JP2559359B2 - 画像の構造記憶方法及び画像登録装置 - Google Patents

画像の構造記憶方法及び画像登録装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は図面の自動入力に係り、特に直線,曲線,文
字,記号,塗りつぶし面等を含んだいわゆる一般の図面
を計算機のデータベースに登録するのに好適な図面画像
の構造記憶方法及び画像登録装置に関する。
〔発明の背景〕
図面情報をデータベース化し、高度利用を図りたいと
の要求が増えており、こうした要求に対して、図面を画
像フアイルとして光デイスクへ登録し、必要に応じて取
り出し表示するシステムが開発されている。しかしこう
したデータベース化は図形の部分修正や図面中の内容に
応じた検索など高度な利用には不向きである。そうした
利用に対しては図面を線図形として表現し、構造化して
おく必要がある。従来、図面から図形情報を構造化して
記述する作業は人手に頼つており、デイジタイザを用い
るのが一般的であつた。しかしながら図面から情報を入
力する作業は単調であり作業量も膨大である。
こうした背景から図面の自動入力が強く要望されてい
る。ところが従来の図面入力技術は図面に対して線の方
向を水平,垂直,斜め45゜に限定したり、筆記具のペン
先の太さを指定したり、記入された記号の種類を限定し
たりする制約があり、一般の図面に適用できるものでは
なかつた。
〔発明の目的〕
本発明の目的は一般の図面を画像として入力し、自動
的にその図形構造を計算機の扱える形態のデータとして
記述する方法及びそのデータを格納して画像の登録を行
なう装置を提供することにある。
〔発明の概要〕
かかる目的を達成するために、本発明では対象とする
図面を光電変換装置によりまずデジタル画像としてメモ
リへ取込む。この画像に対して、画像はすべて線状パタ
ーンから構成されると見なして、この線状パターンを分
岐点で自動的に分割し、分割単位ごとに線幅と線径路デ
ータで自動的に記述する。一方図面の中には実際には面
状部もあるので、次に図形の幅の値に基づいて画像中か
ら面状部を自動的に分離し、この分離した部分の画像に
ついて孤立した図形単位ごとに輪郭線データで記述する
ことを特徴とする。
本発明では図面入力という問題に対して、図面を線と
面との構造で記述することを主眼としてとられており、
2値図形とし描かれた図面に対して汎用性がある。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の一実施例を図を用いて説明する。
なお、図形構造を計算機の扱える形態のデータとして
データベースに登録又は記憶又は記録することを、明細
書中では「記述する」として発明を説明する。
第1図は本発明の全体構成図であり、後で説明する。
第2図は対象とする図面の画像の例である。この画像20
1は2値画像であり、図中白部分が“0",黒部分が“1"の
値をとるものとする。この画像中には各種の図形要素が
混在している。すなわち、直線要素202,曲線要素203,数
字要素204,細線要素205,太線要素206,塗りつぶし面要素
207などである。
本発明ではこうした多くの要素を含む複雑な画像を線
状部と面状部の2つの図形要素に大分類し、前者は線径
路とその線幅デーで記述し、後者はその輪郭線データで
自動記述する方法及びそれらのデータを格納して画像の
登録を行なう装置を提供する。
まず画像を、その中の要素すべて線状パターンである
と見なして記述する。線は分岐点を分割点として、小単
位の線で記述する。以下(1)線経路の自動記述、
(2)線幅の自動記述の順で内容を説明する。尚説明に
あたり(1)については、第3図の骨格線画像、第4図
の線追跡方法の説明図、第5図の線追跡方法の流れ図、
第6図の画像メモリのビツト配置図、第7図の追跡方向
の定義図、第8図の線追跡の詳細説明図を参照する。又
(2)については、第8図の距離変換の例と、第9図の
倍精度距離変換の例を参照する。
(1)線径路の自動記述 画像中の線図形には線幅がありこれから線径路を求め
るのは手続きが複雑となりすぎる。これを容易にするた
めに、まず細線化処理を施こす。第3図は第2図の画像
に対して細線化処理を施した例であり、線幅が1になつ
ている。図中図形要素301〜307は第2図の細線化前の画
像の図形要素201〜207に対応している。こうした細線化
処理により求めた幅1の骨格線画像の径路を追跡処理に
より求める。線径路の記述データ形式としては線を折線
で近似したのち、その折線部の頂点の座標点列で記述す
るのが一般的であるが、ここで実施例で説明するデータ
形式は、線Lの追跡開始点座標(xS,yS),線上の点の
追跡方向を表す8方向チエーンコードCi(3ビツト表現
されるものであり、第7図に示したような45゜きざみの
方向)とを用いて次のデータ形式で表わす。
L=((xS,yS)(C1,C2,…Cn)) …(1) 以下この線追跡処理を述べる。まず全体像を述べる。
線追跡処理は以下の3ステツプからなる。尚、説明文中
ノードとは端点又は分岐点を指し、追跡開始点となりう
る点である。この他の点はエツジを呼ぶことにする。
又、カウンタとは各ノード毎に存在し、そのノードから
出ているエツジの何本が追跡済であるかを示す線追跡用
ワークカウンタのことであり、初期値は0である。また
ラベルは着目する点のまわりの分岐の数であり、あらか
じめ計算しておく。
〔ステツプ1〕ノード探索処理 図形中の未探索ノードを見つける。もし無ければ終
了。有ればステツプ2へ。
〔ステツプ2〕エツジ追跡処理 見つけたノードから未追跡のエツジをたどつて次のノ
ードまで追跡する。(尚、この追跡処理により追跡済と
なったエツジには順次追跡済フラグを立てて、まだ追跡
されていないエツジと区別できるようにする。もちろ
ん、この処理に入る前は追跡済フラグは立てられていな
い。
〔ステツプ3〕カウンタ更新処理 行先ノードのカウンタを1更新する。
自分のノードのカウンタを1更新する。
もし自分のノードのカウンタの内容が自分のノードに
おける分岐の数(あらかじめ計算してラベル付けしてあ
る)以上になつた場合、ステツプ1へ行く。そうでない
場合ステツプ2へ行く。
第4図は以上の処理を模式図で示したものである。図
で示すようにノード探索処理は画像をテレビジヨンの走
査と同じラスタ走査を用い、未処理ノード(カウンタの
内容がそのノードの分岐の数より小さいノードのこと)
を見つけるまで連続して走査し、一旦見つけるとそのノ
ードから未追跡エツジの数だけ追跡する。例えば第4図
のノードN1は最初に発見されるノードであり、分岐の数
は3であるので分岐の数を表わすラベルは3となつてお
り、3本の線が追跡される。それの追跡は例えば−180
゜の方向から半時計廻わりに調べて最初に見つけた線か
ら順次行なわれる。エツジの追跡が終了すると自分のノ
ードのカウンタを更新するとともに追跡先のノードのカ
ウンタも更新しておく。以上の処理によりノードN1
は、線L1,線L2,線L3が順次追跡される。次にノードN1
次のアドレスから(ラスタ走査の上で次の走査となる
点)からラスタ走査を再開する。そうすると次にノード
N2が求まる。ノードN2は分岐の数は3であるが、既にノ
ードN1からのエツジ追跡により線L3の行先ノードとなつ
たため、カウンタが1となつており、したがつて残り2
本の線を追跡する。線L3の点列には追跡済フラグが立て
いるのでこの結果未追跡の2本の線L4とL5が求まる。以
上のようにしてラスタ走査が終了すると、ノードを持っ
た線がすべて追跡されることになる。ところが閉曲線の
図形はノードがなく、全てエツジで構成されている線分
は求まらない。そこで次に2回目のラスタ走査を行ない
未追跡のエツジを見つける。そして見つけた未消去エツ
ジを追跡開始点として、エツジ追跡を行ない、追跡開始
点に戻るまで続行するこのようにしてラスタ走査が終了
すると図形中のすべての線が求められる。尚ここでは処
理を単純化するために2回の走査を用いたが、1回の走
査で処理を行なうには未追跡のエツジ又はノードを発見
して、追跡を開始し、元へ戻つたら開曲線そうでなけれ
ば開曲線として処理すれば良い。
第5図は以上述べた処理を流れ図で表わしたものであ
る。ここに図中ボツクス501はノード間のエツジ追跡処
理であり、この処理は第8図を用いて詳細に説明する。
その前に実際の処理に必要となる画像メモリの各画素の
ビツト配置列を第6図に示す。その内容は、骨格線の有
無を表わす「P」が1ビツト、分岐の数を表わす「LABE
L」が3ビツト、追跡中のワークカウンタを表わす「COU
NT」が3ビツト、追跡済を表わすフラグ「F」が1ビツ
トの合計8ビツトである。
第8図において実線の正方形で示した例で画像中の骨
格線部分の1つを示す画素点列であるとする。今追跡開
始点を図中の801とし、その座標が(10,20)であるとす
る。図中骨格線を表わす画素点列の内部の数字“1",
“2"は各画素における8ビツトデータの1部「LABEL」
(第6図参照)の値である。すなわち着目したそれぞれ
の画素において、その画素が周囲の8画素の中の何画素
の骨格線と連結しているかを示しており“1"は端点、
“2"はエツジであることを意味する。エツジの追跡は3
×3画素の大きさの移動マスクをエツジに沿つて移動さ
せながら行なう。第8図中、点線の正方形が移動マスク
の移動の状態を表わしている。まず移動マスクを追跡開
始点801が中心点となるような位置811に位置決めする。
このマスク上で未追跡エツジの点が、中心点をめぐる周
囲の8点のどの位置にあるかを調べる。この図の場合は
点802が第7図で示す“7"の方向にあるので、最初の追
跡コードすなわちチエーンコードを7とする。そこで次
に811に位置決めしていた移動マスクをこの点802に中心
がくるように812の位置に移動する。そしてこの位置で
点802からみた次の追跡点803の方向を調べる。その方向
を求める手順は次の通りである。まずその前に求まった
方向(チエーンコード)7にmod8計算で5を加える値す
なわち、mod8(7+5)=4を求める。第7図に示すよ
うに方向4は点802に左隣りの方向である。812で示す3
×3マスク内において、この左方向から反時計方向に未
追跡エツジを探索する。すなわち方向7に点803が求ま
る。そこで次のチエーンコードを7とする。このように
移動マスクを移動させながら追跡を続ける。すなわち、
前回追跡した方向をCi-1とすると次の追跡点はmod8(C
i-1+5)の方向から反時計方向に調べて最初に検出し
た未追跡エツジ点となり、その方向が次の方向となる。
以上述べた方法でノード801から次のノード804までを追
跡すると図に示したように線径路の記述結果すなわちこ
の例では、 ((10,20)(7770000111)) が得られることになる。
(2)線幅の自動記述 前述の細線化処理によつて、線幅の情報が失われる。
例えば第3図の図形要素305と306は第2図の205,206に
対応し、互いに線幅の異なる線であるが、細線化された
この第3図からはその違いは読みとれない。そこで第2
図のような原画の情報に基づいて線幅を求めることと
し、その情報により原画の正確な記述をめざす。まず今
骨格線上の点列を{Pi}とし、線幅は骨格線上の点列に
おける平均幅を用いる。骨格線上の点Piでの線の幅をdi
とすると一つの線の幅dを次式で求めることができる。
図形の骨格線上の点での線の幅を求める方法の1つの
例として距離変換の応用を適用する。今、デイジタル画
像上の2点Pi(i,j),Qi(h,k)の間の距離liを次の
(3)式で定義することにする。
li((i,j),(h,k))=|i−h|+|j−k| …(3) この(3)式は街区画距離と呼ばれるものである。点
Pi(i,j)を骨格線上の1つの点とし、点Qi(h,k)をそ
の点Piの、背景に接する最も近傍の点とするとその点Pi
での線幅diは距離liのほぼ2倍すなわち(4)と考えて
良い。
di=2li …(4) この街区画距離は距離変換により求まるのは公知であ
るが、簡単に説明しておく。まず画像をテレビジヨンと
同じラスタ走査を施し、次の(5)式を実行する。
ここにP(i,j)は点(i,j)における画素の値であ
り、iは横方向走査のアドレス,jは縦方向走査のアドレ
スである。この式の意味は(5)式により点(i,j)の
値をP(i,j)からP1(i,j)に変換することである。
次にこの結果画像P1に対して、テレビジヨンのラスタ
走査方向と逆向きに走査して、次の(6)式を実行する
と得られた画像の値が距離変換値となる。
P1(i,j)=min(P1(i,j),P1(i+1,j) +1,P1(i,j+1) …(6) 第9図はこの変換を実施した例であり、アルフアベツ
トDの画像を対象としている。この図で丸印901は細線
化した時の骨格線の点列である。図中数字は距離変換値
であり、骨格線上の距離変換値を2倍したものがその線
幅と見なされる。この方法によれば容易に線幅が求まる
が、記述精度の観点からは、線幅の偶数値と奇数値の正
別がつかないので難点である。すなわち線幅dが3であ
つても4であつてもlが2であり、これを2倍した値は
4となる。忠実に幅の値を計測するために本発明ではさ
らに倍精度型距離変換を提案している。デジタル画像上
の骨格線は必ずしも、線の中央を通るとは限らない。線
幅が偶数の場合は、例えば垂直線の場合、左右のどちら
かにずれることになる。また同様に水平線の場合、上下
のどちらかにずれることになる。今、細線化処理の特性
が、偶数のとき右下にずれる特性を持つていると仮定す
る。2×2のマスクで(6)式の出力の画像を切出す。
すなわちこれを行列 とすると の演算を施しdを置換する。たとえば、 のとき、d′=3,また のときd′=4である。以上の処理は、具体的には、
(6)式を実行して得られた出力画像の値、すなわち、
距離変換値に対してラスタ走査を施し、次の(7)式を
実行することに相当する。
第10図は第9図の画像に対して(7)式を実行させた
結果である。なお、(6)式で得られる骨格線上の距離
変換値は、線幅の1/2を示すが、(7)式で得られる骨
格線上の距離変換値は倍精度型距離変換によるものなの
で、得られた距離変換値そのものが線幅を表し、偶数値
と奇数値の線幅の違いをも表現する。この画像{P2}は
既述の線追跡処理の前にあらかじめ計算しておき、追跡
の途中で画像{P2}を参照して、線の平均の幅を求める
ようにすると効率が良い。
以上をまとめると線状部の記述データは次式のL′=
((d)(xS,yS)(C0,C1,…Cn)) …(8) ものが、自動的に得られることになる。またそれぞれの
線は分岐点を単位として分割して記述されるため操作性
の良いデータが得られる。しかも線は幅が覚えられてい
るため、幅別に線を編集することもできる。
面状部の記述方法 以上述べた線状部の記述だけでは、入力画像の記述と
して不十分である。第3図の図形要素307は第2図の207
の塗りつぶし面であるが、この第3図上では単なる線上
の1つの点になつている。その形状が記述されているこ
とが望ましいが、前述の記述方法ではそれが不可能であ
る。ここでは面状部の自動記述方法を提供する。面状部
は画像として切出し、それを輪郭線データで記述する。
輪郭線データは次の形式とする。
C=((xS,yS)(C1,C2,…Cn)) …(6) ここに(xS,yS)は輪郭追跡の開始点座標,Ciは追跡方
向のチエーンコードである。
(1)面状部の分離 画像から塗りつぶし面を切り出す一つの方法は図形の
幅が一定値以上であることを利用するのが一つの方法で
ある。一般に図面はある幅以下の鋭筆で書かれるとする
と、それ以上の太さの図形はその鉛筆で書く限り、塗り
つぶし作業が入らざるを得ない。最も簡単な面図形の抽
出は画像処理でよく使用される収縮膨張演算を用いる方
法である。すなわち図形をある幅だけ収縮させると、線
幅の小さい線状部は消滅する。次に残つた面状部のパタ
ーンを同じ幅だけ膨張させて面状部を切出す。通常画像
の収縮,膨張演算は3×3マスクで画像を切出してその
中の画素群の論理積,論理和の値で着目画素を置き換え
る処理で行なえる。第11図は第2図に対して、以上の処
理を施した結果である。この結果によれば、原画の「黒
玉」の塗りつぶし面207が「黒角」の塗りつぶし面1107
となつており、原画の形状を保存していない。そこで本
発明では形状保存の面分離法を提供する。
収縮演算は前述と同じであるが膨張演算についてAND
条件付膨張演算を定義する。すなわち(10)式を画像全
面にわたり実行し、こうした処 P4(i,j)={VP3(i+k,j+l)}ΛP(i,j) …(1
0) k=−1,0,1 l=−1,0,1 理を収縮回数と同回数行なう。尚P(i,j)は原画であ
り、P3は前回の膨張結果画像とする。この膨張処理によ
り、原画に存在する領域を切り出すことができるので形
状を保存することができる。
第12図はこの方法による面抽出結果であり図形の形状
が保存されている。
(2)輪郭線データによる記述 2値図形の輪郭線データの求め方は完全に解析されて
おり、公知技術であるのでここは省く。
以上述べた方法により面状部の記述が行なえることに
なる。こうして記述された、線状部、及び面状部のデー
タから画像を復元することは容易である。
次に以上述べた方法の回路構成を示す。第1図は本発
明の全体構成図である。画像メモリ101は入力画像が格
納されており、2値画像が入つているものとする。画像
120はまず細線化回路102により幅1の骨格線画像121に
変換される。次にこの画像について、分岐の数等を算出
してラベルの値として出力するラベル計算回路103へ送
る。このラベル計算回路では着目画素の周囲8画素の骨
格線の点の数を計算する。こうして得られたラベルの値
と骨格線画像121を、第6図の画像形成とした画像122を
線画像メモリ104へ格納する。この時の画像データ形式
は既述の第6図のようになる。尚、この場合追跡済フラ
グ「F」とカウンタ「COUNT」の値は0である。
一方画像120は幅計算回路105に入力され、既述の
(5),(6),(7)式の倍精型距離変換により、骨
格線上の幅の値を計算し、それを幅画像124として幅画
像メモリ106へ格納する。
線追跡回路107は線画像メモリの内容123と幅画像メモ
リの内容125を参照して、既述の線追跡方法に基づい
て、線幅と線径路データ126を求め、これを線記述デー
タメモリ108へ出力する。
又面状パターンの記述のためにまず画像120は面分離
回路109で形状を保存した面状パターンが切り出され、
面画像127が面画像メモリ110へ格納される。次に輪郭線
追跡回路111は、この面画像メモリの内容128に基づい
て、輪郭線を追跡し、輪郭線データ129を面記述データ
メモリ112へ格納する。
以上の結果、2値画像を入力して、自動的に線記述と
面記述のデータが得られることになる。
以上、実施例によれば、線幅が忠実に記述され、しか
も線径路はすべて追跡されるとともに、面状部について
は自動的に保存されたまま分離され輪郭データとして記
述される。
以上実施例で述べたように、本発明では入力画像を単
純に線状パターンと面状パターンの二つに分離してそれ
ぞれについて記述するのではなく、まず画像はすべて線
状パターンであると見なして線の径路で記述し、次に面
状部のみを分離してそれを輪郭線データで記述してい
る。この方法の利点として次の点があげられる。線状
パターンの途中に面状パターンが重ねて描かれていて
も、線状パターンの径路がとぎれることがない。面分
離処理に誤ちがあつて、線状パターンを面状パターンと
判定したとしても、面状パターンの記述データを消去す
る操作で簡単に訂正できる。記述データの形式は、画
像の再生表示として観点からは各線について線幅の情報
をもつているので、図面中の太線や細線を区別して表示
したり、輪郭線データを併用して、元の画像に近い画像
を再生することが可能となる。記述データは線の交差
する部分で小単位に分割されており、図形データの操作
性が良い。
〔発明の効果〕
本発明によれば、図面のごときほぼ2値画像として取
り扱えるものについては、多くの図形要素が混在して書
かれていても、それらすべてを線状部もしくは面状部と
して大分類し、それぞれ2つのデータ形式で記述するた
め、汎用の図面読取り方法の技術を提供できる。また線
状部は線幅も記憶しており、線の太さでデータを分類す
ることが可能である。さらに、線は分岐点で分割されて
おり、図形の編集時の操作性が良く、記述結果のデータ
構造はデータベースとして構築するのに都合が良い。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の構成図、第2図は複雑な画
像を示す図、第3図は骨格線画像を示す図、第4図は線
追跡方法の説明図、第5図は線追跡方法の流れ図、第6
図は線追跡時に使用する画像メモリビツト配置図、第7
図は追跡方向の定義を示す図、第8図は線追跡の詳細説
明図、第9図は距離変換を示す図、第10図は倍精度距離
変換を示す図、第11図は面分離を示す図、第12図は本発
明の形状保存型の面分離を示す図である。 101……画像メモリ、102……細線化回路、103……ラベ
ル計算回路、104……線画像メモリ、105……幅計算回
路、106……線画像メモリ、107……線追跡回路、108…
…線記述データメモリ、109……面分離回路、110……面
画像メモリ、111……輪郭線追跡回路、112……面記述デ
ータメモリ、501……エツジ追跡処理部、901……骨格線
点列、1207……面抽出画像。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−104168(JP,A) 特開 昭59−5387(JP,A) 特開 昭59−123961(JP,A) 電子通信学会技術研究報告RPL78− 87(昭54−3−29)P.73−80

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】図面を光電変換して2値の量子化画像とし
    て取り込み、 上記2値の量子化画像中、一方の値をとる図形要素をす
    べて線状部とみなして細線化処理を行い、細線化処理を
    して得られた骨格線上の点に対して、端点または分岐点
    を追跡開始点として他の端点または分岐点に達するま
    で、および骨格線上の所定点を追跡開始点として当該所
    定点に達するまでを一つの線単位として線追跡処理を行
    い、上記追跡開始点の座標と上記骨格線の連結状態を示
    す情報とを線経路データとして上記線単位ごとに記憶
    し、 上記細線化処理をして得られた骨格線上の点と、上記2
    値の量子化画像中、他方の値をとる背景に最も近く接す
    る点までの距離から、上記骨格線上の点における線幅を
    求め、上記線単位の線幅の平均値を線幅データとして記
    憶し、 上記2値の量子化画像中、一方の値をとる図形要素に対
    して、一定の幅以上の図形要素を面状部として分離抽出
    し、抽出した図形要素に対して輪郭線追跡処理を行い、
    その輪郭線データを抽出した図形要素ごとに記憶する ことを特徴とする画像の構造記憶方法。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項において、上記骨格
    線上の点と上記背景に最も近く接する点までの距離から
    求められた線幅は、2×2画素のマスク処理を用いて倍
    精度に補正されていることを特徴とする画像の構造記憶
    方法。
  3. 【請求項3】図面を光電変換して2値の量子化画像とし
    て取り込み記憶する画像メモリと、 上記2値の量子化画像中、一方の値を取る図形要素をす
    べて線状部とみなして細線化処理を行い、細線化処理を
    して得られた骨格線上の点に対して、端点または分岐点
    を追跡開始点として他の端点または分岐点に達するま
    で、および骨格線上の所定点を追跡開始点として当該所
    定点に達するまでを一つの線単位として線追跡処理を行
    い、上記追跡開始点の座標と上記骨格線の連結状態を示
    す情報とを線形路データとして上記線単位ごとに求める
    手段と、 上記細線化処理をして得られた骨格線上の点と、上記2
    値の量子化画像中、他方の値をとる背景に最も近く接す
    る点までの距離から、上記骨格線上の点における線幅を
    求め、上記線単位の線幅の平均値を線幅データとして求
    める手段と、 上記線形路データおよび上記線幅データを上記線単位ご
    とに記憶する線記述データメモリと、 上記2値の量子化画像中、一方の値を取る図形要素に対
    して、一定の幅以上の図形要素を面状部として分離抽出
    し、抽出した図形要素に対して輪郭線追跡処理を行い、
    その輪郭線データを抽出した図形要素ごとに求める手段
    と、 上記輪郭線データを抽出した図形要素ごとに記憶する面
    記述データメモリとを備えたことを特徴とする画像登録
    装置。
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