JPH0385686A - パタン正規化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は１パタン認識において文字１パタンの形状を正
規化する１パタン正規化装置に関する。

〔従来の技術〕

１パタン認識の中でも重要分野の１つである文字認識は
、一般に前処理、特徴抽出、識別および後処理の４つの
プロセスに大別される。前処理では入力される文字画像
に対して、雑音の除去や形状の正規化を行い、特徴抽出
においてはマスク処理２輸郭トレースおよび射影等の画
像処理手法を用いて、交点・端点といった特徴点やスト
ロークの配置および濃度分布等に依存した特微量を求め
る。次に、特微量を成分として構成される特徴ベクトル
と、各カテゴリに対応した特徴ベクトルとのマツチング
によってカテゴリを識別し、最後に後処理として識別結
果の確認を行う。

文字認識の難しさの要因の１つとして、同じカテゴリに
属する文字パタンの形状の多様性がある。

これは特に手書き文字やマルチフォントの印刷文字にお
いて顕著に現れる問題であり、これを解決するために既
にいくつかの方式が提案されている。

これらの方式のうち大部分のものは、形状に対しである
正規化基準を設け、その上で最適化がなされるように前
処理プロセスにおいて変形を行うものである。例えばＧ
、ネイギーとＮ、ツォンにより、「手書き数字に対する
正規化方法（ＮｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｉ
ｑｕｅ　ｆｏｒ　Ｈａｎｄｐｒｉｎｔｅｄ　Ｎｕｍｅｒ
ａｌｓ）　Ｊ　と題して、Ａｓ５ｏｃｉａｔｉｏｎ　ｆ
ｏｒ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　ＭａｃｈｉｎｅｒｙのＣｏ
ｍｍｕｎｉ−ｃａｔｉｏｎ、Ｖｏｌ、１３．Ｎｏ、８（
１９７０）の４７５ページから４８１ページに掲載され
た論文においては、手書き数字に対して外接矩形を求め
、これが一定の形状となるような変形を行い形状を正規
化している。また浮雲、田中により「階層的な位置ずれ
補正処理に基づく手書き漢字認識」と題して、電子情報
通信学会の研究会（資料番号ＰＲＵ８７−１０４゜１９
８８年２月）に発表された論文においては、手書き漢字
に対して、ストロークの間隔が均等化されるようにスト
ロークの位置の補正を行う方式を提案している。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上の１パタン正規化の方式においては、正規化基準に
対する最適な変形が一定の処理により求められるため、
処理量の面からみても効率的である。

どのような正規化基準を設ければよいかという問題は、
特徴抽出や識別のアルゴリズムにも影響を与え、また認
識の対象にも依存することから、これを決定するのは非
常に難しい。しかも文字ごとに基準が変化することも考
えられ、一般には設定される基準によっては、−窓処理
によって最適な− 変形を求めることは困難であり、そり場合に反復収束計
算が必要であると考えられる。

本発明の目的は、最適化計算手法を用いて幾何学変換を
反復することにより、更に汎用性の高い形状正規化装置
を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の装置は、１パタン認識処理における入力１パタ
ンと参照パタンとからそれぞれの特徴抽出を行って得ら
れる特徴ベクトル間の距離が最小となるように入力１パ
タンに対する幾何学変換を実行する１パタン正規化装置
において、与えられた変形パラメータに従って入力１パ
タンに対する幾何学変換を実行して変形パタンを求める
幾何学変換部と、この幾何学変換部で求めた変形パタン
に対し特徴抽出を行い変形パタンの特徴ベクトルを求め
る特徴抽出部と、個々の参照１パタンに対しあらかじめ
特徴抽出を行って得られる参照パタンの特徴ベクトルを
貯えておく辞書と、前記変形パタンの特徴ベクトルと前
記参照パタンの特徴ベクトルとの間の距離を計算する計
算部と、この距離計算部で計６一 算する距離の値を最小とする前記変形パラメータの値を
求め、最適化されるまでの反復処理の制御を行う制御部
と、前記各参照パタンごとに最小化された前記距離の値
を貯えてソーティングを行って値が最小のものから順に
上位候補として出力するソータとを含むことをにより、
また前記特徴抽出部は、前記変形パタンに対し細線化処
理を行う細線化処理部と、この細線化処理部から出力さ
れる細線化パタンに対して、局所フィルタリング処理を
実行して得られる値を特徴ベクトルの要素として出力す
る局所フィルタリング処理部とを含むことにより、また
前記幾何学変換部は、前記変形パラメータが水平方向に
関するパラメータと垂直方向に関するパラメータとの２
種類から構成され、水平方向または垂直方向または両方
向に関する幾何学変換を実行して変形パタンを求める幾
何学変換部で、前記制御部は、最適化のための反復処理
を２つのフェーズに分解し、一方のフェーズにおいては
前記変形パラメータのうち水平方向に関するパラメータ
のみを更新し、他方においては垂直方向に関するパラメ
ータのみを更新し、両フェーズを１回ずつ実行して１回
の反復とする制御部であることにより構成される。

〔作用〕

本発明のパタン正規化装置は、入力１パタンと参照１パ
タンとから得られるそれぞれの特徴ベクトル間の距離が
最小となるように、最適化計算手法による反復処理を実
行するものであり、入力１パタンの形状が参照パタンに
より近くなるように幾何学変換が繰り返される。入力１
パタンは全ての参照パタンに対して変形され、その結果
得られる距離値が最小のものから順に幾つかを選択し、
上位候補とする。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は本発明の１パタン正規化装置の一実施例を示す
ブロック図である。幾何学変換部１０は、入力１パタン
１００と変形パラメータ１０１との２つを入力とし、変
形パラメータ１０１により与えられる幾何学変換を入力
１パタン１００に対して施した結果を、変形パタン１０
２として出力する。

次に幾何学変換の方法について説明を行う。まず簡単の
ため１次元のパタンの場合を考える。入力１パタン１０
０の変形前のアドレスをｘ　（０≦Ｘ≦Ｍ）、変形パタ
ン１０２のアドレスをｆ（ｘ）ト表す。ここで関数ｆ　
（ｘ）は以下の条件を満たすものとする。

ｆ（ｏ）＝ｏ　　　　　　　　　　　　　　　　　（１
）ｆ（Ｍ）＝Ｍ　　　　　　　　　　　　　　　　　（
２）ｆ　’　（ｘ）≧０　　（０≦Ｘ≦Ｍ　）　　　　
　　　　（３）この３つの条件により、変形パタンは入
力１パタンと同じ大きさを保つ。特に式（３）により、
関数ｆは単調増加となるため、パタンの各成分の順序を
保ちながら変形を行うことができる。例えばｆ　（ｘ）
として、 ｆ（ｘ）＝ａ３ｘ３＋ａ２ｘ２＋ａ、ｘ＋ａｏ　　　（
４）と表される３次関数を用いる場合、Ｘのほかにパラ
メータとしてａ３．　ＥＬ２１　ａｌｐ　ＦＬｏの４個
が必要である。しかし条件式（１）および（２）を代入
すること９− により次の式（５）が得られるため、実際に与えるパラ
メータは２個でよい。このパラメータが、変形パラメー
タ１０１に対応している。

ｆ（ｘ）＝ａ３ｘ３＋ａ２ｘ２ ＋　（１−ａｓＭ２−ａ２Ｍ）ｘ　　　（５）ｆ　（ｘ
）として非線形の関数を用いれば、パタンのある部分の
みを膨張または収縮するといった変形が可能である。

次に２次元の入力１パタンのアドレスを（ｘ　ｒｙ）、
変形パタンのアドレスを（Ｘ、Ｙ）で表ｔ。

上記の条件式（１）〜（３）を満たす関数ｆとｇとによ
り、以下の式（６）、　（７）に従って２次元パタ／の
幾何学変換を実行すると、各方向ごとに独立な変形が行
われる。

Ｘ＝ｆ（ｘ）　　　　　　　　　　　　　　　　　（６
）Ｙ＝ｇ（ｙ）　　　　　　　　　　　　　　　　　（
７）一方、次の式（８）、　（９）のように、他方向の
アドレス値の項を加えると、更に長方形から平行四辺形
への変形や、回転といったことが可能となる。

Ｘ＝ｆ（ｘ）十ｂ−ｙ　　　　　　　　　　　（８）−
ｌ〇− Ｙ＝　ｇ　（ｙ）十ｃ−ｘ　　　　　　　　　　　　（
９）ノ この場合、変形パラメーター０１の個数はＸ方向とｙ方
向とに関して各３個の計６個となる。

以上の変形においては関数ｆ（０）、　ｆ（Ｍ）の値が
一定であるため、第３図（ａ）に示すように、０≦Ｘ≦
Ｍ、０≦ｙ≦Ｎで表される矩形領域のうち両端の成分は
移動することができない。しかし第３図（ｂ）のように
、パタンの外接正方形の外側に背景部分を加えて正規化
処理領域とすれば、パタンの両端の成分も移動すること
ができる。また更に領域によって異なる関数を用いれば
局所的な変形が実現される。

次に特徴抽出部１１は、変形パタン１０２に対して特徴
抽出処理を行い、得られる特徴ベクトル１０３を出力す
る。第２図は特徴抽出部１１の一実施例を示すブロック
図であり、細線化処理部２０は、入力される変形１パタ
ン１０２に対して細線化処理を行う。これにより入力１
パタンと変形１パタンとのストロークの太さの違いによ
って、距離値が増大することがなく、ストロークの骨格
線の重なり具合いを評価することができる。局所フィル
タリング処理部２１は細線化パタンに対して、一定のり
サンプリング点上で局所フィルタリング処理を行い、得
られた値を特徴ベクトル１０３の要素として出力する。

フィルタリング係数としては、例えば以下に示すような
５×５のガウシアンフィルタを用いる。

次に再び第１図を゛参照して本発明の詳細な説明を行う
と、辞書１２は特徴抽出部１１において述べた処理を、
あらかじめ全参照パタンに対して実行して得られる特徴
ベクトルを格納し、制御部１４からの読出し要求信号１
０７に同期して読出し、特徴ベクトル１０４とする。

距離計算部１３は変形１パタンから得られる特徴ベクト
ル１０３と、参照パタンから得られる特徴ベクトル１０
４を入力し、両者の距離値を求め距離値１０５として出
力する。距離としては、例えばＬ１ノルム、 Ｃｉ＝Σ　ａｉ−ｂｉＱＧ またはＬ２ノルム、 ｃｉ−Σ（ａ　ｉ−ｂ　ｉ）２　　　　　　　　　αｐ
等を用いることができる。

制御部１４は、変形パラメータ１０１と距離値１０５と
を入力し、距離値１０５が最小となるような変形パラメ
ータ１０１の値を最適化計算手法を用いた反復処理によ
って求める。求まったならば、その収束値と対応する参
照パタンのカテゴリ番号を信号１０６として出力し、更
に辞書１２に対して読出し要求信号１０７を出力し、次
の参照パタンの特徴ベクトルの読出しを行う。

次に最適化計算手法の１つである最急勾配法に関して説
明を行う。幾何学変換部１０　へ入力する変形パラメー
タ１０１をベクトルｘ＝（ｋｚｋ　２　ｈ　ｋ　ｇ　ｒ
・・・、ｋＬ）で表し、Ｋを与えたときに距離計算部１
３において得られる距離値１０５をＤ　（Ｋ）−１３＝ とすると、以下の■〜■のようになる。

■　Ｋの初期値を与える。

■　ｉ＝１．２，３．・・・、Ｌに対して、ｇ　ｉ　＝
Ｄ（Ｋｉ”）−Ｄ（Ｋ　ｉ　　）　　　　　　Ｑのを求
める。但しベクトルＫｉ＋とＫｉ−とはＫの第Ｖ成分の
みをそれぞれ正の方向と負の方向とにΔ（〉０）だけ変
化させたベクトルであり、次の弐０■のように表すこと
ができる。

Ｋｉ”＝　（ｋｊ”ｌ　ｋｊ”−ｋｊ　Ｕ≠ｉ）、　ｋ
　ｉ＋＝ｋ　ｉ＋Δ）Ｋｉ−＝　（ｋｊ−ｌ　ｋｊ−＝
ｋｊ　（ｊ≠ｉ）、ｋｉ−＝ｋｉ−Δ）（１≦ｊ≦Ｌ）
０３ ■　ベクトルＧ”　（ｇ　ｌ＋　ｇ　２１　ｇ　３＋・
）ｇＬ）とし、 Ｄ’　＝Ｄ　（Ｋ−α・Ｇ／　Ｉｆ　ａ　ＩＩ　）　　
　　　αΦを最小にするような正のスカラ値αを求める
。

■　αが充分に小さくなり、Ｋの値が収束すれば終了。

そうでなければ、 Ｋ４−Ｋ　−ａ　・Ｇ／　ＩＩ　Ｇ　Ｉｆ　　　　　　
　　Ｑ６１として■へ戻る。

ベクトルＧが最急勾配方向を表し、スカシαが更１４ 新量を表す。制御部１４は変形パラメータ１０１と距離
値１０５とを用いて、上述の■〜■を収束するまで繰り
返す。

この方法では、■においてベクトルにの全ての成分が更
新されるため、水平方向に閃する変形と垂直方向に関す
る変形が同時に行われる。しかし■では変分法により、
他方向の変形を行わない状態でパラメータを変動させて
勾配を求めている。

一般に各方向に対する最適な変形の組合せが、両方向に
対する最適な変形になるとはいえない。そこで制御部１
４は、■〜■の反復処理をＸ方向とｙ方向との２つのフ
ェーズに分け、各フェーズで１方向の変形のみに関する
パラメータを更新し、両フェーズを１回ずつ実行して１
回の反復とする。

ソータ１５は、制御部１４から出力される信号１０６を
貯えるメモリと、比較演算器等を含んで構成され、信号
１０６のデータのうち、距離の収束値をメモリ上でソー
トし、その上位候補データを対応するカテゴリ番号と共
に信号１０８に出力する。

ここでは２つの特徴ベクトル間の距離を最小にする装置
として説明を行ったが、例えば距離ではなく類似度を最
大にするような最適化基準を用いる場合も考えられる。

この場合、類似度をＤ　（Ｋ）で表わすと、制御部１４
での最適化反復処理は以下のようになる。

■　Ｋの初期値を与える。

■　ｉ＝１．２，３．・・・、Ｌに対して、ｇ　ｉ　＝
Ｄ　（Ｋｉ”）　−Ｄ　（Ｋｉ−）　　　　　Ｑのを求
める。

■　ベクトルＧ＝（ｇ　ｌ＋　ｇ　２１　ｇ　３．・・
・ｒｇＬ）とし、 Ｄ’　＝Ｄ　（Ｋ−α・Ｇ／ＩＩＧＩＩ）　　　　　Ｑ
４１を最大とするような正のスカラ値αを求める。

■　αが十分に小さくなり、Ｋの値が収束すれば終了。

そうでなければ、 Ｋ　４−に−α・ａ／１ｌａｌｌ　　　　　　　　Ｑ５
１として■へ戻る。

更にソータ１５において収束値を最大値から順にソート
することにより、類似度を最大とするような変形が実現
される。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の１パタン正規化装置を用
いることにより、従来に比べ入力１パタンの多様な変形
に対応することができるという効果を持つ。また最適化
の基準を、特徴ベクトル間の距離の最小化だけでなく、
認識対象に応じて設定することにより、汎用性の高い正
規化処理を実現することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロック図、第２図は第１
図における特徴抽出部の上側を示すブロック図、第３図
（ａ）および（ｂ）は正規化領域内の幾何学変換の例を
示す図である。 １０・・・・・・幾何学変換部、１１・・・・・・特徴
抽出部、１２・・・・・・辞書、１３・・・・・・距離
計算部、１４・・・・・・制御部、１５・・・・・・ソ
ータ、２０・・・・・・細線化処理部、２１・・・・・
・局所フィルタリング処理部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　パタン認識処理における入力パタンと参照パタンと
   からそれぞれの特徴抽出を行って得られる特徴ベクトル
   間の距離が最小となるように入力パタンに対する幾何学
   変換を実行するパタン正規化装置において、与えられた
   変形パラメータに従って入力パタンに対する幾何学変換
   を実行して変形パタンを求める幾何学変換部と、この幾
   何学変換部で求めた変形パタンに対し特徴抽出を行い変
   形パタンの特徴ベクトルを求める特徴抽出部と、個々の
   参照パタンに対しあらかじめ特徴抽出を行って得られる
   参照パタンの特徴ベクトルを貯えておく辞書と、前記変
   形パタンの特徴ベクトルと前記参照パタンの特徴ベクト
   ルとの間の距離を計算する計算部と、この距離計算部で
   計算する距離の値を最小とする前記変形パラメータの値
   を求め、最適化されるまでの反復処理の制御を行う制御
   部と、前記各参照パタンごとに最小化された前記距離の
   値を貯えてソーティング行って値が最小のものから順に
   上位候補として出力するソータとを含むことを特徴とす
   るパタン正規化装置。 ２　請求項１記載のパタン正規化装置において、前記特
   徴抽出部は、前記変形パタンに対し細線化処理を行う細
   線化処理部と、この細線化処理部から出力される細線化
   パタンに対して、局所フィルタリング処理を実行して得
   られる値を特徴ベクトルの要素として出力する局所フィ
   ルタリング処理部とを含むことを特徴とするパタン正規
   化装置。 ３　請求項２記載のパタン正規化装置において、前記幾
   何学変換部は、前記変形パラメータが水平方向に関する
   パラメータと垂直方向に関するパラメータとの２種類か
   ら構成され、水平方向または垂直方向または両方向に関
   する幾何学変換を実行して変形パタンを求める幾何学変
   換部で、前記制御部は、最適化のための反復処理を２つ
   のフェーズに分解し、一方のフェーズにおいては前記変
   形パラメータのうち水平方向に関するパラメータのみを
   更新し、他方においては垂直方向に関するパラメータの
   みを更新し、両フェーズを１回ずつ実行して１回の反復
   とする制御部であることを特徴とするパタン正規化装置
   。