JP4544090B2 - 時系列データの等長圧縮方法 - Google Patents

Description

本発明は時系列データの等長圧縮方法に関し、特に紙幣、有価証券などの紙様媒体を識別する装置に適用され、媒体識別に使用するために取得した時系列センサデータをデータ点数に拘わらず、一律のデータ数へ誤差無く圧縮する時系列データの等長圧縮方法に関する。

紙幣などの紙様媒体を識別する装置では、紙様媒体の搬送方向に対して直角方向にセンサを配置し、媒体搬送を行いながら紙様媒体に印刷されている光学的または磁気的な特徴をセンサにて検出し、検出されたデータを基準データと比較することによってその紙様媒体の金種および真偽を識別するようにしている。

センサにて検出されるデータは、アナログデータで取得されるので、基準データとの比較演算には、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）コンバータにより時系列デジタルデータに変換される。

紙様媒体を搬送する搬送装置は、モータと、このモータによって回転駆動される駆動ローラと、紙様媒体をその駆動ローラに押し付けるよう配置された従動ローラとを有し、紙様媒体を挟持しながら搬送する。センサは、搬送方向に対して直角な方向の紙様媒体の特徴データを検出し、これを搬送装置で搬送しながら搬送方向に走査することにより二次元データを取得している。このとき、駆動ローラが一定速度で回転してもスリップなどにより搬送速度が変動し、また、モータの寿命に伴う特性劣化により速度が変動してしまうことがある。この場合、搬送装置による搬送速度と、センサによる搬送方向の走査周期とがずれてしまい、センサによって検出された時系列データが搬送方向の決められた位置における紙様媒体の特徴データを検出することができなくなる。

そこで、搬送装置による搬送速度とセンサによる搬送方向の走査周期とを同期させるために、駆動ローラの回転速度をエンコーダで検出してセンサの走査周期をフィードバック制御することが行われている（たとえば、特許文献１，２参照。）。あるいは、搬送速度の変動を吸収する別の方法としては、真偽の判定の際に正媒体判定範囲を拡大する、すなわち判定精度を落とすことにより、正媒体の受付性能を確保するとともに、偽媒体の排除性能を確保している。
特開平８−９６２０３号公報（段落〔００１６〕） 特開平１０−９７６６６号公報（段落〔０００９〕，図２）

しかしながら、エンコーダを使用する場合は、速度変動に対する追従性に優れるが、煩雑なフィードバック制御の併用が必要であり、エンコーダ設置による部品コストが高くなるという問題点がある。また、媒体判定範囲を拡大する場合は、受付性能と排除性能とがトレードオフの関係にあるため、媒体判別性能を一定の要求水準内に収めることはできてもそれ以上に改善させることはできないという問題点があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、エンコーダレスかつ判別対象データの再現性向上による判定範囲の適切な最狭化を可能にして媒体識別性能を向上させることができる時系列データの等長圧縮方法を提供することを目的とする。

本発明では上記問題を解決するために、紙様媒体を搬送しながら前記紙様媒体から一定周期のサンプリングにより取得した、取得データ点数Ｙの変動する取得データを、データ点数Ｗが一律のデータに変換する時系列データの等長圧縮方法において、テーブルを参照して、前記取得データの前記取得データ点数Ｙに対応した変換係数Ｍ，Ｎを取得し、前記取得データ点数Ｙの取得データを前記変換係数ＭによりＭ倍してＭ倍長データを求め、前記Ｍ倍長データを前記変換係数ＮのＮ点毎に平均演算して前記データ点数Ｗの圧縮データを求める、ことからなり、前記テーブルは、前記データ点数Ｗに対してＹ×ＭとＷ×Ｎとの誤差が一定水準以内にある取得データ点数Ｙに対応した変換係数Ｍ，Ｎがあらかじめ設定されたものであることを特徴とする時系列データの等長圧縮方法が提供される。

このような時系列データの等長圧縮方法は、Ｙ×Ｍ＝Ｗ×Ｎの変換式に基づいている。圧縮後のデータ点数Ｗに対して変換式の左辺と右辺との誤差が一定水準以内にある変換係数Ｍ，Ｎを取得データ点数Ｙ毎にあらかじめ設定しておいたテーブルが用意されており、取得データ点数Ｙの一定しない取得データを取得した後、テーブルからその取得データ点数Ｙに応じた変換係数Ｍ，Ｎを取得し、次に、取得データをＭ倍して変換式の左辺に相当するＹ×Ｍ点数のデータ長を有するＭ倍長データを求め、それを変換式の右辺のＮで除算することにより、圧縮されたデータ点数Ｗのデータを求める。このとき、各点のデータは、Ｍ倍長データをＮ点間毎に平均演算して求める。これにより、紙様媒体搬送の駆動機器から発生する速度変動によってサンプリングした取得データ点数Ｙが変化しても、常にデータ長が一定の圧縮データが求められる。

本発明の時系列データの等長圧縮方法は、サンプリングした点数が想定される変動範囲内にある一定しない取得データをデータ長の揃った一律点数のデータに変換することができるため、エンコーダレスの搬送装置から得られた速度変動に伴うサンプリング点数可変の取得データでも常に一定の点数のデータに補完できることから、紙様媒体識別装置を低コストで製作することができるという利点がある。

また、搬送速度が変動してもデータの再現性を高めることできるため、正媒体、偽媒体との判定範囲を十分に狭めることができ、低コストかつ高精度な媒体識別装置を製作することが可能となる。

さらに、異なる長さの紙様媒体を同一長の紙様媒体として扱うことが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を、紙幣識別装置に適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明による時系列データの等長圧縮方法の概要を説明する説明図である。

この図１には、紙幣の搬送速度が変動した場合のセンサ出力の変化として、（Ａ）に搬送速度が基準の搬送速度よりも遅く変化した場合、（Ｂ）に搬送速度が基準の搬送速度よりも速く変化した場合を示しており、搬送速度が変動しない基準の搬送速度で紙幣が搬送された場合に得られるセンサ出力の変化を（Ｃ）に示している。

ここで、同一金種の紙幣ならば、得られるセンサ出力の変化は、相似形になる。しかし、搬送速度が遅い側に変動したときは、センサを通過する時間が長くなるので、そのときに一定周期のサンプリングによって得られる取得データのサンプリング点数Ｙ１は多くなり、逆に、搬送速度が速い側に変動したときは、センサを通過する時間が短くなるので、取得データのサンプリング点数Ｙ２は少なくなる。

このように搬送速度の変動によってサンプリング点数が変化することにより、識別対象となっている紙幣上の位置は、サンプリング点数に応じて変化してしまことになる。そのため、紙幣の搬送速度とサンプリング周期とを同期させてサンプリング点数が一定になるようにする必要があったが、本発明では、搬送のたびに変化してしまう取得データのサンプリング点数が常に一定のデータ点数Ｗになるように処理しようとするものである。

なお、サンプリングによって得られた取得データのサンプリング点数は、必ずしも、紙幣を基準の搬送速度で搬送した場合に得られるサンプリング点数にする必要はなく、それよりも少ないデータ点数Ｗにするとよい。このように取得データを固定長のデータに圧縮しておくことにより、紙幣識別に使用するデータは、常に圧縮後の同一時刻Ｔｎ近傍を識別すればよく、しかも、圧縮されているので、識別のためのデータ処理負荷を軽減することが可能になるのである。

次に、以上のようなデータ圧縮処理の概要について説明する。まず、本発明の時系列データの等長圧縮方法の基本的な考え方として、以下のような、等長圧縮の変換式を用いることによって説明することができる。その変換式は、
Ｙ×Ｍ＝Ｗ×Ｎ
で表され、ここに、Ｙは取得データ点数、Ｍ，Ｎは変換係数、Ｗは圧縮後のデータ点数を表している。取得データ点数Ｙおよび圧縮後のデータ点数Ｗは整数であり、変換係数Ｍ，Ｎは変換式を満たすための整数である。なお、ここでは、Ｙ＞Ｗとして圧縮する場合について説明するが、Ｙ＜Ｗとすることにより、取得データを所定の長さのデータに伸張することもできる。

以上の変換式において、圧縮後のデータ点数Ｗを求めるには、変換式の左辺である取得データ点数Ｙと変換係数Ｍとの積を求め、それを変換係数Ｎで除算することによって求めることができる。その場合、取得データ点数Ｙは、紙幣の搬送速度の変動によって変化するので、その取得データ点数Ｙに応じて変換式を満たすように変換係数Ｍ，Ｎを変える必要がある。そのため、本発明では、圧縮後のデータ点数をＷとした場合の左辺および右辺間に生じる誤差が所定の水準（たとえば５）以下になるような、取得データ点数Ｙに対する変換係数Ｍおよび変換係数Ｎの値を計算によりあらかじめ求めておき、取得データ点数Ｙと変換係数Ｍ，Ｎとの対応関係を記録したテーブルを用意している。

データ点数Ｗのデータを求めるときには、サンプリングによって取得データの取得データ点数Ｙが得られると、その取得データ点数Ｙを基にテーブルを参照して、取得データ点数Ｙのときの変換係数Ｍ，Ｎを取得し、次に、取得データ点数Ｙとテーブルから取得した変換係数Ｍとの積を求め、その積をテーブルから取得した変換係数Ｎで除算することになる。

なお、従来の技術と異なる点は、サンプリングによる取得データ点数に無関係に所定の点数毎の固定加算値和を取る固定ブロック和ではなく、サンプリング点数に応じてブロック和の範囲を伸縮する点にある。

次に、データ圧縮処理の具体的な方法について説明する。ここでは、一例として、一定周期のサンプリングによる取得データの取得データ点数Ｙが紙幣の搬送方向の長さの違いまたは搬送速度の変動により１００〜１７０点数の範囲で変化するような紙幣識別装置があったとし、その紙幣識別装置から得られたデータを２４点のデータ点数Ｗのデータへ圧縮する場合について説明する。

ここで、紙幣識別装置から得られた一定周期のサンプリングによる取得データの取得データ点数Ｙが１０４点であったとする。このときの変換係数Ｍ，Ｎは、後述のテーブルを参照することにより、Ｍ＝３，Ｎ＝１３になる。これを変換式に代入すると、変換式の左辺が１０４×３＝３１２、右辺が２４×１３＝３１２となるので、この場合は、左辺と右辺とが等しく、誤差のない変換となる。この圧縮処理は、コンピュータ処理にて実現される。

図２はデータ圧縮処理の手順を説明する説明図である。
センサから出力されたアナログデータは、Ａ／Ｄコンバータにより一定周期のサンプリング処理にて時系列デジタルデータに変換され、取得データ点数Ｙ＝１０４の取得データになる。取得データ点数Ｙが分かることにより、データ点数Ｗ用のテーブルから変換係数Ｍ，Ｎが求められ、コンピュータのメモリ上に、ＹのＭ倍のデータ長を有するＭ倍長バッファとＷのＮ倍のデータ長を有するＮ倍長バッファとＷのデータ長を有する圧縮バッファとが確保される。

次に、１０４個の取得データを先頭から１個ずつ読み出し、Ｍ倍長バッファにＭ個ずつ同一データが入るように格納し、見かけ上のデータ数を拡張する。このようにして３１２個のデータが格納されると、次に、そのＭ倍長バッファに格納されているデータをＮ倍長バッファにコピーする。この場合、Ｍ倍長バッファおよびＮ倍長バッファのバッファサイズが同じなので、Ｍ倍長バッファのデータは、Ｎ倍長バッファに過不足なく格納される。次に、Ｎ倍長バッファのデータをＮ＝１３個を区切りとしてデータを圧縮バッファへ格納する。このとき、それぞれ１３個ずつのデータは、それらの平均値が算出されて圧縮バッファへ格納される。これにより、１０４個の取得データは、圧縮されてデータ長の揃った２４個のデータが生成されることになる。

以上の例では、変換式の左辺と右辺とが同じ値であるが、変換式は整数を扱うことを前提にしており、しかも得ようとするデータ点数Ｗによっては、左辺対右辺が等しくならない場合が存在する。以下、このような場合の処理について説明する。

図３は変換式の左辺対右辺が等しくならない場合の処理の例を示す図であって、（Ａ）はデータ欠損補完処理を示し、（Ｂ）はデータ余剰削除処理を示している。
まず、図３の（Ａ）に示したように、Ｍ倍長バッファのバッファ長がＮ倍長バッファのバッファ長よりも短くなると、Ｍ倍長バッファのデータが欠落することになる。このようになる例として、取得データ点数Ｙ＝１３９、変換係数Ｍ＝２，Ｎ＝７の場合があり、２の誤差が出てしまう。

Ｍ倍長バッファのデータが欠落する場合には、取得データの平均値が算出され、Ｍ倍長バッファのデータはその平均値によって補完される。
逆に、図３の（Ｂ）に示したように、Ｍ倍長バッファのバッファ長がＮ倍長バッファのバッファ長よりも長くなることがある。このようになる例として、取得データ点数Ｙ＝１２２、変換係数Ｍ＝１，Ｎ＝３の場合があり、２の誤差が出てしまう。

Ｍ倍長バッファの余剰のデータが生じたときは、その余剰データは、破棄される。つまり、Ｍ倍長バッファに格納されているデータをＮ倍長バッファにコピーするときに、その最後の２個のデータはコピーされずにそのまま破棄される。

次に、取得データ点数Ｙと変換係数Ｍ，Ｎとの対応関係を示すテーブルについて説明する。このテーブルは、圧縮しようとする圧縮後のデータ点数Ｗをいくつに設定するかによってデータ点数Ｗごとにあらかじめ用意される。そのテーブルは、サンプリングしたデータを取得したときに参照され、取得データ点数がＹ１であれば、それに対応する変換係数Ｍ１，Ｎ１が取得されることになる。

テーブルの作成は、圧縮率（圧縮後のデータ点数Ｗ）と紙幣識別装置により取得される取得データ点数の変動範囲に対して一定水準誤差以下での全ＭおよびＮの解を求めて、テーブル化するという方法で行われる。

一例として、サンプリングにより得られる取得データ点数が１００点〜１７０点においてＭおよびＮの全数に解を持ち、かつ変換式の左辺および右辺の誤差が５以下である解は、Ｗ＝２４，４０，４１，５０，５２，５５，５７として求めることができる。

求めた解からの圧縮後のデータ点数Ｗの選択基準は、使用するコンピュータの演算性能と紙幣識別装置が必要とする処理時間規定、また圧縮後のデータ点数Ｗとしてどれだけの分解能を要求するかを考慮して決められる。

図４はテーブルの一例を示す図である。
この例は、圧縮後のデータ点数Ｗを２４、許容誤差＝５の場合について、取得データ点数Ｗの変動範囲が１００点〜１２０点としたときの変換係数Ｍ，Ｎと誤差とを、上記した方法による計算プログラムを使用して計算した結果である。

以上の実施の形態では、紙幣識別装置に適用した場合を例に説明したが、本発明はその特定の実施の形態に限定されるものではなく、他の紙様媒体の識別装置はもとより、データ点数が変動するサンプリング装置などの用途にも適用できる。

本発明による時系列データの等長圧縮方法の概要を説明する説明図である。 データ圧縮処理の手順を説明する説明図である。 変換式の左辺対右辺が等しくならない場合の処理の例を示す図であって、（Ａ）はデータ欠損補完処理を示し、（Ｂ）はデータ余剰削除処理を示している。 テーブルの一例を示す図である。

符号の説明

Ｙ 取得データ点数
Ｍ，Ｎ 変換係数
Ｗ 圧縮後のデータ点数

Claims (2)

1. 紙様媒体を搬送しながら前記紙様媒体から一定周期のサンプリングにより取得した、取得データ点数Ｙの変動する取得データを、データ点数Ｗが一律のデータに変換する時系列データの等長圧縮方法において、
   テーブルを参照して、前記取得データの前記取得データ点数Ｙに対応した変換係数Ｍ，Ｎを取得し、
   前記取得データ点数Ｙの取得データを前記変換係数ＭによりＭ倍してＭ倍長データを求め、
   前記Ｍ倍長データを前記変換係数ＮのＮ点毎に平均演算して前記データ点数Ｗの圧縮データを求める、
   ことからなり、
   前記テーブルは、前記データ点数Ｗに対してＹ×ＭとＷ×Ｎとの誤差が一定水準以内にある取得データ点数Ｙに対応した変換係数Ｍ，Ｎがあらかじめ設定されたものであることを特徴とする時系列データの等長圧縮方法。
2. 前記Ｍ倍長データがＷ×Ｎに満たないとき、前記Ｍ倍長データがＷ×Ｎになるよう前記取得データの平均値で補完し、前記Ｍ倍長データがＷ×Ｎを越える場合には、Ｗ×Ｎを越えるデータを破棄するようにしたことを特徴とする請求項１記載の時系列データの等長圧縮方法。
   

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