JP2005025605A

JP2005025605A - 物理データフィッティング係数生成システムおよび方法

Info

Publication number: JP2005025605A
Application number: JP2003191985A
Authority: JP
Inventors: Sadao Hashiguchi; 禎郎橋口; Toshihiro Kobata; 利宏木幡
Original assignee: Hitachi Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Engineering Co Ltd
Priority date: 2003-07-04
Filing date: 2003-07-04
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】スキャナによる画像データあるいは記録紙による記録データは電子データに変換するには多大な時間がかかるし、データ処理の効率向上が望めない。そこで本発明の目的は、グラフ等で図示されている数値化されていない物理データを自動的に数値化し、かつ近似関数の係数を提供するシステムを提供することにある。
【解決手段】物理データとしての画像データを数値化し、関数近似するための演算処理装置を有し、前記演算処理装置は、前記物理データとしての画像データ読み込み部と、前記読み込まれた画像データから数値化データを生成するデータ生成部と、前記生成されたデータとその近似のために選択された近似関数との誤差を求める誤差算出部と、前記誤差が小さくなるように前記近似関数の係数を求めるフィッティング係数判定部と、前記求められた係数を有する近似関数と前記数値化されたデータとの偏差が予め定められた値以下になったとき最適フィッティング係数とする出力部、から構成される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物理データフィッティング係数生成技術に係わり、特に記録紙等の記録媒体あるいはそれをスキャナ等で取得した大量の画像イメージデータを入力として、自動探査機能により数値化し、かつ選択設定された近似関数の最適フィッティング係数を自動生成するシステムおよび方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開平１０−４８１６６号公報
物理現象を模擬する場合、仮定したモデルの評価関数にて表現するために多量の物理現象等の計測データや試験結果を用いて最適な近似関数を導出する手法が一般的である。例えば物理現象の予測を行うためには、物理データと近似関数を組み合わせ、誤差評価等を利用して最適な評価モデルの導出を行っている。
【０００３】
しかしながら最適評価モデルを導出する場合、特にグラフ等で図示されている数値化されていない多量の計測データや試験結果をあらかじめ整理しやすい画像データ等に取り込み、外部処理で数値化した後最適な評価関数を設定する手順を実行する必要がある。そこで外部処理に依存せずに数値化されていない物理データ（イメージデータ）等の情報から自動的に数値化し、近似関数を任意に選択して最適な係数を求めることが望まれる。
【０００４】
物理データフィッティング処理を行い最適な物理データを取得するための技術として前記特許文献１がある。開示されている技術は、実験を併用して数値化された物理データを前提として利用するものである。数値化されていない画像イメージ等で図示されている物理データを利用して自動的にフィッティング係数を求める処理をしているものではない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
多くの実験データから近似関数を求める手法は従来から行われていることである。しかしながら、画像イメージデータから直接近似関数を求めることはそのデータ処理量が多くなるために外部の処理装置により処理され、その結果を取り込む方法がとられている。しかしながら、現状ではグラフ等で図示されている数値化されていない物理データ、すなわち画像イメージデータを処理しなければならない場合がしばしばある。そのような場合に外部処理加工に依存せず自動的に数値化し、かつ選択された近似関数に対して最適なフィッティング係数を求めることができれば、データの処理効率も向上する。
【０００６】
本発明は、これらの数値化されていない、例えば画像イメージデータを、自動探査手法を適用して数値化するとともに、数値化されたデータ群に対して近似関数を選択設定し、その場合の最適フィッティング係数を求める物理データフィッティング係数生成システムおよび方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、以下の手段により解決することができる。
物理データとしての画像データを数値化するとともに前記数値化されたデータを関数近似するための演算処理装置を有する物理データフィッティング係数生成システムであって、前記演算処理装置を、前記物理データとしての画像データ読み込み部と、前記読み込まれた画像データから数値化データを生成するデータ生成部と、前記生成されたデータとその近似のために選択された近似関数との誤差を求める誤差算出部と、前記誤差が小さくなるように前記近似関数の係数を求めるフィッティング係数判定部と、前記求められた係数を有する近似関数と前記数値化されたデータとの偏差が予め定められた値以下になったとき最適フィッティング係数とする出力部、から構成したことにある。
【０００８】
また、前記誤差算出部は、求められた係数を有する近似関数と前記数値化されたデータとの偏差の平均値を算出し、前記誤差の平均値が予め定められた値以下になったとき最適フィッティング係数として出力する出力部であること。また、前記読み込まれた画像データから数値化データを生成するデータ生成部では予め定められた移動幅にしたがって座標値を順次決定する探査手段を有していること。前記求められた係数を有する近似関数と前記数値化されたデータとの誤差の標準偏差が予め定められた値以下になったとき最適フィッティング係数として出力する出力部である。
【０００９】
また、物理データとしての画像データを記憶している記憶装置と、前記記憶装置のデータを数値化するとともに前記数値化されたデータを関数近似する演算を行なう物理データフィッティング係数生成方法であって、前記画像データを取り込み、前記取り込まれた画像データを数値化し、前記数値化されたデータを関数近似するための近似関数を設定し、前記設定された近似関数の係数を変更して前記画像データと前記近似関数との偏差の平均値あるいは標準偏差値が予め定められた値以下になったときの係数を最適フィッティング係数として生成する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。
図１は、本発明による物理データフィッティング係数生成システムのブロック構成の一例を示している。図１に示したように、本発明の物理データフィッティング係数生成システムは、大きく分けると入力装置１、記憶装置２および演算処理装置３から構成されている。そして、前記演算処理装置３は、物理データ読み込み部４と、作業用データメモリ５と、最適フィッティング係数出力部６と、物理データフィッティング係数生成部７から構成されている。
【００１１】
また、前記物理データフィッティング係数生成部７は、物理データ生成部７ａと、フィッティング処理を行なう近似関数オプションを備えた近似関数誤差判定部および近似関数算出部７ｂを有している。前記物理データ読み込み部４は、入力装置１からの指示にしたがって、すでに読み込まれている物理データの集合からなる画像データファイルを記憶装置２から読み出し、作業用データメモリ５に登録する。そして前記作業用データメモリ５に登録されたデータに基づいて、前記物理データフィッティング係数生成部７の物理データ生成部７ａにより、前記画像データから自動的に数値化して得られた数値データを作業用データメモリ５に登録する。
【００１２】
前記近似関数オプションを備えた近似関数誤差判定部および近似関数算出部７ｂは、作業用データメモリ５から前記数値化されたデータを読み込み、選択設定された近似関数と前記数値化データとの誤差が、予め定められた誤差範囲内かどうかを判定し、その誤差が予め定められた誤差範囲内であれば、前記近似関数の係数として設定し、選択された近似関数の最適フィッティング係数とし、前記最適なフィッティング係数をもつ近似関数とする。
【００１３】
前記最適フィッティング係数出力部６は、前記物理データフィッティング係数生成部７（７ｂ）で生成した最適フィッティング係数を記憶装置２に出力し、前記読み出された画像データの、最適フィッティング係数を有する近似関数として記憶させる。したがって、その後は同一画像データについては、前記記憶した近似関数を読み出して利用することができる。これが本装置の概略である。
【００１４】
以下、さらに詳細に説明する。図２は、本発明による物理データフィッティング係数生成システムにおける処理フローの一実施例を示したものであり、ステップ１０００〜ステップ５０００により構成されている。これは近似関数に対する最適フィッティング係数を求めるための処理手順であって、読み込んだ画像データから任意の近似関数に対する最適な係数を求める処理フローである。詳細は後述する。
【００１５】
図３は、本発明における処理システムの、画面表示機能の概要を示している。図３において、処理画面３０は、図１に示した物理データ読み込み部４によって記憶装置２から取り込んだ画像の表示画面である。記録紙による記録の画像イメージデータあるいは記録紙による記録のイメージスキャナによるデータである。そしてこの画像を自動的に数値化するための画像読み取り原点座標の設定部３２と、後述する自動探査手法による、いわばデジタイザ機能処理をおこなう手順により画面３０における画像３０ａを、数値化してデータを表示する画像読み取りデータ表示部３４を有している。
【００１６】
また、読み取り値のフィッティング係数算出方法を選択する近似関数または回帰関数の種類、すなわち線形近似、あるいは対数近似などの近似関数の種類を表示し、選択できる領域３６を有している。データ表示部３４は、この例では、Ｘ軸を時間軸としてデータＹをあらわしている例である。例えばｘ１…ｘ２６に対するｙ１…ｙ２６のように画像からのグラフ読み取り値を示している。これを後述する自動探査手法により実行する。
【００１７】
また、フィッティング処理の開始指示部３８を有し、フィッティング処理を開始させる指示領域３８、そしてフィッティング処理後、後述する誤差評価処理を行ってフィッティング処理結果を表示するフィッティング終了時の結果表示部４０と、同時にフィッティング係数表示部に処理結果値を表示する最適係数表示部４２、から構成されている。特性直線４０ａは、信号３０ａからグラフ読み取りをしたデータ３４を用いて最適係数を求め、その結果としての線形近似特性直線を表している。すなわち、前記特性直線４０ａは、前記画像イメージ３０ａに対応した線形近似関数による特性直線で、Ｘ軸は時間，Ｙ軸はデータで表されている。
【００１８】
図４は図３で示した物理データフィッティング係数生成システムにおいて、画像の任意の点を自動または手動による処理を選択できる場合を示している。後述する画像読み取り機能処理手順で数値化する際の、処理システムの画面表示機能の一例を示したものである。読み取り方法表示領域４２により、自動あるいは手動かを選択するとともに、さらに場合によってはＸ方向の移動幅を選択設定することもできる例である。
【００１９】
図４では画素１セル単位で移動させるような場合「１」を表示している（読み取り方法を示す領域４２のＸ方向移動幅）。また、画像読み取り開始点あるいは終了点を指定できる領域４４を有していて、読み取り始点あるいは終点を任意に選択設定できる。すなわち、画像データの全領域に限定されるものではない。また、画像表示の表示倍率変更部４６あるいは表示画面の削除、登録ほかの指示ボタン４８も用意されている。図３の場合であっても、読み取り開始点と読み取り終了点等の指示はできるようになっている。
【００２０】
図５〜図８は物理データ生成部７ａにおいて、任意の画像データを数値化する処理手順の一実施例を示したものである。前記図２に示したように、まずステップ１０００では、物理データ読み込み部４において入力装置１からの指示にしたがって、画像ファイルを記憶装置２から読み込む。
【００２１】
次に図２のステップ２０００では、その読み込んだ画像ファイルデータを、作業用データメモリ５に登録する。そして、そのデータを用いて物理データフィッティング係数生成部７の物理データ生成部７ａにおける自動探査手法、デジタイザ機能により読み込んだ画像データを数値化し、デジタル化された値を再び作業用データメモリ５に出力し登録する。そして後述する図９では近似関数の誤差判定部および近似関数算出部７ｂにおいて、選択した評価関数においてフィッティング係数を最適化する際の処理手順の一実施例を示したものである。以下順次本発明による物理データフィッティング係数生成システムの処理手順について説明する。
【００２２】
ここで図５〜図８を用いて前記デジタイザ機能による数値生成手順及び画像データからディジタルデータを作成する自動探査手法について説明する。まず、ステップ２０００で基準となる座標点（原点を含む３点）を指定し、実スケール値を入力し、作業用データメモリに登録する。次に図２のステップ３０００で、画面表示の画像解像度設定情報としての画素の内容が画素座標として対応づけられることを利用して、画像表示画面上で画像位置読み取り開始点と終了点を図４の４４に示したようにマウスクリックにて指定する。そして、自動探査手法により座標位置を確定し、確定した点を実スケール値として求める。
【００２３】
これを図５および図６により説明する。図５の（Ａ）は図３あるいは図４の画像データ３０ａの拡大画素図である。図５の（Ａ）でｘ軸は時間軸であり、ｙ軸はデータである。ここではマス目を単位画素で表している。ｘ軸方向の移動幅を単位画素ｉで表し、ｙ軸方向の移動幅を単位画素ｊとしている。そしてｘの値に対してひとつのｙの値（画素）が決まる画像であることを前提にしていて、開始点（ｘｓ、ｙｓ）から終了点（ｘｅ，ｙｅ）まで、自動探査手法により該当する画素の座標を決めていく。
【００２４】
図６により座標決定手順を説明する。ステップ３００１で任意の開始点（ｘ_ｓ、ｙ_ｓ）と終了点（ｘ_ｅ、ｙ_ｅ）およびｘ方向移動幅ｉを決定し（ｊ＝０）、ステップ３００２では座標の初期設定を行う。ステップ３００３でｘ方向に移動幅「ｉ」だけ移動し、ステップ３００４で探査点（例えば黒色）かどうかを判定する。探査点である（Ｙｅｓ）と判定された場合は、図７の処理ステップ４００１以降の処理へ進む。
【００２５】
一方、ステップ３００４で探査点に合致しない場合（Ｎｏ）にはＹ軸方向に移動幅「ｊ」を移動させ探査点に合致するまでステップ３００５からステップ３００８まで繰り返す。例えばステップ３００４でＮＯの場合は図５（Ａ）の（ａ）の場合であって、そのときはステップ３００５に示したように、ｊ＝ｊ＋１とする。図５（Ａ）では（ｂ）の場合である。（ｂ）では画素すなわち黒点が存在するが、黒点がないときはｊ＝ｊ−１も実行する。しかし、「ｊ±１」を実行しても黒点がないときは、さらにステップ３００６で判断されて「ｊ±１」を実行する。すなわちステップ３００７では、「ｊ±２」を実行したことになる。さらに、ステップ３００８でも黒点が見つからないとき（ＮＯ）はステップ３００５に戻るから順次ｊの移動幅を広げて探査することになる。
【００２６】
ステップ３００５からステップ３００８における画素座標の探査優先移動処理は、図５の（Ｂ）に示す。指定開始点（ｘ_ｓ、ｙ_ｓ）の右隣画素への移動（ｉ）を優先度１とし、次に優先度２として優先度１で移動した指定座標の右隣画素の位置からｙ軸方向に±１移動（「ｊ±１」）して探査する。次に優先度３として優先度１で移動した指定座標の右隣画素の位置から同様にｙ軸方向に±２移動して探査し、前記の方法で順次ｙ軸方向に±ｎ移動して探査し、座標が決定されるまで前記探査移動処理を繰り返し続け、指定終了点（ｘ_ｅ、ｙ_ｅ）まで実施する。それはステップ３０１０で終了点であると判定されるまで続けられる。
【００２７】
次に、前記ステップ３００４、ステップ３００６あるいはステップ３００８で探査点に合致した場合の、図２のステップ４０００について図７のステップ４００１〜４００６の処理を図７および図８を用いて説明する。図８（Ａ）に示すように読み取り点Ａ［Ｘ，Ｙ］（画素上では（ｘ、ｙ））を以下の手順で求める。原点Ｏを［Ｘｓ，Ｙｓ］（画素上では（ｘａ、ｙａ））と指定し、Ｘ軸上の任意の点［Ｘｅ，Ｙｓ］（画素上では（ｘｂ、ｙｂ）を指定し、さらにＹ軸上の任意の点［Ｘｓ，Ｙｅ］（画素上では（ｘｃ、ｙｃ））をあらかじめ入力して指定しておく。求めるＸ−Ｙ座標系の画像データはその読み取りにおいて、Ｘ軸とＹ軸が直行しているとは限らない、すなわち画像データは、このＸ軸、Ｙ軸上の座標として読み取られているとは限らないことを考慮して、図８（Ａ）に示すような一般形として表している。
【００２８】
Ｘ軸が表示画面水平軸となす傾き角をθ、Ｙ軸が表示画面水平軸となす傾き角をφ、読み取り点Ａと指定原点Ｏとを結ぶ直線ＯＡが表示画面水平軸となす傾き角をαとし、以下の手順により読み取り点Ａ（Ｘ，Ｙ）を求める。
ステップ４００１で前記傾き角θ、傾き角φ、傾き角αを以下の数１〜数３で求める。
【００２９】
【数１】

【数２】

【数３】

次にステップ４００２でＸ軸およびＹ軸の長さを、得られている画素座標（ｘａ、ｙａ）、（ｘｂ、ｙｂ）を以下の数４〜数６に代入することによって、Ｘ軸の長さｌｘｐ、Ｙ軸の長さｌｙｐ、指定原点Ｏ［Ｘｓ、Ｙｓ］と読み取り点Ａ［Ｘ，Ｙ］とを結ぶ直線ＯＡの長さｌを求める。
【００３０】
【数４】

【数５】

【数６】

次に以下の数７〜数９に基づき、ステップ４００３で指定原点Ｏ［Ｘｓ，Ｙｓ］と読み取り点Ａ［Ｘ，Ｙ］とを結ぶ直線ＯＡの長さｌと、角度（α−θ）および角度（θ＋φ）からｌ_ｙを、ステップ４００４でｌ_ｘを求める。
【００３１】
【数７】

【数８】

【数９】

さらに数１０、数１１に基づきステップ４００５で、前ステップで求めたｌ_ｘｅ、ｌ_ｙｅ、ｌ_ｘ、ｌ_ｙと入力で指定した３点の座標から読み取り点Ａ［Ｘ，Ｙ］を求める。
【００３２】
【数１０】

【数１１】

これらの数式をまとめて図８（Ｂ）として示している。これは、図７の処理ステップ４００１〜４００５における演算処理の数式を示している。以上の処理をステップ３００１からステップ３００８及びステップ４００１からステップ４００６の間で読み取り開始点から読み取り終了点までの全データについて繰り返し、取得した読み取り情報を作業用データメモリ５に登録するとともに表形式、例えば図３の３４のような表形式に表示することができる。
【００３３】
次に図２のステップ５０００は、物理データフィッティング係数生成部の近似関数誤差判定部及び評価関数算出部７ｂにおいて、任意に選択した近似関数の最適フィッティング係数を生成する。
図２、図３および図９を用いて最適フィッティング係数生成手順を説明する。まず、図３の処理装置画面概念において画面の３６で近似関数を選択する。例えば近似関数として、線形近似を選択した場合、図９に示すようにステップ５００１で任意の近似関数ｆｃに対する係数ｋ_０を設定する。
【００３４】
次にステップ５００２で近似関数の係数ｋ_０に幅をもった近似関数の係数ｋ_０ｓ、ｋ_０ｅを設定し、ステップ５００３で近似関数を用いた場合の評価値をｋ_０、ｋ_０ｓ、ｋ_０ｅについてそれぞれ算出し、仮定した近似関数ｆｃと前記で取得した読み取りデータｆｔとの誤差を求める。以上の処理を取得した読み取り全データについて行う（ステップ５００４）。
【００３５】
次にステップ５００５で誤差の平均値ｅｒｒ_ａｖｅおよび標準偏差σｅｒｒを求める。次に、ステップ５００６の最初の処理でｋ_０ｓをｋ_０、ｋ_０ｅをｋ_０とおき、またステップ５００９およびステップ５０１０でｋ_０の任意に指定した小数点桁数精度を満足するか否かを判定する。すなわちステップ５００６では設定されたずれ幅の範囲で中央値を変更して誤差が最小になったかどうかを判定している。そして所定の精度が得られないときは、ステップ５０１１において、ずれ幅の縮小・変更等をおこないステップ５００２からの処理を繰り返す。ステップ５００６では、標準偏差σｅｒｒあるいは誤差の平均値ｅｒｒ_ａｖｅが予め定められた値以下になったことを収斂条件とすることであってもよい。
【００３６】
そして、所定の精度を満足すれば処理を終了する。しかし精度が満足していない場合ときは、前記したような処理、すなわち、ステップ５０１１で収束幅を狭めて前記標準偏差σ_ｅｒｒが最小になるまでステップ５００７、ステップ５００８、ステップ５００９、ステップ５０１０及びステップ５０１１の処理を繰り返す。そして、前記誤差が収束したとき、得られた近似関数の係数情報を作業用データメモリ５に登録する。
【００３７】
最後に、図１の最適フィッティング係数出力部６において、得られた近似関数を記憶装置２に出力するとともに、図３に示すように得られた近似関数の曲線４０ａを表示画面に表示する。
【００３８】
また、図４に示したように、前記デジタイザ機能による数値生成手順および画像の自動探査手法に対して、前記数値読み取り手法を用いることにより任意の指定点を手動で読み取ることができる。また、本発明では図４に示したように自動および手動読み取り処理の選択ができるようにしている。
【００３９】
したがって、本発明による物理データフィッティング係数生成システムを、例えば試験結果の出力処理や、電子データではない記録紙等のプラントデータのイメージスキャナデータを処理するためのシステムとして利用することができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の物理データフィッティング係数生成システムによると、任意の物理データとしての画像データあるいは記録紙のデータを読み取り数値化することができ、かつ所定の近似関数でフィッティングすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】物理データフィッティング係数生成システムの構成の一実施例を示す図である。
【図２】物理データフィッティング係数生成システムにおける処理フローの一実施例を示す図である。
【図３】物理データフィッティング係数生成システムにおいてデータフィッティング係数生成処理機能画面の概要を表示した図である。
【図４】物理データフィッティング係数生成システムにおいて画像読み取り機能画面の概要を表示した図である。
【図５】本発明の自動探査手法を説明するための図である。
【図６】自動探査手法の処理フローの一実施例を示す図である。
【図７】任意画像データを数値化する処理フローの一実施例を示す図である。
【図８】任意画像データを数値化する一実施例を示す図である。
【図９】誤差を最小とする処理フローの一実施例を示す図である。
【符号の説明】
１…入力装置、２…記憶装置、３…演算処理装置、４…物理データ読み込み部、５…作業用データメモリ、６…最適フィッティング係数出力部、７…物理データフィッティング係数生成部、７ａ…物理データ生成部、７ｂ …近似関数算出部（近似関数誤差判定部）、３０…処理画面、３０ａ…画像、３２…原点座標設定部、３４…データ表示部、３６…近似関数選択領域、３８…フィティング開始指示部、４０…結果表示部、４２…最適係数表示部、４４…画像読み取り開始終了点指定部、４６…拡大指示部。

Claims

物理データとしての画像データを記憶している記憶装置と、前記記憶装置のデータを数値化するとともに前記数値化されたデータを関数近似するための演算処理装置を有する物理データフィッティング係数生成システムにおいて、前記演算処理装置は、前記物理データとしての画像データ読み込み部と、前記読み込まれた画像データから数値化データを生成するデータ生成部と、前記生成されたデータとその近似のために選択された近似関数との誤差を求める誤差算出部と、前記誤差が小さくなるように前記近似関数の係数を求めるフィッティング係数判定部と、前記求められた係数を有する近似関数と前記数値化されたデータとの偏差が予め定められた値以下になったとき最適フィッティング係数とする出力部、から構成されることを特徴とする物理データフィッティング係数生成システム。
請求項１において、前記誤差算出部は、求められた係数を有する近似関数と前記数値化されたデータとの偏差の平均値を算出し、前記誤差の平均値が予め定められた値以下になったとき最適フィッティング係数として出力する出力部であることを特徴とする物理データフィッティング係数生成システム。
請求項１において、前記読み込まれた画像データから数値化データを生成するデータ生成部では予め定められた移動幅にしたがって座標値を順次決定する探査手段を有していることを特徴とする物理データフィッティング係数生成システム。
請求項１において、前記求められた係数を有する近似関数と前記数値化されたデータとの誤差の標準偏差が予め定められた値以下になったとき最適フィッティング係数として出力する出力部であることを特徴とする物理データフィッティング係数生成システム。
物理データとしての画像データを記憶している記憶装置と、前記記憶装置のデータを数値化するとともに前記数値化されたデータを関数近似する演算を行なう物理データフィッティング係数生成方法において、前記画像データを取り込み、前記取り込まれた画像データを数値化し、前記数値化されたデータを関数近似するため近似関数を設定し、前記設定された近似関数の係数を変更して前記画像データと前記近似関数との偏差の平均値あるいは標準偏差値が予め定められた値以下になったときの係数を最適フィッティング係数として生成することを特徴とする物理データフィッティング係数生成方法。