JP2009223893A - 画像認識装置、画像認識方法及び画像認識装置を備える画像読取装置 - Google Patents

Abstract

【課題】演算が速くしかも判定精度が高い画像認識装置を提供する。
【解決手段】入力画像の解像度を低くする第１の解像度変換部と、第１の解像度変換部の出力から処理領域を読みだす領域切出し部と、領域切出し部が切り出した処理領域を第１の解像度変換部よりも解像度を低くする第２の解像度変換部と、パターン照合判定部と、を備える。１段階目に解像度を低くした後に領域切出しを行う。画像認識装置は２段階目に１段階目よりも解像度を低くした後にパターン照合判定を行う。そして、画像認識装置は１段階目の低解像度化からパターン照合判定までの動作をパターン照合判定において閾値に達するまで繰り返す。
【選択図】図１

Description

本発明は、スキャナなどの画像読取装置に用いる画像認識装置、画像認識方法及びこの画像認識装置を備える画像読取装置に関する。

画像読取装置は読み込んだ画像に特定の画像が含まれるかを判定する画像認識装置を有することがある。これらの画像認識装置は演算が速くしかも判定精度が高いことが必要である。

この点に関し、入力画像の解像度を低くした上で平均濃度などの特徴量を算出し、この特徴量によりあらかじめ格納される画像データを検索する画像認識装置がある（例えば、特許文献１）。

しかし、この技術では演算速度を速くしようとすると判定精度が低くなり、逆に判定精度を上げようとすると演算速度が遅くなる。従って、演算速度が速く、しかも判定精度も高い画像認識装置を得ることができないという問題点があった。

例えば、演算速度をある程度速くすると判定精度が低くなり、図１４に示すように画像の切り出し位置がずれてしまうことがあった。

また、探索領域を絞り込むために入力画像解像度を減らして、記憶しておいた高解像度の入力画像と照合する画像認識装置がある（例えば、特許文献２）。

しかし、この技術では低解像度の画像と高解像度の画像を記憶しておく必要があるため多くのメモリを要し、また、低解像度画像から絞り込んだ探索領域を高解像度画像の領域を特定して判定する際に論理的な条件分岐処理が必要となるためＡＳＩＣなどのハードウエア回路によって信号処理を行うことが困難であるという問題点があった。

特開平９−２９３０８２号公報 特開２００５−２３５０８９号公報

本発明は、演算が速くしかも判定精度が高い画像認識装置を提供することを目的とする。

本発明は、二値化された画像データの解像度を低くする第１の解像度変換部と、第１の解像度変換部からの出力から処理領域を読みだす領域切出し部と、領域切出し部が読み出した処理領域から第１の解像度変換部より解像度が低い処理パターンを生成する第２の解像度変換部と、判定対象である特定の画像のパターンデータである辞書パターンを格納する辞書ファイルと、辞書パターンを順次読み出し、処理パターンと照合するパターン照合判定部と、を備える画像認識装置を提供する。

本発明の画像認識装置は、演算処理を高速にして、しかも判定精度を高くすることが可能であるという効果がある。

本発明の画像認識装置を含む画像読取装置の構成を表すブロック図である。 画像認識装置の構成を表すブロック図である。 第１の解像度変換部の変換前のデータの例を示す図である。 第１の解像度変換部の出力の例を示す図である。 領域切出し部の領域切出し動作を表す図である。 第２の解像度変換部の入力データを示す図である。 第２の解像度変換部の出力の例を示す図である。 処理パターンの例を示す図である。 辞書パターンの例を示す図である。 パターン照合判定部が算出した差の例を示す図である。 図８Ｃの各画素を二乗した結果を示す図である。 二乗誤差法を用いる場合のパターン照合判定部の回路構成図である。 辞書パターンメンバ関数の例を示す図である。 ファジイ推論を用いる場合のパターン照合判定部の回路構成図である。 図１に示す画像認識装置の動作を表すフローチャートである。 領域切出し部の切り出しの概念を示すメモリパターン図である。 辞書パターンの一例を示すメモリパターン図である。 従来の技術による領域切出しの概念を示すメモリパターン図である。

以下、本発明による画像認識装置の一実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本実施形態の画像認識装置を含む画像読取装置の構成を表すブロック図である。画像読取装置はスキャナであってもよい。他の装置が画像を読み取って生成した画像データを判定し判定結果を出力する装置であってもよい。

図１に示すように、画像読取装置１００は、光学的方法によって取り込んだ画像を電気信号に変換して出力する画像読取部１０１と、画像読取部１０１からの信号をアナログ／ディジタル変換して出力するＡ／Ｄ変換部１０２と、ディジタル変換された画像信号をシェーディング補正するシェーディング補正部１０３と、画像データを入力し、特定の画像が含まれるかを判定する画像認識装置１０４と、画像認識装置１０４からの判定結果によって画像読取部１０１の動作を制御する制御部１０５と、を備える。

制御部１０５は、読み取りを中止させる制御や、正常な読み取りを阻止する制御を行ってもよい。

また、画像読取装置１００はシェーディング補正部１０３からの出力を画像読取装置１００の外部の画像処理部１１０を経由して画像を形成するプリンタ部１２０に出力するように構成することもできる。

図２は、本実施形態の画像認識装置１０４の構成を表すブロック図である。図２に示すように、本実施形態の画像認識装置１０４は、入力した画像信号を二値化する二値化部２０１と、画像信号の解像度を低くする第１の解像度変換部２０２と、第１の解像度変換部２０２が変換した画像信号から処理領域を読みだす領域切出し部２０３と、領域切出し部２０３が出力した処理領域の画像データを第１の解像度変換部２０２の解像度よりも低解像度に変換して処理パターンとして出力する第２の解像度変換部２０４と、を備える。

画像認識装置１０４は、特定の画像パターンの低解像度データである辞書パターンを格納する辞書ファイル２０６を備える。辞書ファイル２０６が格納する辞書パターンは、特定の画像パターンについて、処理領域と同じ大きさであり、第２の解像度変換部２０４の出力と同じ解像度であることが望ましい。

画像認識装置１０４は、判定信号を出力するために、第２の解像度変換部２０４が出力した処理パターンを辞書ファイル２０６から読み出した辞書パターンと順次照合するパターン照合判定部２０５を備える。

図３は、第１の解像度変換部２０２の変換前のデータの例を示した図である。図３に示すように、二値化部２０１は入力した画像信号を閾値を用いて“０”と“１”に二値化する。例えば、白は“０”であり、黒は“１”である。二値化部２０１が二値化した個々の値を画素と呼ぶ。

第１の解像度変換部２０２は、二値化部２０１からの出力を横Ｍｘ画素、縦Ｍｙ画素ずつ、重複しないように、また漏れのないように加算して総和を算出する。Ｍｘ×Ｍｙの画素の集合を画素ブロックと呼ぶ。

例えば、Ｍｘ＝Ｍｙ＝４のとき、第１の解像度変換部２０２は、画素ブロック３０１内の数値をすべて加算して総和である“２”を算出する。

第１の解像度変換部２０２は順次横にＭｘずつ読みだして総和を算出し、右端まで読みだして総和を求めた場合には左端に戻って縦にＭｙずらして読みだし、総和を求める。第１の解像度変換部２０２は以上を繰り返して処理領域３００の画素ブロックごとの総和を計算する。

図４は、第１の解像度変換部２０２の出力の例を示す図である。図４に示すように、第１の解像度変換部２０２は画素ブロック３０１の総和である“２”を、出力する画素４０１としてＦＩＦＯなどのバッファメモリに格納する。

すなわち、第１の解像度変換部２０２は、１ビット×１６画素＝１６ビットの画像データを１０進数で２桁、すなわち５ビットのデータに置き換えることにより入力した画像データの解像度を低くする。

なお、Ｎｘ、Ｎｙは第２の解像度変換部２０４が解像度を低くする際の総和を求める縦横の画素数である。

図５は、領域切出し部２０３の領域切出し動作を表した図である。図１に示す画像読取部１０１は読み取り対象の媒体を１ラインずつスキャンして読み取る。画像読取部１０１は読み取りにより生成したアナログ信号をＡ／Ｄ変換部１０２に供給する。Ａ／Ｄ変換部１０２はこのアナログ信号をディジタル信号に変換する。２値化部２０１がディジタル信号を２値化する。２値化部２０１が有するメモリは２値化部２０１からの出力を複数ラインずつ格納する。第１の解像度変換部２０２は２値化部２０１が有するメモリから読み出した２値化データの解像度を低くする。

領域切出し部２０３は第１の解像度変換部２０２が出力するデータを複数ライン分バッファメモリに格納する。領域切出し部２０３は図５に示すように、バッファメモリから照合を行う領域として主走査方向にＰｘ×Ｎｘ画素、副走査方向にＰｙ×Ｎｙ画素の大きさの領域だけ読みだす。領域切出し部２０３は主走査方向の矢印５０１の方向に、図４における１画素分ずつずらしながら読み出す。右端まで読み出し終わったら、領域切出し部２０３は矢印５０２に示すように図４における１画素分副走査方向の矢印５０３の方向にずらして読み出す。

領域切出し部２０３は第１の解像度変換部２０２の出力の１画素分ずつ右にずらしながらバッファメモリから処理領域５０４を読みだす。Ｐｘ、Ｐｙは第２の解像度変換部２０４が出力する縦横の画素数である。

切出し領域を１画素分ずつずらすことをインクリメントするという。また、インクリメントにおいてずらす幅のことをインクリメントのピッチと呼ぶ。

図６は、図２に示す第２の解像度変換部２０４の入力データ５００を示した図である。図６に示すように、第２の解像度変換部２０４は、領域切出し部２０３がバッファメモリから読み出した横Ｐｘ×Ｎｘ、縦Ｐｙ×Ｎｙ分の画素データを入力データ５００とする。

第２の解像度変換部２０４は、入力データ５００の左上から重複なく、しかももれなく横Ｎｘ画素、縦Ｎｙ画素ずつ読みだして加算し、総和を算出する。第２の解像度変換部２０４は、算出した総和を１画素としてメモリに格納する。

図６に示した例では、各画素がそれぞれ、“２”，“８”，“４”，“１６”であるため、総和は“３０”である。

図７は、第２の解像度変換部２０４の出力の例を示した図である。図７に示すように、第２の解像度変換部２０４は、横Ｐｘ縦Ｐｙの画素ブロック６００を出力する。第２の解像度変換部２０４が出力する画素ブロック６００を処理パターンと呼ぶ。処理パターンの１画素分はインクリメントのピッチより大きくなる。

第２の解像度変換部２０４は処理パターンを生成する処理を領域切出し部２０３が処理領域を出力するたびに行う。

図２に示すパターン照合判定部２０５の動作について説明する。パターン照合判定部２０５は、辞書ファイル２０６に格納される辞書パターンに、処理パターンを順次、照合する。

照合の方法は問わない。例えば、パターン照合判定部２０５は二乗誤差法を用いることができる。

図８Ａ乃至図８Ｄは、二乗誤差法の原理を説明するための図である。図８Ａは処理パターンの例を示す図である。図８Ｂは辞書パターンの例を示す図である。

パターン照合判定部２０５は、処理パターンのそれぞれの画素について、対応する位置にある辞書パターンの画素との差を算出する。図８Ｃは、パターン照合判定部２０５が算出した差の例を示す図である。例えば、右上の画素について言えば、図８Ａの右上は“０”であり、図８Ｂの右上は“１”であるため、その差は０−１＝−１となり、図８Ｃの右上は“−１”となる。

続いて、パターン照合判定部２０５は、各画素を二乗する。図８Ｄは図８Ｃの各画素を二乗した結果を示す図である。パターン照合判定部２０５は各画素の総和を算出する。図８Ｄの例においては、総和は“２”である。

次に、パターン判定照合部２０５は総和と閾値を比較し、総和が閾値未満の場合“０”、総和が閾値以上である場合に“１”を判定信号として出力する。

図９は、二乗誤差法を用いる場合のパターン照合判定部２０５の回路構成例である。図９に示すように、パターン照合判定部２０５は、画素数をｎとするとき、処理パターンと辞書パターンとの差を算出する減算器８０１１から減算器８０１ｎまでのｎ個の減算器と、これらの減算器の出力をそれぞれ二乗する乗算器８０２１から乗算器８０２ｎまでのｎ個の乗算器と、乗算器８０２１から乗算器８０２ｎまでの出力結果の総和を算出する加算器８０３と、この総和とメモリが予め格納する閾値とを比較する比較器８０４と、を有する。

他には例えば、パターン照合判定部２０５はファジィ推論を用いることができる。ファジィ推論は、各画素の値である画素値と適合度を対応付ける辞書パターンメンバ関数により、画素値から適合度を算出し、この適合度の平均と閾値とを比較して照合判定を行う方法である。この場合、辞書ファイル２０６は判定すべき画像毎の辞書パターンメンバ関数を格納する。

図１０は、辞書パターンメンバ関数の例を示す図である。図１０に示すように、辞書ファイル２０６は、処理パターンの画素が横Ｐｘ、縦Ｐｙであるとき、一つの辞書パターンにつき、左上の画素である（１，１）から右下の画素である（Ｐｘ，Ｐｙ）までＰｘ×Ｐｙ個の辞書パターンメンバ関数を格納する。

パターン照合判定部２０５は、辞書パターンメンバ関数を順次読みだし、読み出した辞書パターンメンバ関数を用いて画素値から適合度を算出する。例えば、画素（Ｐｘ，Ｐｙ）の画素値が“４５”であるとき、適合度は“１”である。

パターン照合判定部２０５は、辞書パターンごとの適合度の平均値を算出し、平均が閾値未満の場合“０”、平均が閾値以上である場合に“１” を判定信号として出力する。

図１１は、ファジイ推論を用いる場合のパターン照合判定部１０００の回路構成例である。図１１に示すように、パターン照合判定部１０００は、画素数をｎとするとき、辞書パターンメンバ関数を用いて画素値から適合度を算出するファジィ推論ブロック１００１１からファジィ推論ブロック１００１ｎまでのｎ個のファジィ推論ブロックと、適合度の平均である平均適合度を算出する平均適合度算出ブロック１００３と、平均適合度と閾値とを比較する比較器８０４とを備える。なお、画像認識装置１０４は、ＣＰＵなどの演算装置を用いて構成することもできる。

図１２は画像認識装置１０４の動作を表すフローチャートである。図１２に示すように、動作１２０１において、画像認識装置１０４は複数ライン分の画像信号を入力する。すなわち、画像認識装置１０４は、メモリが格納するシェーディング補正部１０３からの出力の中から複数ライン分の信号を読み出す。

動作１２０２において、画像認識装置１０４は２値化処理を行う。動作１２０３において、画像認識装置１０４は第１の解像度変換を行う。

動作１２０４において、画像認識装置１０４は第１の解像度変換後の画像データから処理領域の切り出しを行う。すなわち、画像認識装置１０４は第１の解像度変換後の画像データから、処理領域のデータを特定して読み出す。

より具体的には、ＦＩＦＯなどのバッファメモリは動作１２０４における第１の解像度変換後の画像データを一時的に格納する。画像認識装置１０４はこの格納されたデータから注目位置について、例えば横（Ｐｘ×Ｎｘ）×縦（Ｐｙ×Ｎｙ）の画素を読みだす。

動作１２０５において、画像認識装置１０４は切り出した処理領域に対して、第１の解像度変換よりも低解像度にする第２の解像度変換を行って処理パターンを算出する。

動作１２０６において、画像認識装置１０４は第２の解像度変換後の処理パターンに対してパターン照合判定を行う。すなわち、画像認識装置１０４は辞書ファイル２０６から順次読み出される特定画像の辞書パターンを、第２の解像度変換後の画像データの処理パターンと照合する。

動作１２０７において、画像認識装置１０４は第２の解像度変換後の処理パターンと特定画像の辞書パターンとが一致すると判定した場合、動作１２０８に進み、一致しないと判定した場合、動作１２０９に進む。

動作１２０９において、画像認識装置１０４は切り出し領域の注目位置をインクリメントする。すなわち、切り出し領域の注目位置を例えば１画素ずらし、動作１２０４に戻る。

動作１２０８において、画像認識装置１０４は判定信号を出力する。

以上述べたように、本実施形態の画像認識装置１０４は、入力画像の解像度を低くする第１の解像度変換部２０２と、第１の解像度変換部２０２の出力から処理領域を読みだす領域切出し部２０３と、領域切出し部が切り出した処理領域を第１の解像度変換部２０２よりも解像度を低くする第２の解像度変換部２０４と、パターン照合判定部２０５と、を備える。

すなわち、本実施形態の画像認識装置１０４は１段階目に解像度を低くした後に領域切出しを行う。画像認識装置１０４は２段階目に１段階目よりも解像度を低くした後にパターン照合判定を行う。そして、画像認識装置１０４は１段階目の低解像度化からパターン照合判定までの動作をパターン照合判定において閾値に達するまで繰り返す。

このように構成したため、本実施形態の画像認識装置１０４は、演算処理を高速にして、しかも判定精度を高くすることが可能であるという効果がある。

より具体的には、図１３Ａに示すように、従来技術では切出し位置が領域９１１のようにずれてしまうが、本実施形態においては領域９０１に示すように、図１３Ｂに示す辞書パターンに近い位置において切出すことが可能となる。

これは、インクリメントのピッチが従来技術は図１４のＬのように大きかったが、本実施形態では図１３ＡのＬ１のように小さくすることができることによる。

１００：画像読取装置、
１０１：画像読取部、
１０２：Ａ／Ｄ変換部
１０３：シェーディング補正部
１０４：画像認識装置
１０５：制御部。

Claims (12)

1. 二値化された画像データの解像度を低くする第１の解像度変換部と、
   前記第１の解像度変換部からの出力から処理領域を読みだす領域切出し部と、
   前記領域切出し部が読み出した前記処理領域から前記第１の解像度変換部より解像度が低い処理パターンを生成する第２の解像度変換部と、
   判定対象である特定の画像のパターンデータである辞書パターンを格納する辞書ファイルと、
   前記辞書パターンを順次読み出し、前記処理パターンと照合するパターン照合判定部と、
   を備える画像認識装置。
2. 前記領域切出し部が１ピッチずつインクリメントして前記第１の解像度変換部からの出力から前記処理領域を読みだす請求項１記載の画像認識装置。
3. 前記領域切出し部のインクリメントのピッチが前記処理パターンの１画素分より小さい請求項２記載の画像認識装置。
4. 前記パターン照合判定部が二乗誤差法により前記処理パターンと前記辞書パターンとを照合する請求項１記載の画像認識装置。
5. 前記領域切出し部が前記第１の解像度変換部からの出力から１ピッチずつインクリメントして処理領域を読みだし、
   前記照合判定部が前記辞書パターンと前記処理パターンとが照合すると判定するまで、領域切出し部のインクリメント及び前記処理領域の読みだしと、前記第２の解像度変換部の処理パターンの生成と、前記パターン照合判定部の照合とを繰り返すことを特徴とする請求項１記載の画像認識装置。
6. 前記辞書ファイルが判定対象である特定の画像のメンバ関数である辞書パターンメンバ関数を格納し、
   前記パターン照合判定部が前記辞書パターンメンバ関数を順次読み出し、前記処理パターンとファジィ推論により照合する請求項１記載の画像認識装置。
7. 前記辞書ファイルが、特定画像毎に画素毎のメンバ関数を格納する請求項６記載の画像認識装置。
8. 光学的方法によって取り込んだ画像を電気信号に変換して出力する画像読取部と、
   画像読取部からの信号をアナログ／ディジタル変換して出力するＡ／Ｄ変換部と、
   二値化された画像データの解像度を低くする第１の解像度変換部と、前記第１の解像度変換部からの出力から処理領域を読みだす領域切出し部と、前記領域切出し部が読み出した前記処理領域から前記第１の解像度変換部より解像度が低い処理パターンを生成する第２の解像度変換部と、判定対象である特定の画像のデータである辞書パターンを格納する辞書ファイルと、前記辞書パターンを順次読み出し、前記処理パターンと照合するパターン照合判定部と、を備え、入力画像に特定の画像が含まれているかを判定する画像認識装置と、
   前記画像認識装置からの判定結果によって前記画像読取部の動作を制御する制御部と、
   を備える画像読取装置。
9. 前記パターン照合判定部が特定の画像が入力画像に含まれていると判定したとき、前記制御部が前記画像読取部の読み取りを阻止するように制御する請求項８記載の画像読取装置。
10. 前記辞書ファイルが判定対象である特定の画像のメンバ関数である辞書パターンメンバ関数を格納し、
    前記パターン照合判定部が前記辞書パターンメンバ関数を順次読み出し、前記処理パターンとファジィ推論により照合する請求項８記載の画像読取装置。
11. 前記辞書ファイルが、特定画像毎に画素毎のメンバ関数を格納する請求項１０記載の画像読取装置。
12. 第１の解像度変換部が二値化された画像データの解像度を低くし、
    領域切出し部がこの二値化された画像データから処理領域を読みだし、
    第２の解像度変換部が、前記領域切出し部が読み出した前記処理領域から前記第１の解像度変換部より解像度が低い処理パターンを生成し、
    パターン照合判定部が、判定対象である特定の画像のパターンデータである辞書パターンを格納する辞書ファイルから、前記辞書パターンを順次読み出し、前記処理パターンと照合する画像認識装置の画像認識方法。

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