JPH08249426A - Data collating device - Google Patents

Data collating device

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JPH08249426A
JPH08249426A JP7052670A JP5267095A JPH08249426A JP H08249426 A JPH08249426 A JP H08249426A JP 7052670 A JP7052670 A JP 7052670A JP 5267095 A JP5267095 A JP 5267095A JP H08249426 A JPH08249426 A JP H08249426A
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JP
Japan
Prior art keywords
point
potential
standard pattern
energy
charge
Prior art date
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Pending
Application number
JP7052670A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kazumasa Kioi
一雅 鬼追
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Sharp Corp filed Critical Sharp Corp
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Publication of JPH08249426A publication Critical patent/JPH08249426A/en
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Abstract

PURPOSE: To provide a data collating device capable of accurately judging the similarity of a reference pattern with an input pattern even when the reference pattern is included in the valley of potential corresponding to the input pattern. CONSTITUTION: This device is equipped with a reference pattern storage part 13 which stores the reference pattern as an elastic body formed in such a way that a lattice is assumed, and a positive charge is arranged in a specific lattice point corresponding to a feature point representing the shape of the reference pattern, and also, a negative charge is arranged in a remaining lattice point. and adjacent point charges are coupled with a first spring, and also, the lattice point is coupled with the point charge arranged on the lattice point with a second spring, a potential generating part 12 which generates an electrostatic field provided with the valley corresponding to the shape of the input pattern, a dynamical equlibrium point evaluating part 16 which places the elastic body in the electrostatic field virtually and finds a position where balance between a Coulomb force and an elastic force is obtained. and an energy evaluating part 17 which calculates the whole energy of the system.

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、文字認識や図形認
識、音声認識などの処理に利用されるデータ照合装置に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a data collating device used for processing such as character recognition, graphic recognition and voice recognition.

【0002】[0002]

【従来の技術】文字や図形の認識を行うためには未知デ
ータと既知データを照合(マッチング)し、何等かの基
準によって類似性を判定することが行われる。
2. Description of the Related Art In order to recognize a character or a figure, unknown data and known data are collated (matched) and the similarity is determined by some standard.

【0003】既知データをテンプレート(標準パターン
の一例)とし、未知データ(入力パターン)との一致の
度合を測るテンプレートマッチング法は最も基本的な照
合方法であり、画像の切り出しなどに利用されている。
しかし、テンプレートマッチング法では、標準パターン
と入力パターンとが基本的には厳密に一致しなければな
らないので、パターン認識などで必要とされる位置ずれ
や回転、変形などには対応できない。
The template matching method, which uses known data as a template (an example of a standard pattern) and measures the degree of matching with unknown data (input pattern), is the most basic matching method and is used for cutting out images. .
However, in the template matching method, since the standard pattern and the input pattern basically have to match exactly, it is not possible to deal with the positional displacement, rotation, deformation, etc., which are required for pattern recognition and the like.

【0004】変形や位置ずれにも対応できる方法とし
て、近年、力学的認識モデルが研究されている。これ
は、標準パターンをゴム等の伸縮性弾性体膜とみなし
て、入力パターンから形成されたポテンシャル場に落し
込み、標準パターンと入力パターンとの間の類似性を、
弾性体の伸縮力とポテンシャル場から受ける力とが釣り
合ったときの系の全体エネルギによって判定する方法で
ある。
In recent years, a mechanical recognition model has been studied as a method capable of coping with deformation and displacement. This considers the standard pattern as a stretchable elastic film such as rubber, and drops it into the potential field formed from the input pattern to determine the similarity between the standard pattern and the input pattern.
This is a method of determining by the total energy of the system when the elastic force of the elastic body and the force received from the potential field are balanced.

【0005】実際のデータ照合装置では計算機によって
数値計算を行うので、仮想的な伸縮性弾性体膜の代わり
に、数値計算に便利な質点とバネを用いる質点モデルが
使われている。質点モデルでは、図13に示すように、
標準パターン301を表す特徴点201を質点とみな
し、各質点間をバネ202で結合する。また、各質点2
01は、それぞれ対応する初期位置200に対してもバ
ネ203で接続されている。そして、初期位置200に
あった質点201がポテンシャル力によって移動し、バ
ネ202,203の復元力と釣り合ったときの系のエネ
ルギを計算する。なお、図13にはポテンシャル場は示
されていない。
In an actual data collating apparatus, since numerical calculation is performed by a computer, a mass point model that uses a mass point and a spring, which is convenient for numerical calculation, is used instead of the virtual stretchable elastic film. In the mass model, as shown in FIG.
The feature points 201 representing the standard pattern 301 are regarded as mass points, and the mass points are connected by the spring 202. Also, each mass point 2
01 are also connected to the corresponding initial positions 200 by springs 203. Then, the energy of the system is calculated when the mass point 201 at the initial position 200 moves by the potential force and balances with the restoring force of the springs 202 and 203. Note that the potential field is not shown in FIG.

【0006】このような質点モデルを採用した従来のデ
ータ照合装置としては、図14に示すようなものが知ら
れている。標準パターン記憶部103は、標準パターン
を質点モデルによって弾性体として表現し、記憶してい
る。一方、ポテンシャル生成部102は、入力パターン
101からパターンの特徴点を谷底とする仮想的なポテ
ンシャル場を生成する。力学的平衡点評価部108は、
生成されたポテンシャル場のデータと標準パターン記憶
部103に記憶されている弾性体とを用いて、力学的な
力の釣り合い位置を求める。
As a conventional data collating device employing such a mass point model, one shown in FIG. 14 is known. The standard pattern storage unit 103 represents and stores the standard pattern as an elastic body using a mass model. On the other hand, the potential generation unit 102 generates, from the input pattern 101, a virtual potential field having the valleys at the characteristic points of the pattern. The mechanical equilibrium point evaluation unit 108
Using the generated potential field data and the elastic body stored in the standard pattern storage unit 103, the mechanical force balance position is obtained.

【0007】今、画像データを想定してポテンシャルを
Φ(X,Y)、質点の質量をm、標準パターンを構成す
る全質点の数をn個とする。標準パターン中のi番目の
質点の初期位置を位置ベクトルοiで表し、時刻tにお
ける位置を位置ベクトルξi(t)で表す。初期位置と
質点とを接続するバネ203のバネ定数をkoとする
と、初期位置への復元力ベクトルniは ni=ko(οi−ξi) …(1) と表される。
Now, assuming image data, the potential is Φ (X, Y), the mass of a mass point is m, and the number of all mass points forming a standard pattern is n. The initial position of the i-th mass point in the standard pattern is represented by a position vector o i , and the position at time t is represented by a position vector ξ i (t). When the spring constant of the spring 203 connecting the initial position and the mass point is k o , the restoring force vector n i to the initial position is expressed as n i = k o (ο i −ξ i ) ... (1).

【0008】また、質点間を接続するバネ202のバネ
定数をkNとする。j番目の質点がi番目の質点と接続
関係にあるとき、両質点間の変位に対する復元力ベクト
ルΝiは Ni=ΣjN(|ξj−ξi|−|οj−οi|)(ξj−ξi)/|ξj−ξi| …(2) と表される。
The spring constant of the spring 202 connecting the mass points is k N. When the j-th mass point is connected to the i-th mass point, the restoring force vector Ν i for displacement between both mass points is N i = Σ j k N (| ξ j −ξ i | − | ο j −ο i |) (Ξ j −ξ i ) / | ξ j −ξ i | ... (2)

【0009】また、ポテンシャルΦによって受ける力の
ベクトルfiは、 fi=−m▽Φ …(3) と表される。
Further, the vector f i of the force received by the potential Φ is expressed as f i = −m∇Φ ... (3)

【0010】各質点の加速度ベクトルをαi(t)とし
て、各質点毎に式(1),(2),(3)の合力による
運動方程式 ni+Νi+fi=mαi(t) …(4) に従った運動を考える。そして、すべてのiについて、 |ni+Νi+fi|<ε …(5) となった時に系が釣り合いの状態(力学的平衡点)にあ
ると判断する。但し、εは十分小さい値であることを表
す。
Letting the acceleration vector of each mass point be α i (t), the equation of motion by the resultant force of formulas (1), (2), and (3) n i + Ν i + f i = m α i (t) ... (4) Consider exercise according to. Then, for all i, when | n i + N i + f i | <ε (5), it is determined that the system is in a balanced state (dynamic equilibrium point). However, ε represents a sufficiently small value.

【0011】力学的平衡点評価部108が式(5)を満
たす状態を求めたならば、エネルギ評価部107が、そ
のときの系の全体エネルギEを計算する。すなわち、次
式(6)に示すように、ポテンシャルエネルギmΦ、質
点間バネの弾性エネルギkN(|ξj−ξi|−|οj−ο
i|)2/2、および初期位置バネの弾性エネルギko|οi
−ξi|2/2をすべての質点およびバネについて加算す
る。
When the mechanical equilibrium point evaluation unit 108 finds a state that satisfies the equation (5), the energy evaluation unit 107 calculates the total energy E of the system at that time. That is, as shown in the following equation (6), the potential energy mΦ and the elastic energy k N (| ξ j −ξ i | − | ο j −ο
i |) 2/2, and the initial position the spring of the elastic energy k o | o i
i | 2/2 to be added for all of the mass point and the spring.

【0012】 E=Σi(mΦ+ΣjN(|ξj−ξi|−|οj−οi|)2/2 +ko|οi−ξi|2/2) …(6) この全体エネルギEの大小によって標準パターンと入力
パターンとの間の類似性を判定することができる。
[0012] E = Σ i (mΦ + Σ j k N (| ξ j -ξ i | - | ο j -ο i |) 2/2 + k o | ο i -ξ i | 2/2) ... (6) This The similarity between the standard pattern and the input pattern can be determined by the magnitude of the total energy E.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】ところで、図15,図
16は共に7個の特徴点201を持つ標準パターン30
2,303がポテンシャル面(z座標がポテンシャル値
に相当する)300上でそれぞれ平衡点に達した状態を
立体的に示している。なお、これらを平面的に示したの
が図18,図19である(図中、特徴点201の初期位
置を「×」印で示している)。図15は標準パターン3
02の特徴点201がポテンシャルの谷300aから大
きくずれている場合、図16は標準パターン303の特
徴点201がポテンシャルの谷300aと略一致してい
る場合に相当する。
By the way, FIG. 15 and FIG. 16 both show a standard pattern 30 having seven feature points 201.
2, 303 three-dimensionally shows a state in which each equilibrium point is reached on the potential surface 300 (z coordinate corresponds to the potential value). Note that these are shown in plan view in FIGS. 18 and 19 (in the drawings, the initial position of the feature point 201 is indicated by the “x” mark). FIG. 15 shows the standard pattern 3
When the characteristic point 201 of 02 is largely deviated from the valley 300a of the potential, FIG. 16 corresponds to the case where the characteristic point 201 of the standard pattern 303 is substantially coincident with the valley 300a of the potential.

【0014】ポテンシャルの最小値をΦmin=0、ポテ
ンシャルの最大値をΦmax=5(単位は任意)とし、各
質点の質量をm=1としたとき、上述の式(6)に従っ
て計算されたエネルギ値Eは、それぞれ図15の場合が
E=26.49、図16の場合がE=1.71となる。
つまり、入力パターン(ポテンシャル)と標準パターン
との類似性が高い方(図16)が系のエネルギEが小さ
くなり、期待された結果となる。
When the minimum value of the potential is Φ min = 0, the maximum value of the potential is Φ max = 5 (the unit is arbitrary), and the mass of each mass point is m = 1, it is calculated according to the above equation (6). The energy value E becomes E = 26.49 in the case of FIG. 15 and E = 1.71 in the case of FIG.
That is, the higher the similarity between the input pattern (potential) and the standard pattern (FIG. 16), the smaller the energy E of the system and the expected result.

【0015】次に、図17に示すように、標準パターン
304の特徴点201がポテンシャルの谷300aの一
部だけに存在しており、標準パターンと入力パターンと
の間の類似性があまり高くない場合を想定する。標準パ
ターン304は3個の特徴点201で表されている。な
お、これを平面的に示したのが図20である。この場合
の系のエネルギEを、図15,図16の場合と同様にし
て求めると、E=1.09となり、非常に小さい値とな
る。このように、質点モデルによれば、標準パターンを
構成する特徴点201の数が少なく、標準パターンがポ
テンシャルの谷300aに包含されてしまう場合には、
パターンの類似性はあまり高くないにもかかわらず、系
のエネルギ値Eが小さくなる。このため、類似性を正し
く判定できないという問題がある。
Next, as shown in FIG. 17, the characteristic points 201 of the standard pattern 304 exist only in a part of the potential valley 300a, and the similarity between the standard pattern and the input pattern is not so high. Imagine a case. The standard pattern 304 is represented by three feature points 201. It is to be noted that FIG. 20 shows this in plan view. When the energy E of the system in this case is obtained in the same manner as in FIGS. 15 and 16, E = 1.09, which is a very small value. As described above, according to the mass point model, when the number of feature points 201 forming the standard pattern is small and the standard pattern is included in the potential valley 300a,
Although the pattern similarity is not very high, the energy value E of the system is small. Therefore, there is a problem that the similarity cannot be correctly determined.

【0016】また、質点モデルでは初期位置から出発し
て、各質点に働く力を計算した上で運動方程式に従って
質点の運動を計算し、力学的緩和過程によって力が釣り
合う位置を求めている。この力学的緩和過程では、多体
系であるので各質点毎に微小時間毎の移動量を逐次計算
しなければならない。このため、実用的な規模のケース
では計算に時間がかかるという問題がある。
In the mass point model, starting from the initial position, the force acting on each mass point is calculated, then the motion of the mass point is calculated according to the equation of motion, and the position where the forces balance is obtained by the mechanical relaxation process. In this mechanical relaxation process, since there are many systems, it is necessary to sequentially calculate the movement amount for each minute time for each mass point. Therefore, there is a problem that the calculation takes time in the case of a practical scale.

【0017】そこで、この発明の目的は、標準パターン
が入力パターンに対応するポテンシャルの谷に包含され
るような場合であっても、標準パターンと入力パターン
との類似性を正確に判定することができるデータ照合装
置を提供することにある。さらなる目的は、運動方程式
に基づく移動量を逐次追跡することなく、力の釣り合う
位置をより高速に求めることができるデータ照合装置を
提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to accurately determine the similarity between the standard pattern and the input pattern even when the standard pattern is included in the potential valleys corresponding to the input pattern. The object is to provide a data collation device that can do so. It is a further object of the present invention to provide a data collating device capable of obtaining a position where forces are balanced at a higher speed without sequentially tracking the amount of movement based on the equation of motion.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1に記載のデータ照合装置は、標準パターン
と入力パターンとの類似性を判定するデータ照合装置で
あって、上記標準パターンの形状を表す特徴点に対応す
る特定の格子点に正電荷を配置するとともに、残りの格
子点に負電荷を配置し、上記格子点上に配置した隣り合
う点電荷の間を行方向および列方向に第1のバネで結合
するとともに、上記格子点とその上に配置した点電荷と
の間をそれぞれ第2のバネで結合してなる弾性体とし
て、上記標準パターンを記憶する標準パターン記憶部
と、上記弾性体が置かれるべき2次元領域内に、上記入
力パターンの形状に対応して、特定の領域のポテンシャ
ル値が残りの領域のポテンシャル値に比して低く設定さ
れた静電場を生成するポテンシャル生成部と、上記標準
パターン記憶部が記憶している上記弾性体を、上記ポテ
ンシャル生成部が生成した静電場に置いたときに、上記
各点電荷が上記静電場から受けるクーロン力と上記第1
および第2のバネから受ける弾性力とが釣り合う位置を
求める力学的平衡点評価部と、上記釣り合う位置にある
ときの、上記点電荷の静電ポテンシャルエネルギと上記
第1および第2のバネによる弾性エネルギとの和を算出
するエネルギ評価部とを備えたことを特徴としている。
In order to achieve the above object, a data collating apparatus according to claim 1 is a data collating apparatus for determining the similarity between a standard pattern and an input pattern, and A positive charge is placed at a specific lattice point corresponding to the feature point representing the shape, a negative charge is placed at the remaining lattice points, and the row and column directions are placed between adjacent point charges placed on the lattice points. And a standard pattern storage unit that stores the standard pattern as an elastic body that is coupled by a first spring and the lattice points and point charges arranged on the lattice points are coupled by a second spring. , Generates an electrostatic field in the two-dimensional region in which the elastic body is to be placed, in which the potential value of the specific region is set lower than the potential values of the remaining regions, corresponding to the shape of the input pattern. Po When the initial generation unit and the elastic body stored in the standard pattern storage unit are placed in the electrostatic field generated by the potential generation unit, the Coulomb force received by the point charge from the electrostatic field and the 1
And a mechanical equilibrium point evaluation unit that obtains a position where the elastic force received from the second spring and the elastic force received from the second spring, and the electrostatic potential energy of the point charge and the elasticity of the first and second springs at the balanced position. An energy evaluation unit for calculating the sum of energy and energy is provided.

【0019】また、請求項2に記載のデータ照合装置
は、請求項1に記載のデータ照合装置において、上記各
点電荷の格子点に対する相対座標の組を遺伝子として持
つ個体の集団を発生させる個体集団発生部と、上記個体
の集団に対して、淘汰、選択、突然変異および交配の少
なくとも一つを含む遺伝的操作を施して、上記各点電荷
の格子点に対する新たな相対座標の組を遺伝子として持
つ新たな個体の集団を生成する遺伝的操作部とを備えた
ことを特徴としている。
A data collating apparatus according to a second aspect is the data collating apparatus according to the first aspect, wherein individuals that generate a group of individuals having a set of relative coordinates with respect to a lattice point of each point charge as a gene are generated. A genetic operation including at least one of selection, selection, mutation and mating is performed on the population generation part and the population of the individual to generate a new set of relative coordinates with respect to the lattice point of each point charge. And a genetic manipulation unit for generating a new population of individuals.

【0020】[0020]

【作用】請求項1のデータ照合装置は次のように動作す
る。
The data collating apparatus according to the first aspect operates as follows.

【0021】標準パターン記憶部は予め、標準パターン
を弾性体として記憶している。すなわち、上記標準パタ
ーンの形状を表す特徴点に対応する特定の格子点に正電
荷を配置するとともに、残りの格子点に負電荷を配置
し、上記格子点上に配置した隣り合う点電荷の間を行方
向および列方向に第1のバネで結合するとともに、上記
格子点とその上に配置した点電荷との間を第2のバネで
結合してなる弾性体として、上記標準パターンを記憶し
ている。
The standard pattern storage unit stores standard patterns as elastic bodies in advance. That is, a positive charge is arranged at a specific lattice point corresponding to the characteristic point representing the shape of the standard pattern, and a negative charge is arranged at the remaining lattice points, and between the adjacent point charges arranged on the lattice point. The above-mentioned standard pattern is stored as an elastic body in which is connected by the first spring in the row direction and the column direction, and is connected by the second spring between the lattice points and the point charges arranged thereon. ing.

【0022】ポテンシャル生成部は、上記弾性体が置か
れるべき2次元領域内に、外部から入力された入力パタ
ーンの形状に対応して、特定の領域のポテンシャル値が
残りの領域のポテンシャル値に比して低く設定された静
電場を生成する。
The potential generation unit compares the potential value of a specific area with the potential values of the remaining areas in the two-dimensional area where the elastic body is to be placed, corresponding to the shape of the input pattern input from the outside. To generate a low electrostatic field.

【0023】次に、力学的平衡点評価部は、上記標準パ
ターン記憶部が記憶している上記弾性体を、上記ポテン
シャル生成部が生成した静電場に置いたときに、上記各
点電荷が上記静電場から受けるクーロン力と上記第1お
よび第2のバネから受ける弾性力とが釣り合う位置(力
学的平衡点)を求める。
Next, when the elastic body stored in the standard pattern storage unit is placed in the electrostatic field generated by the potential generation unit, the mechanical equilibrium point evaluation unit determines that each point charge is A position (dynamic equilibrium point) where the Coulomb force received from the electrostatic field and the elastic force received from the first and second springs are balanced is obtained.

【0024】次に、エネルギ評価部は、上記力学的平衡
点にあるときの、上記点電荷の静電ポテンシャルエネル
ギと上記第1および第2のバネによる弾性エネルギとの
和を求める。
Next, the energy evaluation section obtains the sum of the electrostatic potential energy of the point charge and the elastic energy of the first and second springs at the mechanical equilibrium point.

【0025】ここで、標準パターンと入力パターンとの
間の類似性が高いときは上記エネルギ和の値が小さくな
る一方、標準パターンと入力パターンとの間の類似性が
低いときは上記エネルギ和の値が大きくなる。したがっ
て、このエネルギ和の大小によって標準パターンと入力
パターンとの間の類似性を判定することができる。
Here, when the similarity between the standard pattern and the input pattern is high, the value of the energy sum becomes small, while when the similarity between the standard pattern and the input pattern is low, the energy sum becomes high. The value increases. Therefore, the similarity between the standard pattern and the input pattern can be determined by the magnitude of this energy sum.

【0026】しかも、このデータ照合装置では、標準パ
ターンが入力パターンに対応するポテンシャルの谷に包
含されるような場合であっても、標準パターンと入力パ
ターンとの間の類似性を正しく判定することができる。
すなわち、標準パターンが入力パターンに対応するポテ
ンシャルの谷に包含されるような場合、初期状態におい
てポテンシャルの谷底近辺に正電荷とともに負電荷が存
在する。この負電荷は、第1および第2のバネによる弾
性力のせいで、平衡状態においてもポテンシャルの谷か
ら抜け出せず、釣り合い位置に移動した後もポテンシャ
ルの谷底近辺に留まる。このため結果として大きなポテ
ンシャルエネルギを持つ。したがって、標準パターンの
特徴点がポテンシャルの谷の一部にだけ存在する場合
は、この負電荷の持つポテンシャルエネルギの寄与が大
きくなって、系全体のエネルギが大きくなる。この結
果、標準パターンと入力パターンとの間の類似性が正し
く判定される。
Moreover, in this data collating apparatus, even if the standard pattern is included in the valley of the potential corresponding to the input pattern, the similarity between the standard pattern and the input pattern can be correctly determined. You can
That is, when the standard pattern is included in the potential valley corresponding to the input pattern, negative charges as well as positive charges exist near the bottom of the potential valley in the initial state. Due to the elastic force of the first and second springs, this negative charge does not escape from the potential valley even in the equilibrium state, and remains near the potential valley bottom even after moving to the equilibrium position. Therefore, as a result, it has a large potential energy. Therefore, when the characteristic points of the standard pattern exist only in a part of the potential valley, the contribution of the potential energy of this negative charge becomes large, and the energy of the entire system becomes large. As a result, the similarity between the standard pattern and the input pattern is correctly determined.

【0027】請求項2のデータ照合装置では、個体集団
発生部が、上記各点電荷の格子点に対する相対座標の組
を遺伝子として持つ個体の集団を発生させる。力学的平
衡点評価部は、上記集団に属する各個体が持つ相対座標
の組に応じて上記弾性体の点電荷が変位したものを、上
記ポテンシャル生成部が想定した2次元領域に置く。こ
れにより、上記各点電荷が上記静電場から受けるクーロ
ン力と上記第1および第2のバネから受ける弾性力とが
釣り合う位置(力学的平衡点)にあるか否かを判断す
る。上記集団中に釣り合い条件を満たす個体が見つから
ないときは、遺伝的操作部が上記個体の集団に対して、
淘汰、選択、突然変異および交配の少なくとも一つを含
む遺伝的操作を施して、上記各点電荷の格子点に対する
新たな相対座標の組を遺伝子として持つ新たな個体の集
団を生成する。力学的平衡点評価部は、この新たな世代
の集団の各個体が持つ相対座標の組に応じて上記弾性体
の各点電荷が変位したものを、再び上記ポテンシャル生
成部が想定した2次元領域に置く。これにより、上記各
点電荷が上記静電場から受けるクーロン力と上記第1お
よび第2のバネから受ける弾性力とが釣り合う位置(力
学的平衡点)にあるか否かを判断する。このようにし
て、遺伝的操作部によって新たな世代の集団を次々と生
成し、力学的平衡点評価部によって釣り合い条件を判定
する。集団中に釣り合い条件を満たす個体が見つかった
ときは、エネルギ評価部が、上記釣り合い位置におけ
る、上記点電荷の静電ポテンシャルエネルギと上記第1
および第2のバネによる弾性エネルギとの和を求める。
In the data collating apparatus according to the second aspect, the individual group generation unit generates a group of individuals having as a gene a set of relative coordinates with respect to the lattice point of each point charge. The mechanical equilibrium point evaluation unit places a point charge of the elastic body displaced in accordance with a set of relative coordinates of each individual belonging to the group in a two-dimensional area assumed by the potential generation unit. Thus, it is determined whether or not the point charges are in a position (dynamic equilibrium point) where the Coulomb force received from the electrostatic field and the elastic force received from the first and second springs are balanced. When an individual satisfying the balance condition is not found in the population, the genetic operation unit is
A genetic operation including at least one of selection, selection, mutation and mating is performed to generate a new population of individuals having a new set of relative coordinates with respect to the lattice point of each point charge as a gene. The dynamic equilibrium point evaluation unit is a two-dimensional region assumed by the potential generation unit again assuming that each point charge of the elastic body is displaced according to the set of relative coordinates of each individual of this new generation group. Put on. Thus, it is determined whether or not the point charges are in a position (dynamic equilibrium point) where the Coulomb force received from the electrostatic field and the elastic force received from the first and second springs are balanced. In this way, new generation groups are generated one after another by the genetic operation unit, and the equilibrium condition is determined by the mechanical equilibrium point evaluation unit. When an individual satisfying the equilibrium condition is found in the group, the energy evaluation unit determines the electrostatic potential energy of the point charge and the first electric charge at the equilibrium position.
And the sum of the elastic energy of the second spring and the elastic energy of the second spring.

【0028】このように、このデータ照合装置は、遺伝
的アルゴリズムの手法によって各点電荷の位置座標を発
生させることができる。このようにした場合、力学的平
衡点評価部は運動方程式の解析を行う必要がなく、個体
が持つ相対座標の組に基づいて力の釣り合い条件だけを
評価すれば良い。しかも、遺伝的操作部が一度に複数の
個体を生成するので、力学的平衡点評価部は、複数の個
体が持つ相対座標の組に基づいて、並列に評価を実行す
ることが可能となる。したがって、時間経過による運動
過程を逐次的に追跡する場合に比して、力の釣り合い位
置を高速に求めることができる。
As described above, this data collating apparatus can generate the position coordinates of each point charge by the method of the genetic algorithm. In this case, the dynamic equilibrium point evaluation unit does not need to analyze the equation of motion, and only needs to evaluate the force balance condition based on the set of relative coordinates of the individual. Moreover, since the genetic operation unit generates a plurality of individuals at a time, the mechanical equilibrium point evaluation unit can execute the evaluations in parallel based on the set of relative coordinates of the plurality of individuals. Therefore, the force balance position can be obtained at a higher speed than in the case of sequentially tracking the movement process over time.

【0029】[0029]

【実施例】以下、この発明のデータ照合装置を実施例に
より詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The data collating apparatus of the present invention will be described in detail below with reference to embodiments.

【0030】図1は、一実施例のデータ照合装置のブロ
ック構成を示している。このデータ照合装置は、ポテン
シャル生成部12と、標準パターン記憶部13と、力学
的平行点評価部16と、エネルギ評価部17を備えてい
る。なお、個体集団発生部14と、遺伝的操作部15と
については便宜上後述する。
FIG. 1 shows a block configuration of a data collating apparatus according to an embodiment. This data collating apparatus includes a potential generation unit 12, a standard pattern storage unit 13, a mechanical parallel point evaluation unit 16, and an energy evaluation unit 17. The individual population generation unit 14 and the genetic manipulation unit 15 will be described later for convenience.

【0031】このデータ照合装置は、力学的認識モデル
における仮想的弾性体膜を、格子上に置かれた点電荷と
バネによって表現した点電荷モデルを採用している。す
なわち、この点電荷モデルでは、図4,図5に例示する
ように、格子を想定する。そして、行列状に並ぶ格子点
のうち、標準パターンを表す特徴点に対応する特定の格
子点に正電荷(図中「●」印で示す)41を配置する。
残りの格子点にはすべて負電荷(図中「○」印で示す)
43を配置する。上記格子点上に配置した隣り合う各点
電荷の間を、格子に沿って行方向および列方向に第1の
バネ42で結合する。また、各点電荷は、それぞれ対応
する格子点(図中「×」印で示す初期位置)に対しても
図示しない第2のバネで結合されている。
This data collating apparatus employs a point charge model in which a virtual elastic film in a mechanical recognition model is represented by a point charge placed on a lattice and a spring. That is, in this point charge model, a lattice is assumed as illustrated in FIGS. Then, among the lattice points arranged in a matrix, positive charges (indicated by “●” in the figure) 41 are arranged at specific lattice points corresponding to the characteristic points representing the standard pattern.
All the remaining lattice points are negatively charged (indicated by "○" in the figure)
43 is arranged. The adjacent point charges arranged on the grid point are coupled by the first spring 42 in the row direction and the column direction along the grid. Further, each point charge is also coupled to a corresponding lattice point (initial position indicated by "x" mark in the figure) by a second spring (not shown).

【0032】なお、この実施例では2値画像を取り扱う
場合を想定し、点電荷は正のものは+1、負のものは−
1の2値をとるものとする。多階調画像を扱う場合に
は、階調によって適当なしきい値を設けて、正電荷と負
電荷の区別および電荷量を設定すれば良い。
In this embodiment, it is assumed that a binary image is handled, and the positive point charge is +1 and the negative point charge is-.
A binary value of 1 is assumed. When handling a multi-gradation image, an appropriate threshold value may be set depending on the gradation to set positive charge and negative charge and set the charge amount.

【0033】ポテンシャル生成部12は、入力パターン
11の形状に対応したポテンシャル場を生成する。
The potential generator 12 generates a potential field corresponding to the shape of the input pattern 11.

【0034】例えば、入力パターンを表す2値画像にお
いて、黒画素(特徴点)の値をポテンシャルの最小値Φ
min=0、白画素の値をポテンシャルの最大値Φmax=3
とする。そして、図6,図7に例示するように、黒画素
(特徴点)に隣接する白画素に対して1次関数的変換処
理を施して、ポテンシャル面30を生成する。図6の例
では、中央近傍の行方向に隣接する2つの黒画素にポテ
ンシャルの最小値Φmin=0、この2つの黒画素の周囲
を取り巻く白画素にポテンシャル値1、その白画素の外
側を取り巻く白画素にポテンシャル値2が与えられてい
る。さらにその外側の白画素の値はポテンシャルの最大
値Φmax=3となっている。図7の例では、中央近傍の
斜めに隣接する2つの黒画素と、行方向に2画素分離間
したもう1つの黒画素とにポテンシャルの最小値Φmin
=0、これらの黒画素に隣接しそれぞれの周囲を取り巻
く白画素にポテンシャル値1が与えられている。このポ
テンシャル値1の白画素は連結した閉領域をつくってい
る。この閉領域の外側を取り巻く白画素にポテンシャル
値2が与えられ、さらにその外側の白画素の値はポテン
シャルの最大値Φmax=3となっている。このようにし
て、ポテンシャル生成部12は、入力パターン11に対
応して、黒画素(谷底)に向かって直線的に傾斜したポ
テンシャルの谷と、その外側に連なる平坦部とを有する
ポテンシャル面30を生成する。
For example, in the binary image representing the input pattern, the value of the black pixel (feature point) is set to the minimum potential value Φ.
min = 0, the white pixel value is the maximum potential value Φ max = 3
And Then, as illustrated in FIGS. 6 and 7, a white surface pixel adjacent to the black pixel (feature point) is subjected to a linear functional conversion process to generate the potential surface 30. In the example of FIG. 6, the minimum potential value Φ min = 0 for two black pixels adjacent in the row direction near the center, the potential value 1 for the white pixels surrounding the two black pixels, and the outside of the white pixel. A potential value of 2 is given to the surrounding white pixels. Further, the value of the white pixel on the outside is the maximum potential value Φ max = 3. In the example of FIG. 7, the minimum potential value Φ min for two diagonally adjacent black pixels near the center and another black pixel separated by two pixels in the row direction.
= 0, the potential value 1 is given to the white pixels adjacent to these black pixels and surrounding each of them. The white pixel having the potential value 1 forms a connected closed region. The potential value 2 is given to the white pixels surrounding the outside of this closed region, and the value of the white pixels outside that is the maximum potential value Φ max = 3. In this way, the potential generation unit 12 forms the potential surface 30 corresponding to the input pattern 11 and has the potential valley linearly inclined toward the black pixel (valley bottom) and the flat portion connected to the outside thereof. To generate.

【0035】ポテンシャル生成部12は、生成したポテ
ンシャル面30を表すデータを力学的平衡点評価部16
へ転送する。
The potential generation unit 12 uses the data representing the generated potential surface 30 as the mechanical equilibrium point evaluation unit 16.
Transfer to

【0036】一方、標準パターン記憶部13は、各種の
標準パターンに対応した点電荷パターンを記憶してお
り、この点電荷パターンを表すデータを順次力学的平衡
点評価部16へ送出する。
On the other hand, the standard pattern storage unit 13 stores point charge patterns corresponding to various standard patterns, and sequentially sends data representing the point charge patterns to the mechanical equilibrium point evaluation unit 16.

【0037】力学的平衡点評価部16は、ポテンシャル
生成部12によって与えられたポテンシャル面30に、
標準パターン記憶部13から送られてきた点電荷パター
ンを落とし込み、次のようにして力の釣り合いを評価す
る。
The mechanical equilibrium point evaluation unit 16 applies the potential surface 30 provided by the potential generation unit 12 to
The point charge pattern sent from the standard pattern storage unit 13 is dropped, and the force balance is evaluated as follows.

【0038】すなわち、質点モデルのときと同様に、ポ
テンシャルをΦ(X,Y)とし、標準パターンを構成す
る全点電荷の数をn個とする。標準パターン中のi番目
の点電荷の初期位置を位置ベクトルοiで表し、移動後
の位置を位置ベクトルξiで表す。
That is, as in the case of the mass point model, the potential is Φ (X, Y) and the number of all point charges forming the standard pattern is n. The initial position of the i-th point charge in the standard pattern is represented by a position vector oi, and the position after movement is represented by a position vector ξi.

【0039】初期位置と点電荷とを接続するバネのバネ
定数をkoとすると、初期位置への復元力ベクトルniは ni=ko(οi−ξi) …(1) と表される。
Assuming that the spring constant of the spring connecting the initial position and the point charge is k o , the restoring force vector n i to the initial position is expressed as n i = k o (ο i −ξ i ) ... (1) To be done.

【0040】また、点電荷間を接続するバネ42のバネ
定数をkNとする。j番目の点電荷がi番目の点電荷と
接続関係にあるとき、両点電荷間の変位に対する復元力
ベクトルΝiは Ni=ΣjN(|ξj−ξi|−|οj−οi|)(ξj−ξi)/|ξj−ξi| …(2) と表される。
The spring constant of the spring 42 connecting the point charges is k N. When the j-th point charge is connected to the i-th point charge, the restoring force vector Ν i for the displacement between the point charges is N i = Σ j k N (| ξ j −ξ i | − | ο j −ο i |) (ξ j −ξ i ) / | ξ j −ξ i | ... (2)

【0041】また、ポテンシャルΦによって受ける力の
ベクトルfQ iは fQ i=−q▽Φ …(3A) (ただし、q=+1またはq=−1)と表される。
The vector f Q i of the force received by the potential Φ is expressed as f Q i = -q ▽ Φ (3A) (where q = + 1 or q = -1).

【0042】各点電荷の加速度ベクトルをαi(t)と
して、各点電荷毎に式(1),(2),(3A)の合力
による運動方程式 ni+Νi+fQ i=mαi(t) …(4A) に従った運動を考える。そして、すべてのiについて、 |ni+Νi+fQ i|<ε …(5A) となった時に系が釣り合いの状態(力学的平衡点)にあ
ると判断する。但し、εは十分小さい値であることを表
す。
With the acceleration vector of each point charge being α i (t), the equation of motion n i + Ν i + f Q i = mα i (m α i (m) for each point charge based on the resultant force of equations (1), (2) and (3A) t) Consider an exercise according to (4A). Then, for all i, when | n i + Ν i + f Q i | <ε (5A), it is determined that the system is in a balanced state (dynamic equilibrium point). However, ε represents a sufficiently small value.

【0043】力学的平衡点評価部16が式(5A)を満
たす状態を求めたならば、エネルギ評価部17が、その
ときの系の全体エネルギEを計算する。すなわち、次式
(6A)に示すように、ポテンシャルエネルギqΦ、点
電荷間バネの弾性エネルギkN(|ξj−ξi|−|οj−οi
|)2/2、および初期位置バネの弾性エネルギko|οi
−ξi|2/2をすべての点電荷およびバネについて加算
する。
When the mechanical equilibrium point evaluation unit 16 obtains the state satisfying the expression (5A), the energy evaluation unit 17 calculates the total energy E of the system at that time. That is, as shown in the following equation (6A), the potential energy qΦ and the elastic energy k N (| ξ j −ξ i | − | ο j −ο i
|) 2/2, and the initial position the spring of the elastic energy k o | o i
i | 2/2 every point summation over charge and spring.

【0044】 E=Σi(qΦ+ΣjN(|ξj−ξi|−|οj−οi|)2/2 +ko|οi−ξi|2/2) …(6A) この全体エネルギEの大小によって標準パターンと入力
パターンとの間の類似性を判定することができる。
[0044] E = Σ i (qΦ + Σ j k N (| ξ j -ξ i | - | ο j -ο i |) 2/2 + k o | ο i -ξ i | 2/2) ... (6A) this The similarity between the standard pattern and the input pattern can be determined by the magnitude of the total energy E.

【0045】図2,図3は点電荷モデルにおける標準パ
ターン32,33がポテンシャル面(z座標がポテンシ
ャル値に相当する)30上でそれぞれ平衡点に達した状
態を立体的に示している。なお、これらを平面的に示し
たのが図4,図5である(図中、各点電荷41,43の
初期位置を「×」印で示している)。図2は標準パター
ンが32の特徴点(4個)41がポテンシャルの谷30
aの一部だけに存在しており、標準パターンと入力パタ
ーンとの間の類似性があまり高くない場合を示してい
る。一方、図3は標準パターンと入力パターンとが略一
致している場合を示している。
FIGS. 2 and 3 show three-dimensionally the state where the standard patterns 32 and 33 in the point charge model reach the equilibrium points on the potential surface (z coordinate corresponds to the potential value) 30, respectively. It is to be noted that these are shown in plan view in FIGS. 4 and 5 (in the drawings, initial positions of the point charges 41 and 43 are indicated by “x” marks). In FIG. 2, the feature points (4) 41 having 32 standard patterns are the potential valleys 30.
It is present only in part of a, and shows the case where the similarity between the standard pattern and the input pattern is not very high. On the other hand, FIG. 3 shows a case where the standard pattern and the input pattern substantially match.

【0046】ポテンシャルの最小値をΦmin=0、ポテ
ンシャルの最大値をΦmax=5(単位は任意)とし、上
述の式(6A)に従って計算したエネルギ値Eは、それ
ぞれ図2の場合がE=16.92、図3の場合がE=1
0.40となる。つまり、入力パターン(ポテンシャ
ル)と標準パターンとの類似性が高い方(図3)が系の
エネルギEが小さくなり、期待された結果となる。
The minimum value of the potential is Φ min = 0, the maximum value of the potential is Φ max = 5 (the unit is arbitrary), and the energy value E calculated according to the above equation (6A) is E in the case of FIG. = 16.92, E = 1 in the case of FIG.
It becomes 0.40. That is, the higher the similarity between the input pattern (potential) and the standard pattern (FIG. 3), the smaller the energy E of the system and the expected result.

【0047】この理由は次のとおりである。この点電荷
モデルでは、正電荷(特徴点)がポテンシャル場からポ
テンシャルの谷へ向かう力を受けるとともに、負電荷が
ポテンシャル場からポテンシャルの山へ向かう力をポテ
ンシャル場から受ける。しかし、初期状態においてポテ
ンシャルの谷底近辺にあった負電荷43は、バネによる
弾性力のせいで、平衡状態においてもポテンシャルの谷
30aから抜け出せず、釣り合い位置に移動した後もポ
テンシャルの谷底近辺に留まる。このため、結果として
大きなポテンシャルエネルギを持つことになる。したが
って、図2のように標準パターンの特徴点41がポテン
シャルの谷30aの一部にだけ存在する場合は、この負
電荷の持つポテンシャルエネルギの寄与が大きくなっ
て、系全体のエネルギEが大きくなるのである。
The reason for this is as follows. In this point-charge model, positive charges (feature points) receive a force from the potential field to the potential valley, and negative charges receive a force from the potential field to the potential peak from the potential field. However, due to the elastic force of the spring, the negative charge 43, which was near the valley of the potential in the initial state, cannot escape from the valley 30a of the potential even in the equilibrium state, and remains near the valley of the potential even after moving to the equilibrium position. . Therefore, as a result, it has a large potential energy. Therefore, when the characteristic point 41 of the standard pattern exists only in a part of the potential valley 30a as shown in FIG. 2, the contribution of the potential energy of this negative charge becomes large and the energy E of the entire system becomes large. Of.

【0048】このように点電荷モデルによると、標準パ
ターンが入力パターンに対応するポテンシャルの谷に包
含されるような場合であっても、標準パターンと入力パ
ターンとの間の類似性を正しく判定することができる。
As described above, according to the point charge model, the similarity between the standard pattern and the input pattern is correctly determined even if the standard pattern is included in the potential valley corresponding to the input pattern. be able to.

【0049】さて、このデータ照合装置では、図1中に
示した個体集団発生部14と遺伝的操作部15とを動作
させることによって、力学的平衡点を高速に求めること
ができる。
In this data collating apparatus, the mechanical equilibrium point can be obtained at high speed by operating the individual population generating section 14 and the genetic operating section 15 shown in FIG.

【0050】詳しくは、まず、個体集団発生部14は、
遺伝的操作を行うための対象としてM個(Mは自然数)
の個体を発生する。各個体は、その染色体に、上記各点
電荷の初期位置(対応する格子点)からのずれ、すなわ
ち各点電荷の相対座標の組を遺伝子として有している。
Specifically, first, the individual population generating section 14
M objects (M is a natural number) as targets for genetic manipulation
To generate an individual. Each individual has, on its chromosome, a shift from the initial position (corresponding lattice point) of each point charge, that is, a set of relative coordinates of each point charge as a gene.

【0051】例えば、図9に示すように、標準パターン
について、初期状態で、行列状に並ぶ格子点のうち、
(X,Y)座標が(1,1),(1,2)である格子点
に負電荷m1,m2が配置され、(X,Y)座標が(2,
1),(2,2)である格子点に正電荷(特徴点)
3,m4が配置されたとする。この4つの点電荷m1
2,m3,m4が、図11中の親1に示すような位置に
移動したとき、図10(a)に示すように、この個体(親
1)の染色体は、遺伝子として4つの相対座標の組
{(0.1,−0.4),(0.1,0.7),(0.
2,−0.5),(0.1,−0.4)}を有する。例
えば、この4つの相対座標の組のうち最初の(0.1,
−0.4)は、点電荷m1の格子点(1,1)に対する
相対座標、すなわち、点電荷m1が格子点(1,1)か
らX方向に+0.1、Y方向に−0.4だけずれている
ことを表している。また、2番目の(0.1,0.7)
は、点電荷m2が格子点(1,2)からX方向に+0.
1、Y方向に0.7だけずれていることを表している。
このように、遺伝子は、4つの点電荷m1,m2,m3
4の初期位置(格子点)からのずれで表される。な
お、この4つの点電荷m1,m2,m3,m4が、図11中
の親2に示すような位置に移動したときは、図10(a)
に示すように、この個体(親2)の染色体は、遺伝子と
して4つの相対座標の組{(0.1,−0.3),
(0.7,0.0),(−0.1,0.4),(−0.
2,−0.6)}を有する。
For example, as shown in FIG. 9, among the lattice points arranged in a matrix in the initial state for the standard pattern,
Negative charges m 1 and m 2 are arranged at lattice points whose (X, Y) coordinates are (1,1) and (1,2), and (X, Y) coordinates are (2,2).
Positive charges (feature points) at the lattice points 1) and (2, 2)
It is assumed that m 3 and m 4 are arranged. These four point charges m 1 ,
When m 2 , m 3 , and m 4 move to the positions shown in parent 1 in FIG. 11, the chromosome of this individual (parent 1) has four genes as shown in FIG. 10 (a). A set of relative coordinates {(0.1, -0.4), (0.1, 0.7), (0.
2, -0.5), (0.1, -0.4)}. For example, the first (0.1,
-0.4), the relative coordinates for the grid points of the point charge m 1 (1,1), i.e., in the X-direction point charge m 1 from the grid point (1,1) + 0.1, in the Y direction -0 It means that it is shifted by .4. The second (0.1, 0.7)
Shows that the point charge m 2 is +0.
It shows that it is deviated by 0.7 in the 1 and Y directions.
Thus, the gene has four point charges m 1 , m 2 , m 3 ,
It is represented by the deviation from the initial position (lattice point) of m 4 . Note that when these four point charges m 1 , m 2 , m 3 , and m 4 move to the positions shown in parent 2 in FIG.
As shown in, the chromosome of this individual (parent 2) is a set of four relative coordinates {(0.1, -0.3), as a gene.
(0.7, 0.0), (-0.1, 0.4), (-0.
2, −0.6)}.

【0052】次に、遺伝的操作部15は、受け取ったM
個の個体に対して淘汰、選択、突然変異、交配などの遺
伝的操作を施して、次の世代のM個の個体を生成する
(詳しくは後述する)。ただし、初回は、受け取ったM
個の個体に対して遺伝的操作を加えることなく、M個の
個体の遺伝子をそのまま力学的平衡点評価部16へ送
る。
Next, the genetic operating unit 15 receives the received M
Genetic operations such as selection, selection, mutation, and mating are performed on each individual to generate M individuals of the next generation (details will be described later). However, the first time, M received
The genes of the M individuals are sent to the mechanical equilibrium point evaluation unit 16 as they are without applying a genetic operation to the individual individuals.

【0053】力学的平衡点評価部16は、遺伝的操作部
15から個体の遺伝子として受け取った相対座標の組に
基づいて力の釣り合いを評価する。この例では、すべて
の点電荷について式(5A)の左辺|ni+Νi+fQ i
の値を計算し、これらを合計して評価値(力の合計)u
とする。
The mechanical equilibrium point evaluation unit 16 evaluates the force balance based on the set of relative coordinates received from the genetic operation unit 15 as individual genes. In this example, the left side of equation (5A) | n i + Ν i + f Q i | for all point charges
Calculate the value of and sum these to obtain the evaluation value (total force) u
And

【0054】例えば、図9の例で、図中に示すように、
入力パターンに対応して、Y=1.5(谷底)に向かっ
て直線的に傾斜したポテンシャルの谷(0.5<Y<
2.5)と、その外側に連なる平坦部(Y<0.5また
はY>2.5)とを有するポテンシャル面30が生成さ
れているものとする。そして、力学的平衡点評価部16
は、図10(a)に示した2つの個体(親1、親2)の相
対座標の組を受け取ったとする。このとき、親1の評価
値uは20.114、親2の評価値uは19.790と
なる。
For example, in the example of FIG. 9, as shown in the figure,
Corresponding to the input pattern, the potential valley (0.5 <Y <
2.5) and a flat surface (Y <0.5 or Y> 2.5) connected to the outside of the potential surface 30 is generated. Then, the mechanical equilibrium point evaluation unit 16
Is assumed to have received the set of relative coordinates of the two individuals (parent 1 and parent 2) shown in FIG. At this time, the evaluation value u of the parent 1 is 20.114 and the evaluation value u of the parent 2 is 19.790.

【0055】力学的平衡点評価部16は、算出した評価
値uと予め定められた基準値s(この例ではs=1)と
を比較して、評価値uが基準値sよりも大きいときは釣
り合い条件が満たされていないと判断する一方、評価値
uが基準値sよりも小さいときは釣り合い条件が満たさ
れたと判断する。
The mechanical equilibrium point evaluation unit 16 compares the calculated evaluation value u with a predetermined reference value s (s = 1 in this example), and when the evaluation value u is larger than the reference value s. Judges that the balance condition is not satisfied, while it judges that the balance condition is satisfied when the evaluation value u is smaller than the reference value s.

【0056】例えば、上記親1,親2の例では、いずれ
も釣り合い条件が満たされていないと判断する。
For example, in the case of parent 1 and parent 2, it is determined that the balance conditions are not satisfied.

【0057】M個の個体中に釣り合い条件を満たす個体
が存在しなければ、遺伝的操作部15は、上記M個の個
体に対して遺伝的操作を施して、次の世代のM個の個体
を生成する。
If none of the M individuals satisfy the balance condition, the genetic manipulating section 15 performs the genetic manipulation on the M individuals to generate M individuals of the next generation. To generate.

【0058】図8はM=8個の個体に対する遺伝的操作
として、「淘汰」、「選択」、「突然変異」、「交配」
を順に実行する例を示している。なお、この一連の遺伝
的操作では、個体の適応度wとして上記評価値uの逆数
1/uを用いる。
FIG. 8 shows "selection", "selection", "mutation", and "mating" as genetic operations for M = 8 individuals.
The following shows an example of sequentially executing. In this series of genetic operations, the reciprocal 1 / u of the evaluation value u is used as the fitness w of the individual.

【0059】詳しくは、「淘汰」では、個体の集団の中
から最低の適応度wを持つ個体を消滅させる。この例で
は個体7を消滅させている。
More specifically, in "selection", the individual having the lowest fitness w is eliminated from the group of individuals. In this example, the individual 7 is extinguished.

【0060】「選択」では、M=8個の席のうち約75
%に相当する6個の席に、集団の中から、適応度wに比
例した確率で個体を選択して当てはめる。これととも
に、M=8個の席のうち約25%に相当する残りの2個
の席に、上記集団の中から、適応度wに関係なく、ラン
ダムに個体を選択して当てはめる。
In "selection", about 75 out of M = 8 seats
Individuals are selected and applied to the six seats corresponding to% with a probability proportional to the fitness w from the group. At the same time, individuals are randomly selected and applied to the remaining two seats corresponding to about 25% of the M = 8 seats, regardless of the fitness w, from the group.

【0061】「突然変異」では、集団内の個体が持つ相
対座標の値を、乱数処理によってランダムに変更する。
この乱数処理による座標値の変更は、各点電荷の相対座
標を表す数字単位で行う。したがって、集団内には突然
変異を起こさない個体も存在する。また、突然変異を起
こした個体であっても、その相対座標の組のすべての値
が変更されるとは限らない。この例では、個体3と個体
6とが突然変異を起こしている。
In the "mutation", the value of the relative coordinates of the individuals in the population is randomly changed by random number processing.
The change of the coordinate value by the random number process is performed in the unit of a number representing the relative coordinate of each point charge. Therefore, some individuals do not mutate in the population. Further, even if an individual has a mutation, not all values of the set of relative coordinates are changed. In this example, individuals 3 and 6 are mutated.

【0062】「交配」では、M=8個の集団の中から個
体の対を選び、特定部位の相対座標の値を入れ替えて、
新たな個体の対を生成する。
In “mating”, a pair of individuals is selected from a group of M = 8, the values of the relative coordinates of specific parts are exchanged,
Create a new pair of individuals.

【0063】例えば、図10(a)に示した親1と親2と
の対を選ぶものとする。まず、図10(b)に示すよう
に、親1,親2のそれぞれについて、相対座標の各値を
4桁の2進数で表す。4桁のうち最上位の桁は相対座標
の符号を表している。つまり、1は+、0は−に相当す
る。4桁のうち残りの3桁は、相対座標の数値を十倍し
たものを2進数で表している。つまり、この3桁のうち
最下位の桁は相対座標の小数点以下第1位に相当する。
このようにして親1,親2が持つ相対座標の組をそれぞ
れ32ビットで表す。そして、特定のビット、この例で
は第15ビットから第26ビットまでを入れ替えて、2
つの個体(子1、子2)を生成する。図10(c)に示す
ように、この子1の染色体は、遺伝子として4つの相対
座標の組{(0.1,−0.4),(0.1,0.
4),(−0.1,0.4),(−0.1,−0.
4)}を有する。一方、子2の染色体は、遺伝子として
4つの相対座標の組{(0.1,−0.3),(0.
7,−0.3),(0.2,−0.5),(0.2,−
0.6)}を有する。なお、これらの子1、子2が持つ
相対座標の組は、ポテンシャル面上では、図12中に示
す点電荷m1,m2,m3,m4の位置に対応している。
For example, assume that the pair of parent 1 and parent 2 shown in FIG. 10A is selected. First, as shown in FIG. 10B, each value of the relative coordinates of each of the parent 1 and the parent 2 is represented by a 4-digit binary number. The most significant digit of the four digits represents the sign of the relative coordinates. That is, 1 corresponds to + and 0 corresponds to-. Of the four digits, the remaining three digits represent a binary number that is obtained by multiplying the relative coordinate value by ten. That is, the least significant digit of these three digits corresponds to the first place after the decimal point of the relative coordinates.
In this way, each set of relative coordinates of the parent 1 and the parent 2 is represented by 32 bits. Then, by exchanging a specific bit, in this example, the 15th bit to the 26th bit, 2
One individual (child 1, child 2) is generated. As shown in FIG. 10 (c), the chromosome of this child 1 has a set of four relative coordinates {(0.1, −0.4), (0.1, 0.
4), (-0.1, 0.4), (-0.1, -0.
4)}. On the other hand, the chromosome of child 2 is a set of four relative coordinates {(0.1, -0.3), (0.
7, -0.3), (0.2, -0.5), (0.2,-
0.6)}. The pair of relative coordinates of the child 1 and the child 2 corresponds to the positions of the point charges m 1 , m 2 , m 3 , and m 4 shown in FIG. 12 on the potential surface.

【0064】力学的平衡点評価部16は、遺伝的操作部
15からこの新たな世代の個体の相対座標の組に基づい
て、上述の方法で再び力の釣り合いを評価する。そし
て、算出した評価値uと予め定められた基準値s(この
例ではs=1)とを比較して、評価値uが基準値sより
も大きいときは釣り合い条件が満たされていないと判断
する一方、評価値uが基準値sよりも小さいときは釣り
合い条件が満たされたと判断する。
The mechanical equilibrium point evaluation unit 16 again evaluates the force balance by the above-mentioned method based on the set of relative coordinates of the new generation individuals from the genetic operation unit 15. Then, the calculated evaluation value u is compared with a predetermined reference value s (s = 1 in this example), and when the evaluation value u is larger than the reference value s, it is determined that the balance condition is not satisfied. On the other hand, when the evaluation value u is smaller than the reference value s, it is determined that the balance condition is satisfied.

【0065】例えば、上記子1,子2を含む世代では、
図10(c)に示すように、子1の評価値uは0.69
6、子2の評価値uは25.050となる。この場合、
子1は力学的平衡点を示している。
For example, in the generation including the above child 1 and child 2,
As shown in FIG. 10C, the evaluation value u of the child 1 is 0.69.
6, the evaluation value u of the child 2 is 25.050. in this case,
Child 1 shows a mechanical equilibrium point.

【0066】このように、M個の個体中に釣り合い条件
を満たす個体が存在していれば、力学的平衡点評価部1
6は、その個体が持つ相対座標の組をエネルギ評価部1
7へ送る。
As described above, if there is an individual satisfying the balance condition among the M individuals, the dynamic equilibrium point evaluation unit 1
6 is an energy evaluation unit 1 that indicates a set of relative coordinates of the individual.
Send to 7.

【0067】エネルギ評価部17は、その個体が持つ相
対座標の組に基づいて、上記釣り合い位置における系の
全体エネルギEを評価する。最終的には標準パターン記
憶部13に記憶されているすべての標準パターンの中で
最も小さい全体エネルギEを与えるものが特定される。
The energy evaluation unit 17 evaluates the total energy E of the system at the above-mentioned balanced position based on the set of relative coordinates of the individual. Finally, of all the standard patterns stored in the standard pattern storage unit 13, the one giving the smallest total energy E is specified.

【0068】このように、このデータ照合装置は、個体
集団発生部14と遺伝的操作部15を動作させて、遺伝
的アルゴリズムの手法によって各点電荷の相対座標を発
生させることができる。このようにした場合、力学的平
衡点評価部16は運動方程式の解析を行う必要がなく、
個体が持つ相対座標の組に基づいて力の釣り合い条件だ
けを評価すれば良い。しかも、遺伝的操作部15が一度
に複数の個体を生成するので、力学的平衡点評価部16
は、複数の個体が持つ相対座標の組に基づいて、並列に
評価を実行することができる。したがって、時間経過に
よる運動過程を逐次的に追跡する場合に比して、力の釣
り合い位置を高速に求めることができる。
As described above, this data collating apparatus can operate the individual population generating section 14 and the genetic operating section 15 to generate the relative coordinates of each point charge by the method of the genetic algorithm. In this case, the mechanical equilibrium point evaluation unit 16 does not need to analyze the equation of motion,
Only the force balance condition needs to be evaluated based on the set of relative coordinates of the individual. Moreover, since the genetic operation unit 15 generates a plurality of individuals at once, the dynamic equilibrium point evaluation unit 16
Can perform evaluations in parallel based on the set of relative coordinates of multiple individuals. Therefore, the force balance position can be obtained at a higher speed than in the case of sequentially tracking the movement process over time.

【0069】なお、実際の遺伝的操作の処理では、個体
が遺伝子として持つ相対座標の組の要素数は、格子点に
配置された点電荷の数と一致する。
In the actual processing of the genetic operation, the number of elements of the set of relative coordinates held by the individual as a gene matches the number of point charges arranged at the lattice points.

【0070】もちろん、立場を入れ替えて、標準パター
ンからポテンシャル場を形成し、入力パターンから弾性
体を形成してもよい。
Of course, the positions may be changed so that the potential field is formed from the standard pattern and the elastic body is formed from the input pattern.

【0071】[0071]

【発明の効果】以上より明らかなように、請求項1のデ
ータ照合装置では、力学的平衡点評価部が、上記標準パ
ターン記憶部が記憶している上記弾性体を、上記ポテン
シャル生成部が生成した静電場に置いたときに、上記各
点電荷が上記静電場から受けるクーロン力と上記第1お
よび第2のバネから受ける弾性力とが釣り合う位置(力
学的平衡点)を求め、次に、エネルギ評価部は、上記力
学的平衡点にあるときの、上記点電荷の静電ポテンシャ
ルエネルギと上記第1および第2のバネによる弾性エネ
ルギとの和を求める。標準パターンと入力パターンとの
間の類似性が高いときは上記エネルギ和の値が小さくな
る一方、標準パターンと入力パターンとの間の類似性が
低いときは上記エネルギ和の値が大きくなる。したがっ
て、このエネルギ和の大小によって標準パターンと入力
パターンとの間の類似性を判定することができる。
As is apparent from the above, in the data collating apparatus according to the first aspect, the dynamic equilibrium point evaluation unit generates the elastic body stored in the standard pattern storage unit by the potential generation unit. When placed in the electrostatic field, the position (dynamic equilibrium point) at which the Coulomb force received by each of the point charges from the electrostatic field and the elastic force received by the first and second springs are balanced is obtained. The energy evaluation unit obtains the sum of the electrostatic potential energy of the point charges and the elastic energy of the first and second springs at the mechanical equilibrium point. When the similarity between the standard pattern and the input pattern is high, the value of the energy sum becomes small, while when the similarity between the standard pattern and the input pattern is low, the value of the energy sum becomes large. Therefore, the similarity between the standard pattern and the input pattern can be determined by the magnitude of this energy sum.

【0072】しかも、このデータ照合装置では、標準パ
ターンが入力パターンに対応するポテンシャルの谷に包
含されるような場合、釣り合い位置に移動した後もポテ
ンシャルの谷底近辺に正電荷とともに負電荷が留まる。
このため、この負電荷の持つポテンシャルエネルギの寄
与が大きくなって、系全体のエネルギが大きくなる。し
たがって、標準パターンと入力パターンとの間の類似性
を正しく判定することができる。
Further, in this data collating apparatus, when the standard pattern is included in the potential valley corresponding to the input pattern, the negative charge as well as the positive charge stays near the bottom of the potential valley even after moving to the equilibrium position.
Therefore, the contribution of the potential energy of this negative charge becomes large, and the energy of the entire system becomes large. Therefore, the similarity between the standard pattern and the input pattern can be correctly determined.

【0073】請求項2のデータ照合装置では、個体集団
発生部が、上記各点電荷の格子点に対する相対座標の組
を遺伝子として持つ個体の集団を発生させる。そして、
遺伝的操作部によって、上記各点電荷の格子点に対する
新たな相対座標の組を遺伝子として持つ新たな個体の集
団を次々と生成し、力学的平衡点評価部によって釣り合
い条件を判定することができる。集団中に釣り合い条件
を満たす個体が見つかったときは、エネルギ評価部が、
上記釣り合い位置における、上記点電荷の静電ポテンシ
ャルエネルギと上記第1および第2のバネによる弾性エ
ネルギとの和を求める。
According to another aspect of the data collating apparatus of the present invention, the individual group generation unit generates a group of individuals having a set of relative coordinates with respect to the lattice point of each point charge as a gene. And
By the genetic operation unit, new populations of individuals having new sets of relative coordinates for the lattice points of the above point charges as genes are generated one after another, and the equilibrium point evaluation unit can determine the equilibrium condition. . When an individual satisfying the balance condition is found in the group, the energy evaluation unit
The sum of the electrostatic potential energy of the point charges and the elastic energy of the first and second springs at the balanced position is obtained.

【0074】このように、このデータ照合装置は、遺伝
的アルゴリズムの手法によって各点電荷の相対座標を発
生させることができので、力学的平衡点評価部は運動方
程式の解析を行う必要がなく、個体が持つ相対座標の組
に基づいて力の釣り合い条件だけを評価すれば良い。し
かも、遺伝的操作部が一度に複数の個体を生成するの
で、力学的平衡点評価部は、複数の個体が持つ相対座標
の組に基づいて、並列に評価を実行することができる。
したがって、時間経過による運動過程を逐次的に追跡す
る場合に比して、力の釣り合い位置を高速に求めること
ができる。
As described above, since the data collating apparatus can generate the relative coordinates of each point charge by the method of the genetic algorithm, the mechanical equilibrium point evaluation unit does not need to analyze the equation of motion. Only the force balance condition needs to be evaluated based on the set of relative coordinates of the individual. Moreover, since the genetic operation unit generates a plurality of individuals at a time, the mechanical equilibrium point evaluation unit can execute the evaluations in parallel based on the set of relative coordinates of the plurality of individuals.
Therefore, the force balance position can be obtained at a higher speed than in the case of sequentially tracking the movement process over time.

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

【図1】 この発明の一実施例のデータ照合装置のブロ
ック構成を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a block configuration of a data collating apparatus according to an embodiment of the present invention.

【図2】 一つの標準パターンを点電荷モデルで表す弾
性体が入力パターンに対応するポテンシャル場において
釣り合い位置にある状態を模式的に示す図である。
FIG. 2 is a diagram schematically showing a state in which an elastic body that represents one standard pattern by a point charge model is in a balanced position in a potential field corresponding to an input pattern.

【図3】 別の標準パターンを点電荷モデルで表す弾性
体が入力パターンに対応するポテンシャル場において釣
り合い位置にある状態を模式的に示す図である。
FIG. 3 is a diagram schematically showing a state in which an elastic body representing another standard pattern by a point charge model is in a balanced position in the potential field corresponding to the input pattern.

【図4】 図2の状態を平面的に示す図である。FIG. 4 is a plan view showing the state of FIG.

【図5】 図3の状態を平面的に示す図である。5 is a plan view showing the state of FIG. 3. FIG.

【図6】 一つの入力パターンからポテンシャル場を生
成する方法を説明する図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating a method of generating a potential field from one input pattern.

【図7】 別の入力パターンからポテンシャル場を生成
する方法を説明する図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating a method of generating a potential field from another input pattern.

【図8】 遺伝的操作部による遺伝的操作の処理を説明
する図である。
FIG. 8 is a diagram illustrating processing of a genetic operation by a genetic operation unit.

【図9】 標準パターンを表す弾性体の初期位置とポテ
ンシャル分布とを例示する図である。
FIG. 9 is a diagram illustrating an initial position and a potential distribution of an elastic body representing a standard pattern.

【図10】 遺伝的操作部による交配の処理を説明する
図である。
FIG. 10 is a diagram illustrating a process of mating by a genetic operation unit.

【図11】 個体である親1、親2が持つ相対座標の組
が、点電荷m1,m2,m3,m4の格子点に対する位置と
対応する状態を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing a state in which a pair of relative coordinates possessed by an individual parent 1 and parent 2 corresponds to the position of the point charges m 1 , m 2 , m 3 , and m 4 with respect to the lattice point.

【図12】 個体である子1、子2が持つ相対座標の組
が、点電荷m1,m2,m3,m4の格子点に対する位置と
対応する状態を示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing a state in which a pair of relative coordinates possessed by an individual child 1 and child 2 corresponds to the position of the point charges m 1 , m 2 , m 3 , and m 4 with respect to the lattice point.

【図13】 標準パターンを質点モデルで表した弾性体
を示す図である。
FIG. 13 is a diagram showing an elastic body in which a standard pattern is represented by a mass point model.

【図14】 従来のデータ照合装置のブロック構成を示
す図である。
FIG. 14 is a diagram showing a block configuration of a conventional data matching device.

【図15】 一つの標準パターンを質点モデルで表す弾
性体が入力パターンに対応するポテンシャル場において
釣り合い位置にある状態を模式的に示す図である。
FIG. 15 is a diagram schematically showing a state in which an elastic body that represents one standard pattern by a mass model is in a balanced position in the potential field corresponding to the input pattern.

【図16】 別の標準パターンを質点モデルで表す弾性
体が入力パターンに対応するポテンシャル場において釣
り合い位置にある状態を模式的に示す図である。
FIG. 16 is a diagram schematically showing a state in which an elastic body representing another standard pattern by a mass model is in a balanced position in the potential field corresponding to the input pattern.

【図17】 標準パターンが入力パターンに対応するポ
テンシャルの谷に包含された状態を示す図である。
FIG. 17 is a diagram showing a state in which a standard pattern is included in a potential valley corresponding to an input pattern.

【図18】 図15の状態を平面的に示す図である。FIG. 18 is a plan view showing the state of FIG. 15.

【図19】 図16の状態を平面的に示す図である。FIG. 19 is a plan view showing the state of FIG.

【図20】 図17の状態を平面的に示す図である。20 is a plan view showing the state of FIG.

【符号の説明】 11 入力パターン 12 ポテンシャル生成部 13 標準パターン記憶部 14 個体集団発生部 15 遺伝的操作部 16 力学的平衡点評価部 17 エネルギ評価部[Explanation of Codes] 11 Input Pattern 12 Potential Generation Unit 13 Standard Pattern Storage Unit 14 Individual Population Generation Unit 15 Genetic Manipulation Unit 16 Mechanical Equilibrium Point Evaluation Unit 17 Energy Evaluation Unit

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 標準パターンと入力パターンとの類似性
を判定するデータ照合装置であって、 上記標準パターンの形状を表す特徴点に対応する特定の
格子点に正電荷を配置するとともに、残りの格子点に負
電荷を配置し、上記格子点上に配置した隣り合う点電荷
の間を行方向および列方向に第1のバネで結合するとと
もに、上記格子点とその上に配置した点電荷との間をそ
れぞれ第2のバネで結合してなる弾性体として、上記標
準パターンを記憶する標準パターン記憶部と、 上記弾性体が置かれるべき2次元領域内に、上記入力パ
ターンの形状に対応して、特定の領域のポテンシャル値
が残りの領域のポテンシャル値に比して低く設定された
静電場を生成するポテンシャル生成部と、 上記標準パターン記憶部が記憶している上記弾性体を、
上記ポテンシャル生成部が生成した静電場に置いたとき
に、上記各点電荷が上記静電場から受けるクーロン力と
上記第1および第2のバネから受ける弾性力とが釣り合
う位置を求める力学的平衡点評価部と、 上記釣り合う位置にあるときの、上記点電荷の静電ポテ
ンシャルエネルギと上記第1および第2のバネによる弾
性エネルギとの和を算出するエネルギ評価部とを備えた
ことを特徴とするデータ照合装置。
1. A data collation device for determining the similarity between a standard pattern and an input pattern, wherein positive charges are arranged at specific lattice points corresponding to feature points representing the shape of the standard pattern, and the remaining Negative charges are arranged at the lattice points, and adjacent point charges arranged on the lattice points are connected by a first spring in the row direction and the column direction, and the lattice points and the point charges arranged on the lattice points are connected to each other. As the elastic body formed by connecting the two parts with the second spring, the standard pattern storage section for storing the standard pattern and the two-dimensional area in which the elastic body is to be placed correspond to the shape of the input pattern. A potential generation unit that generates an electrostatic field in which the potential value of the specific region is set lower than the potential values of the remaining regions, and the elastic body stored in the standard pattern storage unit,
When placed in the electrostatic field generated by the potential generating section, a mechanical equilibrium point for obtaining a position where the Coulomb force received by the point electric field from the electrostatic field and the elastic force received by the first and second springs balance each point charge. An evaluation unit and an energy evaluation unit that calculates the sum of the electrostatic potential energy of the point charges and the elastic energy of the first and second springs at the balanced position are provided. Data collation device.
【請求項2】 請求項1に記載のデータ照合装置におい
て、 上記各点電荷の格子点に対する相対座標の組を遺伝子と
して持つ個体の集団を発生させる個体集団発生部と、 上記個体の集団に対して、淘汰、選択、突然変異および
交配の少なくとも一つを含む遺伝的操作を施して、上記
各点電荷の格子点に対する新たな相対座標の組を遺伝子
として持つ新たな個体の集団を生成する遺伝的操作部と
を備えたことを特徴とするデータ照合装置。
2. The data collating apparatus according to claim 1, wherein an individual group generation unit for generating a group of individuals having a set of relative coordinates with respect to a lattice point of each point charge as a gene; Then, a genetic operation including at least one of selection, selection, mutation and mating is performed to generate a new population of individuals having a new set of relative coordinates as a gene with respect to the lattice point of each point charge described above. A data collating device comprising a dynamic operation section.
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