordnung einen relativ großen Teil der Abbildung des Zeichens überdeckt, wenn das Zen- \

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trum der Rosette gerade die Zeichenkante überdeckt. Dies zeigt, wie die rosettenartige Anordnung im richtigen Augenblick brauchbare Informationen über die einzelnen Merkmale des abgetasteten Zeichens liefert.

In dem auf der linken Seite der Fig. 4 dargestellten Fall befinden sich die Hälfte der Zellen der inneren Gruppe von Photodioden fast vollständig im schwarzen Bereich des Zeichens, j während die andere Hälfte fast vollständig den weißen Hintergrund, überdeckt. Im äußeren Sektorring liegen zwei von acht Sektoren überwiegend im schwarzen Bereich, nämlich der nach links und der nach unten zeigende Sektor, während die anderen Sektoren fast '· ausschließlich im weißen Bereich liegen. Im rechten Teil der i Fig. 4 sind die überwiegend schwarzen Sektoren mit einem Kreuz ι bezeichnet, während die weißen oder die beleuchteten Sektoren I freigelassen sind. j

Das in Fig. 4 dargestellte Beispiel zeigt, daß die innenliegende Gruppe von Sektoren, die einen vollen Kreis bilden, für die Feststellung der Richtung einer Kante eines Zeichens sehr geeignet ist, während der äußere Sektorring zum Erkennen von Teilen der Linienführung des Zeichens geeigneter ist. Zur Unterstützung dessen sollte die Abtasteinrichtung als ganzes auch noch andere höchst erwünschte und notwendige Forderungen erfüllen.

Eine erste Forderung, die das Abtastsystem erfüllen muß, damit die gewünschte Information mit Hilfe der rosettenartigen Diodenanordnung ableitbar ist, ist das Größenverhältnis zwischen den Abmessungen der Rosette und dem Zeichenabbild. In dem in der Fig. 4 gezeigten Beispiel ist die Breite des projizierten Zeichens angenähert gleich dem Durchmesser der Rosette. Im allgemeinen sollte die Zeichenbreite, d.h. die Breite des Zeichenabbildes etwa 1 bis 3 max so groß sein, wie der Durchmesser der rosettenartigen Anordnung.

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> Eine hergestellte und benutzte Ausführungsform einer rosettenartigen Anordnung gemäß Fig. 2a hatte folgende Abmessungen: Durchmesser des inneren Kreises: 0,71 mm Durchmesser des Zwischenrings: 1,42 mm Durchmesser des äußeren Rings: 2,13 mm. Eine Ausführungsform gemäß Fig. 2b hatte die gleichen Abmessungen, und die zentrale Zelle hatte einen Durchmesser von 0,18 mm.

Eine zweite, durch die Zeichenerkennungseinrichtung zu erfüllende Forderung besteht darin, daß die von der rosettenartigen Anord- : nung von Photodioden abgeleiteten und gesammelten Videosignale j zuverlässig und ständig digitalisiert, d.h. in digitale Signale ^: umgeformt werden müssen, die nur die Binärwerte 0 und 1 annehmen können. Die transformierten oder digitalisierten Videosignale können dann periodisch abgetastet werden und zu jedem Abtastzeitpunkt eine Gruppe von Bitwerten liefern, die das Augenblicksabbild eines Teils des abgetasteten, durch die rosettenartige Anordnung ! gesehenen Zeichens darstellt.

So würde beispielsweise eine Abtastung der digitalisierten Sij gnale der Rosette gemäß Fig. 4 eine Bitgruppe ergeben von 0001111000001010, wobei diese 16 Bitwerte, gelesen von links nach rechts, die binären Zustände des inneren Sektorenringes angeben, beginnend mit dem oben rechts liegenden Sektor 40 im ersten Quadranten und in Uhrzeigerrichtung fortschreitend und anschließend mit dem äußeren Sektorring, beginnend mit dem oben- ! liegenden Sektor 41 und ebenfalls im Uhrzeigersinn fortschreitend. In dieser Bitdarstellung wird ein dunkler Sektor durch eine binäre Eins und ein beleuchteter Sektor durch eine binäre Null dargestellt.

Wie bereits erwähnt, müssen die durch die einzelnen Sektoren der Rosette gelieferten Videosignale in digitale Form umgesetzt und daraufhin periodisch abgetastet werden und liefern dann Gruppen von Bitwerten, die für ein Zeichenerkennungsverfahren benutzbar sind. Eine Digitalisierung von Videosignalen kann mit

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Vorteil dynamisch dadurch erzielt werden, daß man diese Signale mit einem variablen Schwellwert vergleicht, der einen Prozentsatz des stärksten Signals darstellt. Im vorliegenden Fall mit einer rosettenartigen Anordnung von Photodioden ergibt sich eine Schwierigkeit dadurch, daß in einer rosettenartigen Anordnung mit j mehreren Kreisringen die Sektoren oder Photodioden nicht alle die gleiche Oberfläche aufweisen. Diese Schwierigkeit wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Signale der Photodioden jedes einzelnen Kreisringes oder Kreises der Rosette mit einem gesonderten variablen Schwellwert verglichen werden, der einen Prozentsatz des Maximalsignals aller Photodioden im gleichen Kreisring oder Kreis darstellt. Daraus erhält man eine lückenlose Digitalisierung, und es werden keine ungleichen Signale miteinander verglichen.

Fig. 5 zeigt in stark vereinfachter Weise, wie die einzelnen Gruppen von Bitwerten, die man nacheinander bei jeder Abtastung der Rosette während jeder Vertikalabtastung erhält, zum Erkennen des abgetasteten Zeichens benutzt werden kann. Die Tatsache, daß man mit der Erfindung in die Lage versetzt wird, mit einem solchen Verfahren eine positive und wirksame Zeichenerkennung durchzuführen, stellt die letzte Rechtfertigung für die erhöhten Kosten des Abtastens mit einer rosettenartigen Anordnung statt mit einer einzigen Photozelle dar.

Fig. 5 zeigt das handgeschriebene Zeichen 2 nur- mit seiner Umrandung. Es sind beispielsweise-vier vertikale Abtastzeilen V₁ bis V₄ gezeigt, obwohl wahrscheinlich in Wirklichkeit die Anzahl der tatsächlich benutzten, das Zeichen überdeckenden Abtastbewegungen höher liegt. In jedem Fall werden die vier dargestellten Abtastzeilen unter den tatsächlich verwendeten Abtastzeilen sein, oder mindestens werden sie in der Nähe der hier dargestellten vier Abtastzeilen liegen.

Früher oder später liefert ein periodisches Abfragen während jeder Abtastung charakteristische Bitmuster, die auf ganz bestimmte

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Merkmale oder Eigenheiten des abgetasteten Zeichens hinweisen. So wird beispielsweise die Abtastung V₄ unter anderem auch solche Bitmuster liefern, die den vier Punkten F₁ bis F₄ in der Zeichnung entsprechen. So entspricht beispielsweise der Zustand F. dem in Fig. 4 dargestellten Zustand, bei dem das Zentrum der Rosette an der Kante des Zeichens außerhalb des gebogenen oberen Abschnitts der Ziffer 2 liegt. Man sieht, daß in Fig. 5 die Lage der Rosette bei F₁ nur durch eine Marke für den Ort des Zentrums der Rosette angezeigt ist.

Der wichtigste Punkt ist nun, daß für jede Ziffer 2 das Auftreten einer vertikalen Abtastung V₄ vorhergesagt werden kann, wobei diese Abtastung V. kennzeichnend ist, weil neben anderen möglichen Bitmustern auch das charakteristische Bitmuster, das den Zuständen F₁ bis F₄ zugeordnet ist, auftreten muß. Beim Entwurf wird man folglich die Feststellung von V₄ dadurch ermöglichen, daß man eine vertikale Folge von Ausdrücken aufschreibt, die nacheinander die charakteristischen Bitmuster für die Punkte F₁ bis F₄ darstellen. Schreibt man in gleicher Weise auch eine Darstellung für andere zu erwartende Abtastungen, z.B. V₁, V₂ und V-, die in ähnlicher Weise Eigenschaften der Ziffer 2 kennzeichnen, die in diesen vertikalen Abtastungen auftreten, als vertikale Folge von Ausdrücken oder Gruppen von Bitwerten auf, dann kann die Zeichenerkennungslogik das Auftreten zuerst von V₁, dann V₃, dann V₃ und schließlich V₄ erkennen, worauf die Ziffer 2 erkannt werden würde.

Für alle anderen zu erkennenden Zeichen werden ähnliche F-Ausdrücke oder Bitmuster und V-Ausdrücke oder vertikale Folgen von Bitmustern festgelegt. Einige könnten gleich den für die Ziffer 2 festgelegten sein, doch die Gesamtheit aller waagrechten V-Ausdrücke oder die Η,-Folge von V-Ausdrücken wird für jedes Zeichen nur einmal vorhanden sein. Um Formabweichungen zu berücksichtigen, können auch alternative F-Ausdrücke, alternative V-Ausdrücke oder vertikale Folgen von F-Ausdrücken und alternative Η-Folgen von horizontalen Folgen von V-Ausdrücken fest-

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gelegt werden. So kann beispielsweise die Ziffer 2 aus dem Auf- ;

treten einer willkürlichen von vielleicht zehn alternativen H- ;

Folgen erkannt werden, von denen nur eine in Fig. 5 als H ange- ; geben ist.

Fig. 5 zeigt jedoch nicht die wünschenswerte Erweitung, die da- ι rin besteht, daß beim Entwurf auch sogenannte verbotene Ausdrücke mit aufgenommen werden können, was zur Folge hat, daß j eine dieser Folgen, falls sie befriedigt wird, nicht benutzt wird. Eine V-Folge könnte daher in der folgenden allgemeinen

Form geschrieben werden: I

V₁ = (F₁, A₂, F₂, A₃, F₃,...A_n, F_n), |

wobei die F-Ausdrücke genau festgelegte Ausdrücke sind, die, falls sie nach Befriedigung jedes vorhergehenden F-Ausdruckes befriedigt werden, einen Schritt in Richtung auf den nächsten F-Ausdruck in der Folge bewirken, auf den dann gewartet wird, während die A-Ausdrücke verbotene Ausdrücke sind, die dann die, Folge als ungültig beenden, wenn sie nach dem vorhergehenden F-Ausdruck befriedigt werden und ehe der nächste F-Ausdruck befriedig ist. Jede V-Folge enthält notwendigerweise mindestens einen F-Ausdruck, doch in der Regel sind hier mehrere F-Ausdrücke vorhanden. Die Α-Ausdrücke sind nicht zwingend erforderlich, können aber zur schärferen Unterscheidung zwischen den Zeicheneigenschaften hinzugeführt werden, die durch die verschiedenen Folgen · dargestellt werden. Eine V-Folge ist dann befriedigt, wenn alle festgelegten F-Ausdrücke bis zum und einschließlich des letzten F-Ausdrucks während einer Abtastung aufgefunden wurden, ohne daß Α-Ausdrücke die Folge gestört hätten.

In gleicher Weise könnten auch für alle Η-Folgen verbotene Ausdrücke festgelegt werden, so daß die relevante Folge nicht benutzt wird. Es ist klar, daß eine horizontale oder Η-Folge dann die folgende allgemeine Form annehmen wird:

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wobei die V-Ausdrücke die Bezeichnungen der festgelegten, zu befriedigenden vertikalen Folgen sind, während die B-Ausdrücke die verbotenen vertikalen Folgen bezeichnen, die zwischenhinein nicht befriedigt werden dürfen, da sonst die Η-Folge als ungültig betrachtet wird.

Ein Zeichenerkennungssystem unter Verwendung einer rosettenartigen Anordnung gemäß der Erfindung zum Abtasten von Zeichen muß das nachfolgend beschriebene Zeichenerkennungsverfahren oder den Algorythmus ausführen. (Wie bereits erwähnt, ergibt jede Abfrage der von der rosettenartigen Anordnung von Photodioden kommenden Signale eine Gruppe von Videodatenbits). Während jeder vertikalen Abtastbewegung werden die aufeianderfolgenden Gruppen von Videodatenbits vertikalen oder ersten Folgen von festgelegten und, falls vorgesehen, verbotenen Gruppen von Datenbitwerten gegenübergestellt, um festzustellen, welche dieser charakteristischen Folgen befriedigt werden. Während jeder Zeichenabtastung werden die Bezeichnungen der befriedigten vertikalen oder ersten Folgen nach jeder Vertikalabtastung horizontalen und zweiten Folgen von genau bezeichneten und, falls vorgesehen, verbotenen ersten Folgebezeichnungen gegenübergestellt, um zu bestimmten, welche dieser charakteristischen zweiten Folgen durch das abgetastete Zeichen befriedigt werden. Wird eine Folge der zweiten Ebene befriedigt, so wird dadurch die Identität des abgetasteten Zeichens angezeigt.

Fig. 6 zeigt, wie die zentrale Rosettenzelle benutzt werden kann, die Abfragezeiten zu ändern, so daß die Richtung des Verlaufs der Zeichenkante so genau wie möglich ermittelt wird. Die senkrechte Linie 50 stellt eine Abtastung oder den offensichtlichen Weg des Zentrums der Rosette in bezug auf das Papier beim überfahren des Zeichens 51 dar. Die von der rosettenartigen Vorrichtung abgegebenen Signale werden, wie durch Linien 52 in der Abtastbahn 50 angedeutet, periodisch abgefragt. Enthält die

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Rosette eine zentrale Zelle, dann läßt sich der Zeitpuntk des Einlaufens und Verlassen des schwarzen Bereiches genau aus dem Signalübergang der zentralen Zelle ermitteln. Wie in Fig. 6 gezeigt, muß die festgestellte Zeit nicht mit der periodischen Abfragezeit zusammenfallen, so daß die beste Gelegenheit, die Zeichenkante festzustellen, nicht benutzt wird« Dies kann dadurch verhindert werden, daß man die Videosignale zu einem frühreren Zeitpunkt abfragt, wenn die Zentralzelle einen Signalübergang liefert und die so ermittelte Gruppe von Videodatenbits anstelle derjenigen Gruppe von Videodatenbits benutzt, die man sonst bei der nächsten festen Abfragezeit ermittelt hätte. In Fig. 6 stellt jedes Kreuz eine Signalabfrage dar. Links von der Abtastbahn 50 sind feste Abfragezeitpunkte symbolisch dargestellt. Rechts ■ von der Abtastbahn 50 zeigen die verschobenen Kreuze die modifizierten Abfragezeitpunkte an, wie sie beispielsweise durch die zentrale Zelle beim Abtasten der Zeichenkanten betätigt wurden. ;

Die Rosettenanordnung weist Photodioden mit einer großen Oberfläche auf, verglichen mit den .üblichen Abtastern, wie bereits in Fig. 4 gezeigt und auch nochmals in Fig. 7 dargestellt. In diesem Sinn ist die Rosette ein Abtaster mit sehr kleiner Auflösung, jedoch die Form und die Anordnung der Sektoren und die Art der Signalermittlung liefern die Möglichkeit, unmittelbar auf höchster Ebene zweidimensional Videoinformation abzuleiten, nämlich die Richtung verschiedener Abschnitte der Linienführung und. die Richtung der Linienkanten. Damit lassen sich sogar Zeichen erkennen, die eine beträchtliche Schieflage aufweisen.

Die großen Abmessungen der rosettenartigen Abtastvorrichtung führen jedoch zu Schwierigkeiten, da, wie in Fig. 7 gezeigt, Teile benachbarter Zeichen gleichzeitig durch den Abtaster bedeckt werden können. Das würde zu wertlosen oder falschen Datenbits während der Zeit führen, da das Rosettenzentrum die Seite des gewünschten Zeichens abtastet. Um solcherart falsche Information zu vermeiden, können die Signale aus den äußeren Sektoren rechts oder links des inneren Ringes während einer

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ersten bzw. einer letzten Abtastung eines Zeichens unterdrückt werden. Das Ende eines Zeichens wird festgestellt, wenn die zentrale Zelle oder ein definierter Sektor des inneren Rings einen Weißwert oder Hintergrundwert abtastet. Ferner kann man bei den Gruppen von Datenbitwerten oder F-Ausdrücken die Bitwerte der äußeren Segmente für diese äußeren Abtastungen Undefiniert lassen. Eine Zeichentrennung könnte man ebenfalls durch eine Vorabtastung mit einer oder mehereren flankierenden Zellen erzielen, wie sie in Fig. 2c dargestellt sind.

Im vorangegangenen war eine neuartige Anordnung von Abtastphotodioden in rosettenartiger Form beschrieben worden. Mit einem Abtastsystem unter Verwendung dieser rosettenartigen Anordnung von Photodioden kann man unmittelbar auf höchster Ebene zweidlmensionale Information bezüglich der Merkmale oder Charakteristika eines abgetasteten Zeichens erhalten. Eine dynamische Unterscheidung der Videosignale, wie Kreisring der Rosette und ein wirksamer Zeichenerkennungsalgorithmus liefern eine wirtschaftliche Lösung für ein Zeichenerkennungssystem unter Verwendung der rosettenartigen Anordnung von Photodioden.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Zeichenerkennungssystem mit einem aus einer zweidimensionalen Anordnung von Photodioden bestehenden, photoelektrischen Signalwandler, mit einer Lichtabtastvorrichtung für die zu lesenden Zeichen und einer Auswerteeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodioden nach Art einer Rosette angeordnet sind und daß die einzelnen Photodioden als Sektoren eines Kreises und/oder mehrerer Kreisringe ausgestaltet sind.

Zeichenerkennungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rosettenartige Anordnung aus einer zentralen Zelle innerhalb eines oder mehrerer konzentrischer Kreisringe besteht, die in Sektoren unterteilt sind.

Zeichenerkennungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein innerer Kreisring oder Kreis der rosettenartigen Anordnung in eine Anzahl von Sektoren unterteilt ist, die gleich der Anzahl der Sektoren eines äußeren Kreisringes ist.

4. Zeichenerkennungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage .der Sektoren des inneren Kreisrings oder Kreises der rosettenartigen Anordnung tangential um einen halben Sektor gegenüber den Sektoren des äußeren Kreisringes verschoben ist.

5. Zeichenerkennungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Sektoren eines vollen Kreisringes oder Kreises der rosettenartigen Anordnung ein Vielfaches von vier, vorzugsweise acht ist.

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6. Zeicheaerkennungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Kreisring oder Kreis der rosettenartigen Anordnung in bezug auf die Ausrichtung des abzutastenden Abbildes des auf die Rosette projizierten Zeichens eine senkrechte und eine waggrechte Trennlinie aufweist.

7. Zeichenerkennungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Sektoren des gleichen Kreisringes oder Kreises der Rosette flächenmäßig gleich groß sind.

8. Zeichenerkeanungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,, daß die rosettenartige Anordnung von Photodioden an mindestens einer Seite flankierende Photodioden (Fig. 2c! aufweist_r die dem Aufsuchen einer Zeile und/ oder der Zeichentrennung dienen.

9. Zeichenerkennungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abtastung des von einem Dokument (16) reflektierten Lichts ein vom Lichtstrahl durchsetztes rotierendes Prisma (20) vorgesehen ist, das eine zeilenweise Abtastung des auf die Rosette projizierten Abbildes des zu erkennenden Zeichens liefert und daß das Dokument (16) gleichzeitig quer zu dieser Abtastrichtung und parallel zur Rotationsachse des Prismas transportierbar ist.

10. Zeichenerkennungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bündelung des von dem Dokument (16) reflektierten Lichts zwei Sammellinsen (18, 19) vorgesehen sind.

Hl §71 002

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