JPH05266207A - Data smoothing device - Google Patents

Data smoothing device

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Publication number
JPH05266207A
JPH05266207A JP4064043A JP6404392A JPH05266207A JP H05266207 A JPH05266207 A JP H05266207A JP 4064043 A JP4064043 A JP 4064043A JP 6404392 A JP6404392 A JP 6404392A JP H05266207 A JPH05266207 A JP H05266207A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
evaluation value
data
ellipse
linearity evaluation
linearity
Prior art date
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Pending
Application number
JP4064043A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masahito Tanaka
雅人 田中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Azbil Corp
Original Assignee
Azbil Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Azbil Corp filed Critical Azbil Corp
Priority to JP4064043A priority Critical patent/JPH05266207A/en
Publication of JPH05266207A publication Critical patent/JPH05266207A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To provide the data smoothing device which properly smooths data including unknown noise regardless of unknown classification and magnitude of the noise included in data as the object of smoothing. CONSTITUTION:A data smoothing device 1 is provided with a linearity evaluation value arithmetic part 11 which operates the linearity evaluation value of a dot string of inputted data, a linearity evaluation value discriminating part 12 which discriminates whether the linearity evaluation value obtained by this arithmetic part 11 is equal to or larger than a threshold or not, a smoothed line determining part 13 which determines a line obtained by flattening or smoothing input data based on the linearity evaluation value in the case of the linearity evaluation value equal to or larger than the threshold, and a parameter in minor-axis direction automatic change part 14 which corrects the value of a parameter corresponding to the length of the minor axis of an ellipse of a three-dimensional ellipse membership function in the case of the linearity evaluation value smaller than the threshold.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、ノイズや確率的ばらつ
きを含む多数のデータから真の値を測定するために用い
られるデータスムージング装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a data smoothing device used for measuring a true value from a large number of data including noise and stochastic variations.

【0002】[0002]

【従来の技術】プラントなどのシステムの状態観測に代
表されるように、ノイズや確率的ばらつきのため、観測
値そのものからはシステムの状態や状態変化の傾向を正
確に把握し或は測定することができない場合が多くあ
る。このような場合でも、システムの数学モデルが正確
に記述でき且つノイズの統計的性質も把握されているな
らば、カルマンフィルタにより状態推定を行うことはで
きる。
2. Description of the Related Art As represented by the state observation of a system such as a plant, due to noise and stochastic variations, it is necessary to accurately grasp or measure the state of the system and the tendency of the state change from the observed value itself. There are many cases where you cannot do it. Even in such a case, if the mathematical model of the system can be accurately described and the statistical properties of noise are known, state estimation can be performed by the Kalman filter.

【0003】しかし、実際に存在するシステムは数学モ
デルで記述できないものが多く、当然これらのシステム
については、カルマンフィルタのような客観的な状態推
定を行うことは難しい。
However, many systems that actually exist cannot be described by a mathematical model, and it is naturally difficult to perform objective state estimation such as the Kalman filter for these systems.

【0004】例えば、非定常ノイズによって乱されてい
る観測値に対しては、観測した値そのものをシステムの
状態あるいは状態変化の傾向として扱うことができな
い。この場合、従来の技術では、回帰直線や移動平均な
どの統計的手法によって分析するようにしているが、ご
く稀に例外的な大きいノイズ(スパイク性ノイズ)が加
わった場合には、従来の統計的手法では信頼度の高い状
態推定ができない。それ故、このような例外的ノイズを
除去するためには、別の手法(例えば微分)を使用せざ
るを得ない。
For example, for an observed value disturbed by non-stationary noise, the observed value itself cannot be treated as a system state or a tendency of state change. In this case, in the conventional technique, analysis is performed by a statistical method such as a regression line or a moving average. However, when exceptionally large noise (spike noise) is added, the conventional statistics are used. The statistical method cannot estimate the state with high reliability. Therefore, in order to remove such an exceptional noise, another method (for example, differentiation) has to be used.

【0005】上記のように、実際のシステムの状態観測
値は非定常ノイズやスパイク性ノイズを含んでいるが、
従来のデータ処理技術によると、これらのノイズを除去
するためにはノイズの種類に応じてそれぞれ別個の手法
を用いなければならず、種類の異なるノイズが混在する
データを1つの手法で適切に処理することはできなかっ
た。
As described above, the observed value of the actual system state includes non-stationary noise and spike noise,
According to the conventional data processing technology, in order to remove these noises, different methods must be used depending on the type of noise, and data with different types of noise mixed together can be processed appropriately by one method. I couldn't.

【0006】これに対し、人間は主観的な判断により容
易にノイズを除去し、比較的信頼度の高い状態推定、す
なわちデータ列を真の値になるように平滑化(スムージ
ング)する作業を容易に行うことができる。これは、観
測データのグラフを分析する際のあいまいな知識と判断
によってグラフを平坦化する作業であり、必ずしも正確
な状態推定を行っているわけではないが、このようなデ
ータスムージングは、システムの観測値を表示したり予
測制御を行ったりする上で非常に重要かつ有効なデータ
処理技術である。
On the other hand, human beings can easily remove noise by subjective judgment, and can easily perform state estimation with relatively high reliability, that is, smoothing (smoothing) a data string to a true value. Can be done. This is the work of flattening the graph by ambiguous knowledge and judgment when analyzing the graph of observed data, and it does not necessarily perform accurate state estimation, but such data smoothing does not It is a very important and effective data processing technology for displaying observed values and performing predictive control.

【0007】そこで、本発明者は、上記のようなノイズ
を含むデータに対して人間が行うような平滑化処理を自
動的に行うものとして、座標平面上にノイズや確率的ば
らつきを持ったデータの点列が存在するとき、ファジィ
理論により前記点列の直線性を評価し且つ角度を求める
手法を使用してノイズやばらつきの成分を削減し、デー
タの滑らかな線を出力するデータスムージングの技術を
開発した(特願平2−243353号)。
Therefore, the inventor of the present invention automatically performs a smoothing process like that performed by humans on data including noise as described above, and thus data having noise or stochastic variation on the coordinate plane. When there is a sequence of points, the technique of evaluating the linearity of the sequence by fuzzy theory and using the method of finding the angle to reduce the components of noise and variations and output smooth lines of data. Was developed (Japanese Patent Application No. 2-243353).

【0008】これは、座標平面上に分布する複数個の点
で表わされるデータに対して、予め定めた楕円メンバシ
ップ関数の楕円の中心を前記複数個の点から選んだ点列
の中心付近の点に移動し、その点を中心として前記楕円
を回転させ、任意の回転角θにおける各点の楕円メンバ
シップ関数による適合度の総和と、各点を前記楕円の長
軸に投影した点の楕円メンバシップ関数による適合度の
総和との比率を、データ点列の直線性評価値E(θ)と
し、この直線性評価値が最大になる楕円の長軸の角度ψ
を測定する。最初の角度測定時には、その時の楕円の中
心を通り且つ当該角度をもつ線を、その楕円の中心と次
の角度測定における楕円の中心との中間付近まで引き、
その後は、前回の角度測定によって得られた線の終点か
らその時の角度測定によって得られる線の終点まで直線
を引く動作を順次繰返すことにより、データ点列を平滑
化した線を得るものである。この技術によれば、観測し
て得られたデータを平滑化した線を得ることができ、人
間の感覚的判断に近いデータスムージングが実現され
る。
This is because, for data represented by a plurality of points distributed on a coordinate plane, the center of an ellipse of a predetermined ellipse membership function is selected near the center of a point sequence selected from the plurality of points. Move to a point, rotate the ellipse about that point, sum of the goodness of fit by the ellipse membership function of each point at an arbitrary rotation angle θ, and the ellipse of the point projected on the major axis of the ellipse. The ratio of the goodness of fit by the membership function to the sum of the goodness of fit is taken as the linearity evaluation value E (θ) of the data point sequence, and the angle ψ of the major axis of the ellipse that maximizes this linearity evaluation value.
To measure. At the time of the first angle measurement, draw a line passing through the center of the ellipse at that time and having the angle to the middle of the center of the ellipse and the center of the ellipse at the next angle measurement,
After that, the operation of drawing a straight line from the end point of the line obtained by the previous angle measurement to the end point of the line obtained by the angle measurement at that time is sequentially repeated to obtain a line in which the data point sequence is smoothed. According to this technique, a line obtained by smoothing the data obtained by observation can be obtained, and data smoothing close to human's sensory judgment is realized.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】上記のデータスムージ
ング技術では、直線性評価値E(θ)は、3次元楕円メ
ンバシップ関数の短軸方向のファジィエントロピーを決
定するパラメータay に依存して左右される。しかし、
ノイズの種類やレベル(大きさ)の変化により、この直
線性評価値Eが小さな値(経験的には、およそ0.7以
下)になると、測定される角度ψが不適当になり、スム
ージングがうまくできなくなってしまうという問題があ
る。
In the above data smoothing technique, the linearity evaluation value E (θ) depends on the parameter a y that determines the fuzzy entropy in the minor axis direction of the three-dimensional elliptic membership function. To be done. But,
When the linearity evaluation value E becomes a small value (empirically, about 0.7 or less) due to a change in noise type or level (magnitude), the measured angle ψ becomes unsuitable, and smoothing is smoothed. There is a problem that you can not do well.

【0010】例えば、図8に示すような時系列データが
スムージングの対象として与えられた場合、図中の前半
部(横軸の値で0〜1500)のデータをスムージング
するためには、稀に大きいスパイク性ノイズを除去する
だけなので、3次元楕円メンバシップ関数の短軸方向の
パラメータay は、比較的小さい値に設定される。そう
すると、スムージングの結果は、図9に示すようにな
る。すなわち、スパイク性ノイズは除去されるが、図8
の後半部(横軸の値で1600〜2300)のデータを
スムージングするためには、ノイズの種類やレベル(大
きさ)に対して上記パラメータay の設定値が不適当な
ため、スムージングされたラインが実際のデータから離
れていってしまう。また、図8の後半部に示すような場
合を想定して楕円の短軸方向のパラメータay を大きく
とると、スパイク性ノイズがうまく除去できない場合も
生じる。
For example, when time-series data as shown in FIG. 8 is given as a target of smoothing, it is rare to smooth the data in the first half part (value of the horizontal axis is 0 to 1500) in the figure. Since only large spike noise is removed, the parameter a y in the minor axis direction of the three-dimensional elliptic membership function is set to a relatively small value. Then, the smoothing result is as shown in FIG. That is, the spike noise is removed, but FIG.
In order to smooth the data in the latter half (values on the horizontal axis of 1600 to 2300) of the above, the set value of the parameter a y is not appropriate for the type and level (magnitude) of noise, so smoothing has been performed. The line moves away from the actual data. Further, if the parameter a y in the minor axis direction of the ellipse is set large assuming the case shown in the latter half of FIG. 8, spike noise may not be successfully removed in some cases.

【0011】従って、本発明の目的は、スムージングの
対象となるデータ中に含まれるノイズの種類や大きさが
予めわかっていなくても、未知のノイズを含んだデータ
のスムージングを適切に行えるデータスムージング装置
を提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to perform data smoothing that can appropriately smooth data including unknown noise even if the type and magnitude of noise contained in the data to be smoothed is not known in advance. To provide a device.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明は、座標平面上に
分布する複数個の点で表わされるデータが入力される
と、予め定めた楕円メンバシップ関数の楕円の中心を前
記複数個の点から選んだ点列の中心付近の点に移動し、
その点を中心として前記楕円を回転させ、その任意の回
転角θにおける各点の楕円メンバシップ関数による適合
度の総和と、各点を前記楕円の長軸に投影した点の楕円
メンバシップ関数による適合度の総和との比率を演算
し、その比率を前記データの直線性評価値E(θ)とし
て、この値が最大になる楕円の長軸の角度ψを測定し、
最初の角度測定時には、その時の楕円の中心を通り且つ
当該角度ψをもつ線を、当該楕円の中心と次の角度測定
における楕円の中心との中間付近まで引き、その後は、
前回の角度測定によって得られた線の終点からその時の
角度測定によって得られる線の終点まで直線を引く動作
を順次繰返すことにより、前記データを平滑化した線を
出力するデータスムージング装置において、前記楕円メ
ンバシップ関数の楕円の短軸の長さに相当するパラメー
タay をノイズの種類や大きさに応じて自動調整するこ
とにより、未知のノイズを含むデータに対しても適切に
平滑化した線を生成することを特徴とする。
According to the present invention, when data represented by a plurality of points distributed on a coordinate plane is input, the center of an ellipse of a predetermined ellipse membership function is set to the plurality of points. Move to a point near the center of the point sequence selected from
The ellipse is rotated about that point, and the sum of the goodness of fit by the elliptic membership function of each point at any rotation angle θ and the elliptic membership function of the point projecting each point on the major axis of the ellipse The ratio with the sum of the goodness of fit is calculated, the ratio is used as the linearity evaluation value E (θ) of the data, and the angle ψ of the major axis of the ellipse that maximizes this value is measured
At the time of the first angle measurement, a line passing through the center of the ellipse at that time and having the angle ψ is drawn to near the center between the center of the ellipse and the center of the ellipse in the next angle measurement, and thereafter,
In the data smoothing device that outputs a line obtained by smoothing the data by sequentially repeating the operation of drawing a straight line from the end point of the line obtained by the previous angle measurement to the end point of the line obtained by the angle measurement at that time, By automatically adjusting the parameter a y, which corresponds to the length of the minor axis of the ellipse of the membership function, according to the type and magnitude of noise, a line that is appropriately smoothed even for data containing unknown noise can be obtained. It is characterized by generating.

【0013】上記の機能を有するデータスムージング装
置は、入力されたデータの点列に対して直線性評価値を
演算する直線性評価値演算部と、該直線性評価値演算部
で得られた直線性評価値がある閾値以上かどうかを判定
する直線性評価値判定部と、該直線性評価値判定部で直
線性評価値が閾値以上と判定されたときその直線性評価
値に基づいて入力データを平坦化若しくは平滑化した線
を決定するスムーズドライン決定部と、前記直線性評価
値判定部で直線性評価値が閾値より小さいと判定された
とき前記パラメータの値を修正する短軸方向パラメータ
自動変更部とで構成される。
The data smoothing device having the above-mentioned function includes a linearity evaluation value calculation unit for calculating a linearity evaluation value for a point sequence of input data, and a straight line obtained by the linearity evaluation value calculation unit. A linearity evaluation value determination unit that determines whether the linearity evaluation value is greater than or equal to a threshold value, and input data based on the linearity evaluation value when the linearity evaluation value is determined to be greater than or equal to the threshold value in the linearity evaluation value determination unit A smoothed line determination unit that determines a flattened or smoothed line, and a minor axis direction parameter automatic that corrects the value of the parameter when the linearity evaluation value determination unit determines that the linearity evaluation value is smaller than a threshold value. It is composed of a change unit.

【0014】[0014]

【作用】座標平面上に分布する複数個の点で表わされる
データが入力されると、直線性評価値が演算され、この
値が最大になる楕円の長軸の角度が決定され、これに基
づいて入力データを平滑化した線を生成するデータスム
ージングが行われる。その際、楕円メンバシップ関数の
楕円の短軸の長さに相当するパラメータがノイズの種類
や大きさに応じて自動調整されることにより、未知のノ
イズを含むデータに対しても適切に平滑化した線が生成
される。
When the data represented by a plurality of points distributed on the coordinate plane is input, the linearity evaluation value is calculated, and the angle of the major axis of the ellipse that maximizes this value is determined. Data smoothing is performed to generate a smoothed line of the input data. At that time, the parameter corresponding to the length of the ellipse's minor axis of the ellipse membership function is automatically adjusted according to the type and magnitude of noise, so that smoothing is performed appropriately even for data containing unknown noise. The generated line is generated.

【0015】上記のパラメータの自動調整は、例えば、
直線性評価値がある閾値より小さいときパラメータに適
当な係数を掛けることによって行われる。
The automatic adjustment of the above parameters can be performed, for example, by
When the linearity evaluation value is smaller than a certain threshold value, the parameter is multiplied by an appropriate coefficient.

【0016】[0016]

【実施例】図1は、本発明のデータスムージング装置を
含むデータ処理システムの構成を示す。このデータ処理
システムは、本発明によるデータスムージング装置1
と、この装置に後述の点列で表わされるデータを入力す
るデータ入力装置2と、データスムージング装置1での
処理結果をCRT等の画面に表示したり所定の用紙に記
録したりするための信号を出力する処理結果出力装置3
とから成る。
1 shows the configuration of a data processing system including a data smoothing device of the present invention. This data processing system is a data smoothing device 1 according to the present invention.
And a signal for displaying the processing result of the data smoothing device 1 and a data input device 2 for inputting data represented by a dot sequence described later to this device and recording the result on a predetermined sheet such as a CRT. Result output device 3 for outputting
It consists of and.

【0017】データスムージング装置1は、後述の処理
動作を実行して直線性評価値E(θ)を演算する直線性
評価値演算部11と、これによって得られた直線性評価
値Eが適切であるかどうか(具体的には直線性評価値が
ある閾値以上かどうか)を判定する直線性評価値判定部
12と、その判定結果が閾値以上のとき、その直線性評
価値に基づいてデータ点列を平坦化若しくは平滑化した
線を決定するスムーズドライン決定部13と、直線性評
価値判定部12での判定結果が閾値より小さいとき、後
述の3次元楕円メンバシップ関数の短軸方向のファジィ
エントロピーを決定するパラメータay を自動的に修正
する短軸方向パラメータ自動変更部14とを備えて構成
される。このようなデータスムージング装置1は、上記
の各構成要素の機能を実現する処理手順を予め格納した
CPUで構成される。
In the data smoothing device 1, the linearity evaluation value calculation unit 11 for executing the processing operation described later to calculate the linearity evaluation value E (θ), and the linearity evaluation value E obtained thereby are appropriate. A linearity evaluation value determination unit 12 that determines whether or not (specifically, whether or not the linearity evaluation value is equal to or greater than a threshold value), and a data point based on the linearity evaluation value when the determination result is equal to or greater than the threshold value. When the determination result of the smoothed line determination unit 13 that determines the line in which the row is flattened or smoothed and the linearity evaluation value determination unit 12 is smaller than the threshold value, fuzzy in the minor axis direction of the three-dimensional elliptic membership function described later. It is provided with a short axis direction parameter automatic changing unit 14 that automatically corrects the parameter a y that determines the entropy. Such a data smoothing device 1 is composed of a CPU in which processing procedures for realizing the functions of the above-described respective constituent elements are stored in advance.

【0018】図1のデータ処理システムは、例えば、プ
ラントの制御においてプラントの観測データからノイズ
やばらつきを除去した滑らかなグラフを得て、ディスプ
レイに表示する手段として利用される。この場合、デー
タ入力装置2は、プラントにおける各種測定値を時系列
データとして生成する計測器で構成される。
The data processing system shown in FIG. 1 is used, for example, as a means for obtaining a smooth graph in which noise and variations are removed from plant observation data in plant control and displaying it on a display. In this case, the data input device 2 is composed of a measuring instrument that generates various measured values in the plant as time series data.

【0019】データスムージング装置1は、上記の構成
により、図2に示すデータ処理動作を行う。
The data smoothing device 1 has the above-described configuration and performs the data processing operation shown in FIG.

【0020】初めに、データ入力装置2から後述のよう
な点列で表わされるデータが入力されると(ステップ
1)、直線性評価値演算部11で直線性評価値Eを決定
する(ステップ2)。この決定方法については、後で詳
細に説明する。
First, when data represented by a point sequence as described later is input from the data input device 2 (step 1), the linearity evaluation value calculation unit 11 determines the linearity evaluation value E (step 2). ). This determination method will be described later in detail.

【0021】次に、直線性評価値判定部12で直線性評
価値Eがある閾値αs 以上かどうかを判定する(ステッ
プ3)。この閾値αs はスムージングの細かさを決定す
るもので、前述のようなノイズの種類やレベルに応じて
定められる。
Next, the linearity evaluation value determination unit 12 determines whether or not the linearity evaluation value E is above a certain threshold value α s (step 3). This threshold value α s determines the fineness of smoothing, and is set according to the type and level of noise as described above.

【0022】上記の判定により、直線性評価値Eが閾値
αs 以上であるときは、その直線性評価値Eをスムーズ
ドライン決定部13に送り、ここで、直線性評価値Eを
最大にする角度ψを求めて入力データ点列を平坦化若し
くは平滑化した線を決定し(ステップ4)、それを表わ
す信号を処理結果として出力して(ステップ5)、デー
タ入力を待つ状態に戻る。
According to the above judgment, when the linearity evaluation value E is equal to or larger than the threshold value α s , the linearity evaluation value E is sent to the smoothed line determining section 13, where the linearity evaluation value E is maximized. The angle ψ is obtained to determine a line obtained by flattening or smoothing the input data point sequence (step 4), outputting a signal representing it (step 5), and returning to the state of waiting for data input.

【0023】一方、直線性評価値Eが閾値αs より小さ
いときは、直線性評価値演算部11で得られた直線性評
価値Eを短軸方向パラメータ自動変更部14に送り、後
述の3次元楕円メンバシップ関数の短軸方向のファジィ
エントロピーを決定するパラメータay を自動的に修正
する(ステップ6)。ここでは、パラメータay に係数
k(1.1 〜 2.0程度の適当な値)を掛けて、その大きさ
を修正する。この修正後、ステップ2に戻る。
On the other hand, when the linearity evaluation value E is smaller than the threshold value α s , the linearity evaluation value E obtained by the linearity evaluation value calculation unit 11 is sent to the short-axis direction parameter automatic changing unit 14 to be described later. The parameter a y which determines the fuzzy entropy in the minor axis direction of the dimensional elliptic membership function is automatically modified (step 6). Here, the parameter a y is multiplied by a coefficient k (an appropriate value of about 1.1 to 2.0) to correct its size. After this correction, return to step 2.

【0024】次に、データスムージング装置1における
データ処理をより詳細に説明するため、直線性評価値に
基づく角度決定方法について説明する。これは、先に出
願した特願平2−243353号で記述したように、フ
ァジィ集合を定める3次元楕円メンバシップ関数を利用
して点列を結ぶ線の角度を測定するものであり、その内
容は次の通りである。
Next, in order to describe the data processing in the data smoothing device 1 in more detail, an angle determination method based on the linearity evaluation value will be described. As described in Japanese Patent Application No. 2-243353 filed earlier, this is to measure the angle of a line connecting point sequences by using a three-dimensional elliptic membership function that defines a fuzzy set. Is as follows.

【0025】一般に、2変数の間の直線関係(相関関
係)は2変数を横軸と縦軸にとり、個々のデータを座標
にプロットした分布図の形式で表示されることが多い。
In general, a linear relationship (correlation) between two variables is often displayed in the form of a distribution chart in which the two variables are plotted on the horizontal axis and the vertical axis and individual data are plotted on the coordinates.

【0026】一方、2変量正規分布するデータが楕円形
の輪郭をとると、2変数間の相関関係に対する人間の判
断は楕円形の輪郭(楕円の輪郭の短軸と長軸の比)を手
がかりにすることが知られている。
On the other hand, when the bivariate normal distribution data has an elliptic contour, the human judgment on the correlation between the two variables is based on the elliptic contour (ratio of the minor axis to the major axis of the elliptical contour). It is known to

【0027】これに基づき、実施例では、直線的な点列
の折れ線すなわち直線的にプロットされた点列の直線性
を評価するために、楕円形の「ものさし」を座標空間上
に設定し、楕円の長軸と測定対象のデータ点列を重ね合
わせるというアルゴリズムが用いられる。
On the basis of this, in the embodiment, in order to evaluate the linearity of the straight line of the linear point sequence, that is, the linearly plotted point sequence, an elliptical "measurement" is set in the coordinate space, An algorithm that superimposes the long axis of the ellipse and the data point sequence of the measurement target is used.

【0028】まず、xy直交座標及びファジィ演算の適
合度から成る3次元空間が定義され、そのxy平面上に
直線的にプロットされた点列P1(x1 ,y1)、P2(x
2 ,y 2)、・・・・・ 、Pn(xn ,yn)があるとする。
First, the xy Cartesian coordinates and the fuzzy operation are suitable.
A three-dimensional space consisting of degrees is defined, and on the xy plane
Point sequence P plotted linearly1(x1 , Y1), P2(x
2 , Y 2) 、 ・ ・ ・ ・ ・ 、 Pn(xn , Yn).

【0029】2変量正規分布するデータが楕円形の輪郭
をとるということは、2つのつり鐘型メンバシップ関数
(正規分布と同形の関数で表わされる)の積が3次元楕
円メンバシップ関数を形成するということと数学的に同
じ意味になる。これに基づき、点列の直線性評価のため
に次式(1) で表わされる3次元楕円メンバシップ関数を
設定する。なお、ここではx軸上に楕円の長軸を置き、
y軸上に楕円の短軸を置く。
The fact that the data having a bivariate normal distribution has an elliptical contour means that the product of two bell-shaped membership functions (represented by a function isomorphic to the normal distribution) forms a three-dimensional elliptic membership function. It has the same mathematical meaning as doing. Based on this, a three-dimensional elliptic membership function represented by the following equation (1) is set for linearity evaluation of the point sequence. In addition, here, the long axis of the ellipse is placed on the x-axis,
Place the minor axis of the ellipse on the y-axis.

【0030】 t= exp[−{(x/ax)2+(y/ay)2}] …(1) 次に、この楕円の中心を、点列中の最も直線性の評価を
重要視すべき点に移動する。通常は、n個の測定対象の
点の真中付近の点に一致させる。このときの楕円の中心
の座標を(A, B)とし、この点を中心として楕円を回転
させる。このときの回転角をθとすると、3次元楕円メ
ンバシップ関数は次のようになる。
[0030] t = exp [- {(x / a x) 2 + (y / a y) 2}] ... (1) Next, the center of the ellipse, critical assessment of the most linear in the point sequence Move to a point to see. Usually, the point near the middle of the n points to be measured is made to coincide. The coordinates of the center of the ellipse at this time are (A, B), and the ellipse is rotated around this point. When the rotation angle at this time is θ, the three-dimensional elliptic membership function is as follows.

【0031】 t=M( x, y, θ)= exp[−{(X/ax)2+(Y/ay)2}] …(2) 但し、 X=(x−A) cosθ+(y−B) sinθ …(3) Y=−(x−A) sinθ+(y−B) cosθ …(4) 上式を図に表わすと、図3のようになる。この場合、楕
円の中心は点P4 であり、(A) 及び(B) はそれぞれ楕円
を角度θ及びθ' 回転したときを示す。この場合の点列
i(i=1,2,… )の直線性評価を「タイプ1」とす
る。
[0031] t = M (x, y, θ) = exp [- {(X / a x) 2 + (Y / a y) 2}] ... (2) where, X = (x-A) cosθ + ( y−B) sin θ (3) Y = − (x−A) sin θ + (y−B) cos θ (4) The above equation is shown in FIG. In this case, the center of the ellipse is the point P 4 , and (A) and (B) indicate the times when the ellipse is rotated by the angles θ and θ ′, respectively. The linearity evaluation of the point sequence P i (i = 1, 2, ...) In this case is referred to as “type 1”.

【0032】次に、x軸のパラメータが点列のばらつき
に影響を与えないパラメータである場合(例えばx軸が
時間軸で、時間の測定は正確に行われているような場
合)は、後述の直線性評価値がyの値にのみ依存するよ
うにしなければならない。すなわち、楕円の長軸のみ回
転し、短軸は垂直のままにしておくべきであり、また、
楕円のメンバシップ関数をx軸上に投影したときの形が
楕円の回転によって変化しないようにするべきである。
この場合、3次元楕円メンバシップ関数は次のようにな
る。
Next, when the parameter of the x-axis is a parameter that does not affect the dispersion of the point sequence (for example, when the x-axis is the time axis and the time is accurately measured), it will be described later. The linearity evaluation value of should depend only on the value of y. That is, only the major axis of the ellipse should rotate, the minor axis should remain vertical, and
The shape of the ellipse membership function projected on the x-axis should not change due to the rotation of the ellipse.
In this case, the three-dimensional elliptic membership function is as follows.

【0033】 t=M( x, y, θ)= exp[−{(X/ax')2 +(Y/ay)2}] …(5) 但し、 X=(x−A)/cosθ …(6) Y=−(x−A) tanθ+(y−B) …(7) ax'=ax /cosθ …(8) この場合の式を図に表わすと、図4のようになる。図に
おいて、(A) 及び(B)はそれぞれ楕円を角度θ及びθ'
回転したときを示す。この場合の直線性評価を「タイプ
2」とする。
T = M (x, y, θ) = exp [− {(X / a x ') 2 + (Y / a y ) 2 }] (5) where X = (x−A) / cosθ ... (6) Y = - (x-a) tanθ + (y-B) ... (7) a x '= a x / cosθ ... (8) expressed in FIG equation in this case, as shown in FIG. 4 Become. In the figure, (A) and (B) represent the ellipses at angles θ and θ ', respectively.
Indicates when rotated. The linearity evaluation in this case is referred to as "type 2".

【0034】上記のように、3次元楕円メンバシップ関
数を回転させるということは、あいまいな線のあいまい
さを許容する楕円形の「ものさし」を点列に重ね合わせ
ていくという操作に相当する。
As described above, rotating the three-dimensional elliptic membership function corresponds to an operation of superimposing an elliptic "measurement" on a sequence of points, which allows ambiguity of ambiguous lines.

【0035】そこで、楕円形の「ものさし」を任意の角
度θに合わせたときの各測定対象点の3次元楕円メンバ
シップ関数による適合度t1 ,t2 ,…,tn の総和T
(θ)と、図5(A) 及び(B) に示すように、各測定対象
点を楕円の長軸に投影した点の3次元楕円メンバシップ
関数による適合度tS1, tS2,…,tSnの総和S(θ)
との比率を、直線性評価値E(θ)と定義し、この値が
最大になる長軸の角度ψをあいまいな線の角度として採
用する。すなわち、以下に示すような計算を行う。
Therefore, the sum T of the goodnesses of fit t 1 , t 2 , ..., T n by the three-dimensional elliptic membership function of each measurement object point when the ellipse "measurement" is adjusted to an arbitrary angle θ.
(Θ) and as shown in FIGS. 5 (A) and 5 (B), the fitness t S1 , t S2 , ..., By the three-dimensional elliptic membership function of the points obtained by projecting the points to be measured on the major axis of the ellipse. sum of t Sn S (θ)
Is defined as the linearity evaluation value E (θ), and the angle ψ of the major axis that maximizes this value is adopted as the angle of the ambiguous line. That is, the following calculation is performed.

【0036】[0036]

【数1】 [Equation 1]

【0037】このとき十分満足できる評価値が得られな
いならば、楕円の中心の位置を移動することが有効であ
る。通常は、測定対象の点の真ん中付近の数個の点につ
いて予め粗く直線性を評価しておき、最も高い直線性が
得られる中心点について詳細に評価するのが効率の良い
方法である。
At this time, if a sufficiently satisfactory evaluation value is not obtained, it is effective to move the position of the center of the ellipse. Usually, it is an efficient method to roughly evaluate linearity in advance for several points near the center of the point to be measured and to evaluate in detail the central point where the highest linearity is obtained.

【0038】この手法は、楕円の長軸と短軸の長さを変
えることにより、人間の感覚に合うようにすることがで
きる。
This method can be adapted to the human sense by changing the lengths of the major axis and the minor axis of the ellipse.

【0039】更に、楕円形の「ものさし」による手法で
は、上記(10)式で得られた角度ψにおける直線性評価値
E(ψ)は、測定対象のあいまいな線の直線性の確信度
であると同時に、0〜1の範囲の値に正規化されること
で、角度に対する確信度CFとしても与えられる。E
(ψ)の定義から明らかなように、点列が完全に一直線
上に並んでいるとき、確信度CFは最大値1になる。
Further, in the method using the elliptical "measurement", the linearity evaluation value E (ψ) at the angle ψ obtained by the above equation (10) is a certainty factor of the linearity of the ambiguous line to be measured. At the same time, by being normalized to a value in the range of 0 to 1, it is also given as the confidence factor CF for the angle. E
As is clear from the definition of (ψ), the certainty factor CF has a maximum value of 1 when the point sequences are perfectly aligned.

【0040】上記のような角度測定に基づくデータスム
ージングは、基本的には、スムージング対象の点列に対
して3次元楕円メンバシップ関数による角度測定を端か
ら順に繰り返し行っていくものである。
In the data smoothing based on the angle measurement as described above, basically, the angle measurement by the three-dimensional elliptic membership function is repeatedly performed in order from the end with respect to the point sequence to be smoothed.

【0041】図2の処理動作では、上記のように決定し
た直線性評価値Eが閾値αs より小さい場合に修正され
るパラメータay を大きくとると、スパイク性ノイズの
ような大きいノイズも拾ってしまうので、パラメータa
y はなるべく小さくすることが望まれる。
In the processing operation of FIG. 2, when the parameter a y that is corrected when the linearity evaluation value E determined as described above is smaller than the threshold value α s is large, large noise such as spike noise is also picked up. Parameter a
It is desirable to make y as small as possible.

【0042】最後に、本発明によるデータスムージング
の実例を示す。
Finally, an example of data smoothing according to the present invention will be shown.

【0043】図6は、閾値αs =0.70とした場合、
図7は、閾値αs =0.85とした場合のスムージング
結果である。これらの図において、スムージング対象の
データは一点鎖線、本発明のスムージング処理によって
得られた線は実線で、それぞれ示してある。
FIG. 6 shows that when the threshold value α s is 0.70,
FIG. 7 shows the smoothing result when the threshold value α s = 0.85. In these figures, the data to be smoothed is shown by the alternate long and short dash line, and the line obtained by the smoothing process of the present invention is shown by the solid line.

【0044】[0044]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、数学モ
デルで記述できないシステムからの信号のノイズ削減を
達成するデータスムージングにおいて、スムージングの
対象となるデータ中に含まれるノイズの種類やレベルを
予め調べたり、楕円の短軸方向のパラメータを決定する
パラメータをチューニングする必要がないので、未知の
ノイズを含んだデータのスムージングを自動的に且つ的
確に行うことができる。
As described above, according to the present invention, in data smoothing that achieves noise reduction of a signal from a system that cannot be described by a mathematical model, the type and level of noise contained in data to be smoothed. Since it is not necessary to check in advance or to tune the parameters that determine the parameters in the minor axis direction of the ellipse, smoothing of data containing unknown noise can be performed automatically and accurately.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明のデータ処理装置を含むデータ処理シス
テムの構成図。
FIG. 1 is a configuration diagram of a data processing system including a data processing device of the present invention.

【図2】実施例のデータ処理動作を示すフローチャー
ト。
FIG. 2 is a flowchart showing a data processing operation of the embodiment.

【図3】実施例で用いられる3次元楕円メンバシップ関
数の楕円を回転させた状態を示す図。
FIG. 3 is a diagram showing a state in which an ellipse of a three-dimensional ellipse membership function used in the embodiment is rotated.

【図4】楕円メンバシップ関数の楕円を長軸のみ回転
し、短軸は垂直のままにして回転させた場合を示す図。
FIG. 4 is a diagram showing a case where an ellipse of an ellipse membership function is rotated only with its major axis rotated and its minor axis kept vertical.

【図5】複数個の点を楕円の長軸に投影したときの説明
図。
FIG. 5 is an explanatory diagram when a plurality of points are projected on the major axis of an ellipse.

【図6】本発明によるデータスムージングの実例を示す
図。
FIG. 6 is a diagram showing an example of data smoothing according to the present invention.

【図7】直線性評価値の閾値が図6の場合と異なるデー
タスムージングの例を示す図。
7 is a diagram showing an example of data smoothing in which the threshold value of the linearity evaluation value is different from that in FIG.

【図8】非定常ノイズ及び例外的ノイズで乱された時系
列データの例を示す図。
FIG. 8 is a diagram showing an example of time series data disturbed by non-stationary noise and exceptional noise.

【図9】図8の時系列データに対し楕円の短軸方向のパ
ラメータが不適当な場合のスムージングの例を示す図。
9 is a diagram showing an example of smoothing in the case where the parameter in the minor axis direction of the ellipse is inappropriate for the time series data of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…データスムージング装置、2…データ入力装置、3
…処理結果出力装置、11…直線性評価値演算部、12
…直線性評価値判定部、13…スムーズドライン決定
部、14…パラメータ自動変更部。
1 ... Data smoothing device, 2 ... Data input device, 3
... processing result output device, 11 ... linearity evaluation value calculation unit, 12
... Linearity evaluation value determination unit, 13 ... Smoothed line determination unit, 14 ... Parameter automatic change unit.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】座標平面上に分布する複数個の点で表わさ
れるデータが入力されると、予め定めた楕円メンバシッ
プ関数の楕円の中心を前記複数個の点から選んだ点列の
中心付近の点に移動し、その点を中心として前記楕円を
回転させ、その任意の回転角における各点の楕円メンバ
シップ関数による適合度の総和と、各点を前記楕円の長
軸に投影した点の楕円メンバシップ関数による適合度の
総和との比率を演算し、その比率を前記データの直線性
評価値として該直線性評価値が最大になる楕円の長軸の
角度を測定し、最初の角度測定時には、その時の楕円の
中心を通り且つ当該角度をもつ線を、当該楕円の中心と
次の角度測定における楕円の中心との中間付近まで引
き、その後は、前回の角度測定によって得られた線の終
点からその時の角度測定によって得られる線の終点まで
直線を引く動作を順次繰返すことにより、前記データを
平滑化した線を出力するデータスムージング装置におい
て、 前記楕円メンバシップ関数の楕円の短軸の長さに相当す
るパラメータを、ノイズの種類や大きさに応じて自動調
整することにより、未知のノイズを含むデータに対して
適切に平滑化した線を生成することを特徴とするデータ
スムージング装置。
1. When data represented by a plurality of points distributed on a coordinate plane is input, the center of an ellipse of a predetermined elliptic membership function is near the center of a point sequence selected from the plurality of points. , The ellipse is rotated about that point, and the sum of goodness of fit by the ellipse membership function of each point at any rotation angle and the point projected on the major axis of the ellipse. A ratio with the sum of the goodness of fit by the ellipse membership function is calculated, the ratio is used as the linearity evaluation value of the data, and the angle of the major axis of the ellipse at which the linearity evaluation value becomes maximum is measured, and the first angle measurement Sometimes, a line that passes through the center of the ellipse at that time and has the angle is drawn up to near the middle of the center of the ellipse and the center of the ellipse in the next angle measurement, and then the line obtained by the previous angle measurement is drawn. Angle from the end point to that time In a data smoothing device that outputs a line obtained by smoothing the data by sequentially repeating the operation of drawing a straight line to the end point of the line obtained by the constant, a parameter corresponding to the length of the minor axis of the ellipse of the ellipse membership function. Is automatically adjusted according to the type and magnitude of noise to generate a line that is appropriately smoothed for data containing unknown noise.
【請求項2】前記データの点列に対して前記直線性評価
値を演算する直線性評価値演算部と、該直線性評価値演
算部で得られた直線性評価値がある閾値以上かどうかを
判定する直線性評価値判定部と、該直線性評価値判定部
で直線性評価値が閾値以上と判定されたとき前記直線性
評価値に基づいて前記データ点列を平坦化若しくは平滑
化した線を決定するスムーズドライン決定部と、前記直
線性評価値判定部で直線性評価値が閾値より小さいと判
定されたとき前記パラメータの値を修正する短軸方向パ
ラメータ自動変更部とで構成されることを特徴とする請
求項1記載のデータスムージング装置。
2. A linearity evaluation value calculation unit for calculating the linearity evaluation value for the point sequence of the data, and whether the linearity evaluation value obtained by the linearity evaluation value calculation unit is greater than or equal to a threshold value. And a linearity evaluation value determining unit that determines whether the data point sequence is flattened or smoothed based on the linearity evaluation value when the linearity evaluation value is determined to be a threshold value or more in the linearity evaluation value determination unit. A smoothed line determination unit that determines a line, and a linear parameter evaluation unit that corrects the value of the parameter when the linearity evaluation value determination unit determines that the linearity evaluation value is smaller than a threshold value. The data smoothing device according to claim 1, wherein
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