JPH0510712B2

JPH0510712B2 -

Info

Publication number: JPH0510712B2
Application number: JP59249250A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Tsuda; Kenichi Hibino; Hiroshi Shimizu
Original assignee: SHINGIJUTSU JIGYODAN
Current assignee: SHINGIJUTSU JIGYODAN
Priority date: 1984-11-26
Filing date: 1984-11-26
Publication date: 1993-02-10
Also published as: JPS61127076A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、図形、文字などのパターンを認識す
る装置に関するものであり、更に詳述するなら
ば、図形、文字などのパターンを１つの数値で表
すことによりパターンを認識する装置に関するも
のである。

従来の技術従来、一般に行われるパターン認識は、文字や
図形などのパターンから複雑な手順で複数個の特
徴を抽出し、これと予め作成しておいた標準パタ
ーンの特徴群との間で距離計算を行うものが、ほ
とんどである。

発明が解決しようとする問題点しかし、上述した従来のパターン認識は、パタ
ーンの位置や回転角度や縮倍率が変わると、同一
パターンでも異なるパターンとして認識するな
ど、認識可能なパターンの位置や回転角度や縮倍
率が制限されるという問題がある。また、パター
ンの位置や回転角度が変わつても正しく認識でき
るように位置や角度の自由度を与えた場合、従来
のパターンの認識方法は、すべてデジタル的な特
徴計算による方法であるため、平行移動や回転を
修正するための計算処理量が大幅に増大するとい
う問題がある。

そこで、本発明は、パターンの位置や回転角度
に影響されず、且つ複雑な処理を必要としないパ
ターン認識装置を提供せんとするものである。

問題点を解決するための手段本発明の発明者は、上記した目的のために種々
研究し、パターンを１つの数値で表現することを
想到した。そして、パターンの輪郭線の全長δГ
の２倍と当該被認識パターンの凸状包絡線の全長
δCとの比（2δГ／δC）は、パターンごと独特
の値をとることを見出した。ここで、凸状包絡線
は、パターンの輪郭線の外へ突出した角のみを結
ぶ包絡線である。従つて、包絡線は、内へ凹んだ
部分はない。本発明は、かかる知見に基づいてな
されたものがある。

例えば、被認識パターンの輪郭線の全長と当該
被認識パターンの凸状包絡線の全長との比である
指標を求め、記憶してあるパターンデータの指
標と該指標とを照合し、その差がΔ金以内にあ
る記憶してある指標が意味するパターンデータか
ら被認識パターンのカテゴリー分けを実施するこ
とによりパターン認識をすることができる。

いま、第１図ａ，ｂ，ｃ及びｄに示すような人
間、類人猿、四足動物、鳥の４つのパターンの例
に挙げるならば、それぞれのパターンの、上記し
た本発明の方法において活用する指標は、
3.483、3.484、3.7、2.8である。それらを比較す
るならば、差ΔΩをΔΩ⁽¹⁾（＝0.1）以内にとれ
ば、人間の3.483と類人猿の3.484とは、その
差ΔΩがΔΩ⁽¹⁾（＝0.1）の範囲内にあり、同一カ
テゴリー、例えば二足動物に属すると言うことが
できる。一方、四足動物と鳥とは、の差ΔΩ
が、0.1以内にないので、同一カテゴリーの範囲
には属しない、しかし、その差ΔΩの大きさを変
えて、例えば、ΔΩ⁽⁰⁾（＝0.5）とすれば、人間も
類人猿も四足動物も、そのの差は0.5以内に入
り、同一カテゴリー例えば動物に属する。反対
に、その差ΔΩの大きさを小さくして、例えば、
ΔΩ⁽²⁾（＝0.0005）とすれば、人間と類人猿の
の差はその範囲内にはなくなり、両者は別のカテ
ゴリー、例えば人間と類人猿とにそれぞれ属す
る。それ故、差ΔΩを小さくして、被認識パター
ンのを、記憶し蓄積してあると照合すれば、
極めて狭い範囲のカテゴリーすなわちそのものの
名称を知ることができる。

従つて、被認識パターンの指標を求め、その
Ｎとの差ΔΩの範囲を適当に選択することによ
り、その差ΔΩの範囲内にある記憶してある指標
が属するカテゴリーを知ることができ、それによ
り、被認識パターンをカテゴリー分けして認識す
ることができる。

上記したパターン認識に使用している指標
は、人間の大脳の視覚中枢を構成している非線型
特性を有する認識細胞換言すれば非線型振動子全
体の振動周波数にたとえることができる。そし
て、その非線型振動子は、後述するフアンデルポ
ール振動子セルにたとえることができる。

そこで、本発明の発明者は、上記したパターン
認識を実施するに際し、実際にパターンの輪郭線
の全長δГの２倍と当該被認識パターンの凸状包
絡線の全長δCとを求めて、その比すなわち指標
Ｎを計算する代わりに、フアンデルポール振動子
回路を使用して、指標に相当する値を直接求め
ることを想到した。

すなわち、本発明によるならば、被認識パター
ンを２次元ビツトパターンに変換する特徴抽出部
と、２次元格子状にフアンデルポール振動子セル
を配置し隣接する振動子セル間を結合したフアン
デルポール振動子回路と、該フアンデルポール振
動子回路の内の、前記被認識パターンの前記２次
元ビツトパターンにおいて互いに連結したビツト
に対応する複数の振動子セルを選択して動作させ
て、被認識パターンの２次元ビツトパターンの形
状のみに依存する１つの周波数を出力する空間ス
イツチと、前記周波数を、記憶してあるパターン
データの周波数と照合し、その差が所定以内にあ
る記憶してある周波数が意味するパターンデータ
から被認識パターンのカテゴリー分けを実施する
照合部とを具備していることを特徴とするパター
ン認識装置が提供される。

なお、「２次元ビツトパターン」とは、例えば
第２図に示された正方格子点上に並んだ１と０の
集合である（黒丸が１、白丸が０を示している）。
また、ここで「連結」とは、第３図に示すように
１の値を持つ各ビツトに隣接する８方向のビツト
のうち少なくとも一つが同じ１の値を持つことで
ある。

作用以上のような本発明によるパターン認識装置に
おいて、被認識パターンの２次元ビツトパターン
において互い連結したビツトに対応する複数の振
動子セルを選択して動作させたとき、被認識パタ
ーンの２次元ビツトパターンの形状のみに依存す
る１つの周波数で振動する引き込み効果が発生す
る。その引き込み効果による周波数を空間スイツ
チがフアンデルポール振動子回路から抽出した照
合部に出力する。そして、その照合部は、周波数
差が所定範囲内にある記憶してある周波数が意味
するパターンデータから被認識パターンのカテゴ
リー分けを実施して、その結果、非認識パターン
を識別乃至特定することができる。

以上のようなパターン認識装置にあつて、第４
図のように２次元格子状に配置されたフアンデル
ポール振動子セルのうち、ビツトパターンの値１
に対応する振動子セルを選択し、選択された各振
動子セルにビツトパターン上で隣接する値１のビ
ツトの個数に比例した固有周波数を与え、さらに
隣接する振動子セルの間に、例えば速度の差に比
例する抵抗の形で相互作用を与えて動作させる
と、引き込み効果によつて動作開始から10周期程
度の時間の後、各振動子セルは同一の周波数で振
動するようになる。この周波数を計測してビツト
パターンに対応する周波数として出力する。

この周波数は、入力されたビツトパターンの形
状だけに依存し、パターンが90°、180゜、270゜のい
ずれかの回転をしている場合や、左右が入れ代わ
つている場合、あるいは平行移動をしている場合
にも変化しない。

このように処理計算の中心部をアナログ回路に
よつて処理することにより、計算動作が、平行移
動や回転などの自由度の増加に影響されず、0.1
〜0.2ミリ秒以内で処理が可能である。また、パ
ターンを記憶あるいは転送する場合についても、
各パターンが一つの周波数に圧縮できることか
ら、必要な記憶容量あるいは転送容量を小さくす
ることが可能である。

実施例以下、添付図面を参照して、本発明による方法
の実施例を説明する。

まず、フアンデルポール振動子回路の詳細につ
いて説明する。

(a) フアンデルポール振動子セルについて力学的な変位や電気回路における電圧の変位な
どの大きさをｘで表すとする。ｘが次の微分方程
式で表される動作を示すとき、それをフアンデル
ポール振動子セルであるという。

d²x／dt²＝ａ（１−bx²）dx／dt−wi²x …(1) ただし、ｔは時刻（秒）、w_iは固有周波数、ａ、
ｂはスカラーのパラメーターである。

(b) 固有周波数の与え方について２次元格子状に配置されたフアンデルポール振
動子セルの各固有周波数は次のように与える。番
号ｉのビツトの８隣接ビツトのうち、値１を持つ
ビツトがn_i個存在しているとき、番号ｉのフアン
デルポール振動子セルの固有周波数w_iを次の式に
よつて決定する。

w_i ²＝w²（１＋cn_i） …(2) ただし、ｗは基準周波数で、例えば2π×10⁵ラ
ジアン／秒、ｃは定数で、例えば0.1の大きさを
持つ。

(c) 振動子セル間の相互作用の与え方について値１を持つ２つの隣接したビツトに対応するフ
アンデルポール振動子セルｉとｊの間に速度の差
に比例する抵抗Ｄ（dx_i／dt−dx_i／dt）を入れる。

例えば、第５図に示されたフアンデルポール振
動子セルのうち２つの隣接する振動子セルＡ、Ｂ
の方程式は次のようになる。

d²x_A／dt²＝ａ（１−bx² _A）dx_A／dt−w² _Ax_A ＋Ｄ（dx_B／dt−dx_A／dt）＋Ｄ（dx_D／dt−dx_A／dt
） d² xB／dt²＝ａ（１−dx² _B）dx_B／dt−w² _Bx_B＋Ｄ（dx_A
／dt dx_B／dt）＋（（dx_C／dt−dx_B／dt）＋Ｄ（dx_D／dt−dx_B／dt）…
(3) 振動子セルＣ、Ｄ、Ｅについても同様の式が成
り立つ。

(d) 引き込み現象について式(3)でａ＝０であれば、x_A，x_B，x_C……は線
型振動子である。この場合、共振はw_A＝w_B＝w_C
＝…でないと起こらない。一方、ａが０でないフ
アンデルポール型非線型振動子では、固有周波数
ｗが互いに等しくなくとも、ｗの最大値と最小値
の間のある周波数で共振に似た現象（引き込み）
が起こり、すべての振動子は同一の位相、振幅で
振動する。速度の差に比例した相互作用では、引
き込みが特に起こり易いことが知られている。

(e) ビツトパターンの連結について第６図ａにおいて中心格子点Ａに対して、番号
が１〜４の４個の格子点を４隣接格子点、１〜８の８個の格子点を８隣接格子点、１〜12の12個の格子点を12隣接格子点、と定義する。また、「連結形のビツトパターン」
は、値１を持つ各ビツトがそれぞれ少なくとも一
つの値１を持つ隣接格子点を持つようなパターン
のことをいう。

第６図ｂでは、ａとｂは４隣接格子点のみを考
える立場では連結したビツトでないが、８隣接格
子点を考える立場では連結している。そこで、本
発明の実施例では、８隣接格子点の立場で連結し
たビツトパターンを扱う。

(f) 全体の動作そこで、１つの被認識パターンから１つのビツ
トパターンを抽出し、そのビツトパターンに対応
するフアンデルポール振動子セルに前記(b)項で述
べた規則に従つて固有周波数ｗを与え、前記(c)項
でのべた形の相互作用を隣接する振動子セル間に
与えて振動させる。隣接としては４隣接より８隣
接、８隣接より12隣接、（以下同様）を用いた方
がパターンの分離能力は向上する。そして、引き
込みによつて一つの周波数ｆを求め、既に記憶さ
れている周波数の組｛f₁，f₂，f₃，f₄，……｝と
比較し、同じもの（あるいは近いもの）があれば
同一（あるいは類似）と判断して、照合される。

上述したように、隣接の取り方が多くなると分
離能力は向上する。例えば、第７図ａ，ｂ及びｃ
に示すビツトパターン例を検討するならば、４隣
接までを隣接として相互作用させるとａ，ｂ，ｃ
はすべて同じと見なされる。しかし、８隣接まで
考えると、相互作用が第８図ａ，ｂ，ｃに示すよ
うになり、第８図ａとｂに示すビツトパターン
は、第８図ｃに示すビツトパターンから区別され
る。

(g) コンピユーターシミユレーシヨンの結果第９図は、いくつかの入力ビツトパターンに対
する出力周波数をコンピユーターによつて計算し
た結果である。図中、入力パターンの●印はビツ
ト値１を示し、実線はビツトに対応するフアンデ
ルポール振動子セルの間に相互作用があることを
示す。パラメーターの値は、上記した(2)及び(3)式
の記号を用いると、ａ＝0.1、ｂ＝0.1、Ｄ＝0.5、
ｗ＝6.0×10⁵ラジアン／秒、ｃ＝0.1である。な
お、これらのパラメーターは一例に過ぎないもの
である。

(h) 実施例第１０図は、上記したパターン認識を実施する
本発明による認識装置の全体構成図である。被認
識パターンは、特徴抽出部１０に入力され、ビツ
トパターンに変換される。例えば、その特徴抽出
部１０は、撮像装置と、その撮像装置からの映像
信号を二値化する二値化回路から構成される。そ
して、特徴抽出部１０の出力は、フアンデルポー
ル振動子回路１２に入力され、その固有振動周波
数f_aは照合部１４に入力される。その照合部１４
には、データ記憶部１６が付属しており、照合部
１４は、被認識パターンの周波数f_aと、データ記
憶部１６に蓄積されている様々なパターンデータ
の周波数f₁，f₂，f₃…と照合し、その差の大きさ
に応じて大きなカテゴリーから小さなカテゴリー
までの適当な範囲で、被認識パターンを特定す
る。

第１１図は、特徴抽出部１０とフアンデルポー
ル振動子回路１２との間のインターフエイスを図
解する図であり、特徴抽出部１０からのビツトパ
ターンは、入力データ格納部２０に格納され、そ
の入力データ格納部２０の各ビツトは、空間スイ
ツチ２２を介してフアンデルポール振動子回路１
２に接続されている。そして、その空間スイツチ
２２には周波数計測部２４が付属している。これ
らの要素のうち入力データ格納部２０、空間スイ
ツチ２２、フアンデルポール振動子回路１２は、
それぞれセル構造を持つている。

入力データ格納部２０では、特徴抽出部１０か
らデータ入力線２６を介して入力されたビツトパ
ターンを２次元的に配置格納し、ライン２８を介
してデジタルのビツト信号として空間スイツチ２
２に出力する。

空間スイツチ２２では、各フアンデルポール振
動子セル３０から出力された振動子セル電圧V_put
を受ける一方、ライン２８を介して入力されたビ
ツト信号に従つてフイードバツク電圧V_io1及びフ
イードバツク電圧V_io2を対応するフアンデルポー
ル振動子回路の振動子に出力する。

また、空間スイツチ２２は振動子セル電圧V_put
の交流分を抽出して、ライン３２を介して振動電
圧として周波数計測部２４へ出力する。その周波
数計測部２４では、交流分の周波数を計測し、デ
ジタル化した周波数信号３４として出力する。

第１２図は、空間スイツチ２２の構成図であ
る。空間スイツチ２２は、入力データ格納部２０
からのビツト信号〔Bit（ｉ、ｊ）〕の値１、０に
従つて、その位置（ｉ、ｊ）に付属する５つのア
ナログスイツチ３６を開閉して、位置（ｉ、ｊ）
の振動子から隣接する振動子にフイードバツク電
圧V_io1、フイードバツク電圧V_io2を出力させ且つ
隣接する振動子からフイードバツク電圧V_io1、フ
イードバツク電圧V_io2を位置（ｉ、ｊ）の振動子
に入力させる。

更に、フアンデルポール振動子回路１２の各振
動子からの振動子セル電圧V_putの交流分を振動電
圧として周波数計測部２４へライン３２を介して
出力する。

なお、フイードバツク電圧V_io1は、振動子セル
電圧V_putに値１を持つ隣接格子点の総数の重みを
かけたものとして作り出される。また、フイード
バツク電圧V_io2は、値１を持つ隣接格子点に対応
する振動子セルの出力電圧の和として作り出され
る。

例えば振動子セル（ｉ、ｊ）、（ｉ、ｊ−１）、
（ｉ、ｊ＋１）の３つのみが値１を持つとき、振
動子セル（ｉ、ｊ）のフイードバツク電圧V_io1、
フイードバツク電圧V_io2は、次の値となる。

V_io1＝V_put（ｉ、ｊ）×２ …(4) V_io2＝V_put（ｉ、ｊ−１）＋V_put（ｉ、ｊ＋１）
…(5) 第１３図は、フアンデルポール振動子回路１２
の１つ１つのフアンデルポール振動子セル３０の
具体的構成を示すブロツク図である。V_io2は反転
器４０により符号反転されて、加算器４２により
V_io1と加算され、更に、微分器４４により微分さ
れ、分割器４６及び別の加算器４８を介して、(3)
式の相互作用の項に対応する電圧としてエサキダ
イオード発振回路５０に入力される。そして、
V_io1は、更に、別の分割器５２及び加算器４８を
介して、(2)式の固有周波数の一部としてエサキダ
イオード発振回路５０へ入力される。

第１４図は、そのエサキダイオード発振回路５
０の回路図である。この回路は、エサキダイオー
ド６０の負性抵抗特性を利用した周知のLC発振
回路である。エサキダイオード６０は、電流が近
似的に電圧の３次関数となる負性抵抗特性を持つ
ため、それを用いた発振回路は出力電圧がフアン
デルポール振動子セルの(1)式に従う。可変抵抗６
２はエサキダイオード６０の負性抵抗特性を調整
し、振動子セル電圧V_putの振幅を増減する働きを
持つ。可変抵抗６２の抵抗値の変化は、式(1)でパ
ラメーターａ、ｂの値を変化させることに対応し
ている。エサキダイオード６０の両端の電圧を
Ved、直流定電圧電源６４の電圧をVcとすると、
(1)式にｘで示されている量はこの場合次の値とな
る。

ｘ＝Ved−Vc …(6) オペアンプ６６はVedを符号反転して−Vedと
し、オペアンプ６８によつてVcとの和をとり符
号反転を行う。これにより振動子セル電圧V_putは
(6)式の値となる。なお、抵抗７０は、フイードバ
ツク入力５４を入力するための帰還抵抗であり、
フイードバツク入力５４により、この発振回路は
(3)式で示された動作をする。

(6) 発明の効果以上から明らかなように、本発明によるパター
ン認識装置によれば、パターンの位置や回転角度
に影響されず、且つ複雑な処理を必要とせずにパ
ターンを認識することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂ，ｃ及びｄは、本発明が前提とし
ているパターン認識方法の原理を図解する図、第
２図は、入力されるパターンを示した概念図、第
３図は、隣接ビツトの説明図、第４図は、フアン
デルポール振動子回路の振動子セルの配置を示し
た構成図、第５図は、振動子セルの連結の説明
図、第６図ａ及びｂは、隣接ビツト概念の説明
図、第７図ａ，ｂ，ｃ及び第８図ａ，ｂ，ｃは、
振動子セルの連結の説明図、第９図は、コンピユ
ーターシミユレーシヨンの結果を示した説明図、
第１０図は、本発明によるパターン認識装置の全
体構成図、第１１図は、ビツトパターンの入力部
とフアンデルポール振動子回路との間のインター
フエイスの構成を示す図、第１２図は、空間スイ
ツチの構成図、第１３図は、振動子セルの構成
図、第１４図は、振動子セルの要部であるエサキ
ダイオード発振回路図である。〔主な参照番号〕、１０…特徴抽出部、１２…
フアンデルポール振動子回路、１４…照合部、１
６…データ記憶部、２０…入力データ格納部、２
２…空間スイツチ、２４…周波数計測部。

Claims

【特許請求の範囲】

１被認識パターンを２次元ビツトパターンに変
換する特徴抽出部と、２次元格子状にフアンデル
ポール振動子セルを配置し隣接する振動子セル間
を結合したフアンデルポール振動子回路と、該フ
アンデルポール振動子回路の内の、前記被認識パ
ターンの前記２次元ビツトパターンにおいて互い
に連結したビツトに対応する複数の振動子セルを
選択して動作させて、被認識パターンの２次元ビ
ツトパターンの形状のみに依存する１つの周波数
を出力する空間スイツチと、前記周波数を、記憶
してあるパターンデータの周波数と照合し、その
差が所定以内にある記憶してある周波数が意味す
るパターンデータから被認識パターンのカテゴリ
ー分けを実施する照合部とを具備していることを
特徴とするパターン認識装置。