JPH09138785A - Pattern matching method and device - Google Patents

Pattern matching method and device

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JPH09138785A
JPH09138785A JP7319625A JP31962595A JPH09138785A JP H09138785 A JPH09138785 A JP H09138785A JP 7319625 A JP7319625 A JP 7319625A JP 31962595 A JP31962595 A JP 31962595A JP H09138785 A JPH09138785 A JP H09138785A
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learning
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Hiroshi Takeda
博 竹田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To precisely identify a pattern which is not learned so as to output it in a pattern matching device using a neural network. SOLUTION: A learning signal holding part 50 generates a boundary signal around an initial learning input signal belonging to the same category based on the initial learning input signal written into an initial learning input signal memory 56 by a pattern boundary setting unit 54 and writes the signal into a learning input signal memory 51 with the initial learning input signal. A pattern boundary setting unit 54 generates a boundary teacher signal which corresponds to the boundary signal and by which the unit output of an output layer 20 becomes zero or a small value from the initial teacher signal written into an initial teacher signal memory 58, and writes the boundary teacher signal into a teacher signal memory with the initial teacher signal. The initial learning input signal and the boundary signal are learned by using data written into the learning input signal memory 51 and the teacher signal memory 52.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はパターンマッチング
装置に係り、ニューラルネットワークを利用することに
より手書き文字の認識や音声認識、あるいは情報信号等
をパターンとして捉らえ、検出されるパターンに対応す
る最終出力を教示し、以後はマッチング処理を自動的に
行わせるようにしたパターンマッチング装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a pattern matching apparatus, which uses a neural network to recognize handwritten characters, voice recognition, or an information signal as a pattern, and a final pattern corresponding to the detected pattern. The present invention relates to a pattern matching device that teaches an output and thereafter automatically executes a matching process.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、手書き文字の認識や各種情報信号
に対応する制御出力を得るように識別すべきパターンを
入力し、対応する出力を教師パターンと対比することに
よって修正する学習作業を繰り返した後、以後は任意の
識別パターンを入力することで自動判別させるようにし
たパターンマッチング装置が知られている。このような
パターンマッチング装置は、一般に、多入力1出力型の
素子(ユニット)を結合素子により他のユニットと結合
することにより構成されたニューラルネットワークを利
用した構成とされている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a learning operation of recognizing handwritten characters and inputting a pattern to be identified so as to obtain a control output corresponding to various information signals and correcting the corresponding output by comparison with a teacher pattern is repeated. After that, a pattern matching device is known in which after that, an arbitrary identification pattern is input to automatically determine the pattern. Such a pattern matching device is generally configured to use a neural network configured by connecting a multi-input single-output type element (unit) with another unit by a coupling element.

【0003】この種のパターンマッチング装置に用いら
れるニューラルネットワークは、生物の大脳の情報処理
機能を模倣する情報処理技術で、応用の容易なことや非
線形問題への適用が可能なことなど、有用な特性を有し
ている。また、従来のノイマン型の計算機と異なる方法
であるため、ノイマン型計算機で困難とされてきた問題
への適用に期待が寄せられている。
The neural network used in this type of pattern matching device is an information processing technique that imitates the information processing function of the cerebrum of a living organism, and is useful because it is easy to apply and can be applied to nonlinear problems. It has characteristics. Further, since the method is different from the conventional Neumann-type computer, it is expected to be applied to the problem which has been difficult in the Neumann-type computer.

【0004】ニューラルネットワークの構成要素は図6
(1)に示すように生物の神経細胞に相当するユニット
1と、このユニット1の入力部と出力部を結ぶ、神経繊
維に相当する結合素子2からなっている。通常、単一の
ユニットを用いただけでは有効な情報処理を行わないた
め、複数のユニットを結合素子とを用いて適当に結合し
てネットワークを構成する。
The components of the neural network are shown in FIG.
As shown in (1), it is composed of a unit 1 corresponding to a nerve cell of an organism and a coupling element 2 corresponding to a nerve fiber, which connects an input portion and an output portion of this unit 1. Usually, effective information processing is not performed only by using a single unit, so a plurality of units are appropriately combined using a coupling element to form a network.

【0005】各ユニットは、他の複数のユニットと結合
素子2を介して結合され、下記数式1に示すように、他
のユニットの出力を結合素子毎に割り当てられた重み係
数を乗じた後、加えあわせて入力とし、この入力値と与
えられたしきい値の差を独立変数とする入出力関数の値
を出力し、出力用の結合素子を介して他のユニットへの
入力となる。
Each unit is coupled to a plurality of other units through a coupling element 2, and the output of the other unit is multiplied by a weighting factor assigned to each coupling element, as shown in the following formula 1, In addition, the value of an input / output function having the difference between this input value and a given threshold value as an independent variable is output and becomes an input to another unit via a coupling element for output.

【数1】 ただし、Oi:第i番目のユニットの出力値、 f:入出力関数 wji:第j番目のユニットから第i番目のユニットへの
結合の強さ(結合係数)、 oj:第j番目のユニットの出力値、 θi:第i番目のユニットのしきい値、 である。また、定義によっては数式1を、
(Equation 1) However, O i : output value of the i-th unit, f: input / output function w ji : strength of coupling (coupling coefficient) from the j-th unit to the i-th unit, o j : j-th unit Is the output value of the unit, θ i is the threshold value of the i-th unit. Also, depending on the definition, Equation 1

【数2】 とする場合もある。(Equation 2) In some cases,

【0006】このとき入出力関数fとしては図6(2)
に示すようなシグモイド関数と呼ばれる飽和型の関数が
よく用いられている。この関数は生物の神経細胞の機能
を模したもので、0から1の値をとる単調増加型の関数
で、入力値がしきい値に等しいとき(または入力値がし
きい値と絶対値が等しく異符号の時)に0.5となる。
At this time, the input / output function f is shown in FIG.
A saturation type function called a sigmoid function as shown in is often used. This function imitates the function of a nerve cell of an organism, and is a monotonically increasing function that takes a value from 0 to 1, and when the input value is equal to the threshold value (or when the input value is the threshold value and the absolute value is It becomes 0.5 when the signs are equal.

【0007】次に、以上のような機能を有するユニット
を用いてネットワークを構成することにより有用な情報
処理が可能となるが、代表的なネットワークとしては図
7に示すようなものが考えられている。図7(1)は階
層型のネットワークで1が入力層を構成するユニット、
2、3がそれぞれ第1、第2中間層を構成するユニッ
ト、4が出力層を構成するユニット、5、6、7、が結
合素子である。このような階層型のネットワークは階層
構造をなしており、異なる層間のユニット同士の結合は
あるが同一層内のユニット同士は結合されておらず、ま
た情報が入力部から出力部へ一方向に伝達される。いわ
ばフィード・フォワード型のネットワークである。この
モデルは小脳のモデルとして知られていると同時に、パ
ターンマッチングや制御など多くの分野で実用されてい
る重要なネットワークである。
Next, useful information processing can be performed by constructing a network using the units having the above-mentioned functions. As a typical network, one as shown in FIG. 7 is considered. There is. FIG. 7 (1) shows a unit in which 1 constitutes an input layer in a hierarchical network,
Units 2 and 3 are first and second intermediate layers, respectively, and unit 4 is an output layer, and units 5, 6, and 7 are coupling elements. Such a hierarchical network has a hierarchical structure. Units in different layers are connected to each other, but units in the same layer are not connected, and information is unidirectionally transmitted from the input section to the output section. Transmitted. It is, so to speak, a feed-forward type network. This model is known as a cerebellum model, and at the same time, it is an important network that is used in many fields such as pattern matching and control.

【0008】このモデルでは入力層に識別したいパター
ンや時系列信号などが与えられる。例えば、手書き文字
の認識のようなパターマッチングへ応用する場合は、入
力層には手書き文字または手書き文字に何等かの特徴抽
出処理を行った後の特徴パターンを与える。一方、出力
層の各ユニットは学習すべきカテゴリーに対する判定結
果を与えるように設定される。すなわち、ユニット1の
出力が例えば0.5以上であればニューラルネットワー
クは与えられたパターンをカテゴリー1のパターンと識
別したと考えることができるように設定される。
In this model, a pattern to be identified, a time series signal, etc. are given to the input layer. For example, in the case of application to pattern matching such as recognition of handwritten characters, the input layer is given a handwritten character or a feature pattern after some kind of feature extraction processing is performed on the handwritten character. On the other hand, each unit in the output layer is set so as to give a judgment result for the category to be learned. That is, if the output of the unit 1 is, for example, 0.5 or more, the neural network is set so that it can be considered that the given pattern is identified as the category 1 pattern.

【0009】図7(2)は相互結合型のネットワーク
で、1がユニット、2が結合素子である。このように相
互結合型のネットワークは全てのユニットが相互結合さ
れている。尚、ネットワークにはこれ以外にもフィード
バックを有するものや、同一層間で部分的に結合を有す
るものなども存在する。
FIG. 7 (2) shows a mutual coupling type network, where 1 is a unit and 2 is a coupling element. In this way, all units are mutually connected in the mutual connection type network. In addition to this, there are networks that have feedback, and networks that partially have coupling between the same layers.

【0010】次に、以上のようなネットワークに有用な
機能を保有させるために、ネットワークに学習用のデー
タを与えることにより学習を実行する。学習方法やネッ
トワークの種類が多数あるため、学習方法も多数存在す
る。ここでは、現在最も典型的な学習方法である、バッ
クプロパゲーション・アルゴリズムを用いた学習方法
を、図8に示す3層の階層型ニューラルネットワークに
適用する例を示す。
Next, in order to allow the network to have useful functions as described above, learning is performed by giving learning data to the network. Since there are many types of learning methods and networks, there are many learning methods. Here, an example in which a learning method using a backpropagation algorithm, which is the most typical learning method at present, is applied to the three-layer hierarchical neural network shown in FIG.

【0011】学習は、最初、結合係数やしきい値を小さ
な値に設定しておき、入力層に学習用パターンを与えた
ときの出力を計算し、その結果と当該パターンに対する
妥当な出力を指定した教師パターンと比較し、与えた学
習パターンに対して出力層の出力が教師信号に近づくよ
うに結合係数としきい値の値とを変化させることによっ
て行う。学習の詳細なステップは以下のようである。
In learning, first, the coupling coefficient and the threshold value are set to small values, the output when a learning pattern is given to the input layer is calculated, and the result and a valid output for the pattern are designated. This is performed by changing the coupling coefficient and the threshold value so that the output of the output layer approaches the teacher signal for the given learning pattern as compared with the teacher pattern. The detailed steps of learning are as follows.

【0012】(ステップ1)ネットワークの状態を決め
る結合係数行列{Wij}、{Vjk}としきい値ベクトル
{θj}、{γk}をそれぞれ小さな値の乱数値で初期化
する。 (ステップ2)最初のパターンを学習パターンとする。 (ステップ3)学習パターンの値を入力層ユニットの出
力{Ii}に入れ、入力層から中間層への結合係数行列
{Wij}と中間層ユニットjのしきい値θjとを用い
て、中間層ユニットjへの入力Ujを求め、入力Ujと図
6(2)に示すシグモイド関数fにより中間層ユニット
jの出力Hjを求める。
(Step 1) The coupling coefficient matrices {W ij }, {V jk } and the threshold vectors {θ j }, {γ k } that determine the state of the network are initialized with small random values. (Step 2) Let the first pattern be a learning pattern. (Step 3) Put the value of the learning pattern in the output {I i } of the input layer unit, and use the coupling coefficient matrix {W ij } from the input layer to the intermediate layer and the threshold θ j of the intermediate layer unit j. , prompts U j to the intermediate layer unit j, obtaining the output H j of the hidden unit j the input U j and sigmoid function f shown in FIG. 6 (2).

【数3】 (Equation 3)

【0013】(ステップ4)中間層ユニットの出力{H
j}と、中間層から出力層への結合係数行列{Vjk}と
出力層ユニットkのしきい値γkとを用いて、出力層ユ
ニットkへの入力Skを求め、入力Skとシグモイド関数
fにより、出力層ユニットkの出力Okを求める。
(Step 4) Output of the intermediate layer unit {H
j }, the coupling coefficient matrix {V jk } from the intermediate layer to the output layer and the threshold value γ k of the output layer unit k, the input S k to the output layer unit k is obtained, and the input S k and The output O k of the output layer unit k is obtained by the sigmoid function f.

【数4】 (ステップ5)学習パターンに対応した教師信号TK
出力層の出力Okとの差から、出力層のユニットkにつ
ながる結合係数と出力層ユニットkのしきい値に対する
誤差δkを求める。
(Equation 4) (Step 5) From the difference between the teacher signal T K corresponding to the learning pattern and the output O k of the output layer, the coupling coefficient connected to the unit k of the output layer and the error δ k with respect to the threshold of the output layer unit k are obtained .

【数5】 (ステップ6)誤差δkと中間層から出力層への結合係
数行列{Vjk}と、中間層の出力Hjから、中間層ユニ
ットjにつながる結合係数と中間ユニットのしきい値に
対する誤差δjを求める。
(Equation 5) (Step 6) From the error δ k , the coupling coefficient matrix {V jk } from the hidden layer to the output layer, and the output H j of the hidden layer, the error δ between the coupling coefficient connected to the hidden layer unit j and the threshold value of the hidden unit. ask for j .

【0014】(ステップ7)ステップ5で求めた出力層
ユニットkでの誤差δkと中間層ユニットjの出力Hj
定数αとの積を従来の中間層と出力層との間の結合係数
に加算することで、中間層ユニットjから出力層のユニ
ットkにつながる結合係数Vjkを修正する。また、誤差
δkと定数βとの積を従来の出力層ユニットkのしきい
値に加算することで、出力層ユニットkのしきい値γk
を修正する。
[0014] coupling coefficient between the (Step 7) a product of the output H j and constants α error [delta] k and the intermediate layer unit j in the output layer unit k obtained in step 5 with the conventional intermediate layer output layer To correct the coupling coefficient V jk connected from the intermediate layer unit j to the output layer unit k. Further, by adding the product of the error δ k and the constant β to the threshold value of the conventional output layer unit k, the threshold value γ k of the output layer unit k is added.
To correct.

【数6】 (ステップ8)中間層ユニットjでの誤差δjと、入力
層ユニットiの出力Iiと定数αとの積を従来の入力層
と中間層との間の結合係数加算することで、入力層ユニ
ットiから中間層ユニットjにつながる結合係数Wij
修正する。また誤差δjと定数βの積を従来の中間層ユ
ニットjのしきい値に加算することで、中間層ユニット
jのしきい値θjを修正する。
(Equation 6) (Step 8) The error .delta..sub.j in the intermediate layer unit j and the product of the output I.sub.i of the input layer unit i and the constant .alpha. Modify the coupling coefficient W ij from unit i to intermediate layer unit j. Further, the threshold value θ j of the intermediate layer unit j is corrected by adding the product of the error δ j and the constant β to the threshold value of the conventional intermediate layer unit j.

【数7】 (Equation 7)

【0015】(ステップ9)次ぎのパターンを学習パタ
ーンとする。 (ステップ10)学習パターンが終了するまでステップ
3に戻る。 (ステップ11)学習の繰り返し回数を更新する。 (ステップ12)学習の繰り返し回数が制限回数以下で
あればステップ2に戻る。
(Step 9) The next pattern is used as a learning pattern. (Step 10) Return to Step 3 until the learning pattern ends. (Step 11) Update the number of learning iterations. (Step 12) If the number of repetitions of learning is less than or equal to the limit number, the process returns to step 2.

【0016】このような学習によってニューラルネット
ワークはパターンマッチング能力を獲得し、既に学習し
たパターンの識別や、学習したカテゴリーに属する未学
習パターンの識別を行うことができるようになる。
By such learning, the neural network acquires the pattern matching ability and can identify the patterns already learned and the unlearned patterns belonging to the learned category.

【0017】[0017]

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来のニュ
ーラルネットワーク処理を用いたパターンマッチング装
置では、学習していないカテゴリーに属するパターンを
識別させると、学習したカテゴリーのどれかであると誤
判定出力する場合がしばしば存在する。この問題は未学
習データに対する応答ということで一般に問題になって
いるものである。
However, in the conventional pattern matching apparatus using the neural network processing, when a pattern belonging to a category that has not been learned is identified, it is erroneously determined as one of the learned categories and output. There are often cases. This problem is generally a response to unlearned data.

【0018】すなわち、従来のパターンマッチング装置
では、図9に示すようなカテゴリーAとBとを識別する
場合、この2つのカテゴリーA、Bに属するパターン
(「○」または「×」で示したもの)を用いて学習を行
っている。この学習結果として、図9に示す破線のよう
な境界線Dが設定される。そして、入力されたパターン
がこの境界線Dのどちら側にあるかによって、どちらの
カテゴリーに属するパターンかを判定しているのであ
る。したがって、AまたはBに属するデータを識別させ
ると正しく判定できるが、これらのカテゴリーに属しな
いパターンが入力された場合、このパターンを無理やり
どちらかのカテゴリーと判定することとなるのである。
That is, in the conventional pattern matching device, when discriminating between categories A and B as shown in FIG. 9, patterns belonging to these two categories A and B (marked by "○" or "x") are used. ) Is used for learning. As a result of this learning, a boundary line D like a broken line shown in FIG. 9 is set. Then, depending on which side of the boundary line D the input pattern is, it is determined which category the pattern belongs to. Therefore, it can be correctly determined by identifying the data belonging to A or B, but when a pattern that does not belong to these categories is input, this pattern is forcibly determined to be one of the categories.

【0019】ちなみに、誤判定する理由は、従来の入出
力関数の場合、しきい値より相当大きい値ないしは小さ
い値が入力されると、その値の如何にかかわらず1ない
しは0という値を出力する、いわゆる飽和型の関数を用
いているため、単に学習したカテゴリー間に境界面を設
定するだけの作用しかしないためと考えられる。
Incidentally, the reason for the erroneous determination is that in the case of the conventional input / output function, when a value considerably larger or smaller than the threshold value is inputted, a value of 1 or 0 is output regardless of the value. It is considered that this is because the so-called saturated type function is used, so that it only has the effect of setting the boundary surface between the learned categories.

【0020】本発明は、上記従来の問題点に着目し、ニ
ューラルネットワーク処理を用いたパターンマッチング
装置で、未学習パターンを適格に識別して出力すること
ができるようにすることを目的とし、特に個々のユニッ
トにおける重み係数を乗じた入力信号加算値がしきい値
の近傍のみならずしきい値から大きく離れている場合で
あっても適正な出力信号を出力し、もってパターンマッ
チングの判定精度を向上させることができるパターンマ
ッチング装置を提供することを目的とする。
The present invention focuses on the above-mentioned conventional problems, and aims at enabling an unlearned pattern to be properly identified and output by a pattern matching apparatus using neural network processing, and in particular, Even when the added value of the input signal multiplied by the weighting coefficient in each unit is not only near the threshold value but also greatly apart from the threshold value, an appropriate output signal is output, thereby improving the pattern matching determination accuracy. It is an object to provide a pattern matching device that can be improved.

【0021】[0021]

【課題を解決するための手段】本発明は、例えば、図9
に示すようなカテゴリーA、Bの周辺境界を与えるデー
タ(「◎」で示す)を学習用データから合成し、これら
のデータを入力層に与えたときに出力層の全細胞(ユニ
ット)の出力値を「0」または小さな値となるように学
習させればよいとの知見によりなされたものである。す
なわち、境界パターンに対応する入力信号に対する教師
信号を全細胞にわたり小さな値とするのである。これに
より両カテゴリーの境界に位置するパターンが学習パタ
ーンとして用いられ、結果として、学習用データの周囲
を取り囲む実線で示している範囲が識別すべきカテゴリ
ーの範囲であることを認識することになるので、誤認識
率が大幅に低下するのである。
The present invention is described in, for example, FIG.
Data that gives the peripheral boundaries of categories A and B (shown by “⊚”) are combined from the learning data, and when these data are given to the input layer, the output of all cells (units) in the output layer This is based on the knowledge that the value should be learned so that the value becomes “0” or a small value. That is, the teacher signal for the input signal corresponding to the boundary pattern has a small value over all cells. By this, the pattern located at the boundary of both categories is used as a learning pattern, and as a result, it is recognized that the range shown by the solid line surrounding the learning data is the range of the category to be identified. The false recognition rate is greatly reduced.

【0022】そこで、本発明は、入力ユニット群に複数
の学習用入力パターンを入力するとともに、入力した学
習用入力パターンに対応した出力ユニット群の出力パタ
ーンを予め定めた教師パターンと比較して両者の誤差を
求め、この誤差に基づいて各ユニット群を構成している
ユニットのしきい値と各ユニット群を連結している結合
素子の重み係数とを補正する操作を繰り返して前記学習
用入力パターンを学習させたのち、任意のパターンを前
記入力ユニット群に入力して前記出力ユニット群の出力
パターンを、学習させた入力パターンに対応した出力パ
ターンと対比するパターンマッチング方法において、同
一のカテゴリーに属する前記複数の学習用入力パターン
の周囲の境界パターンを前記学習用入力パターンに基づ
いて作成し、この境界パターンに対応した前記出力ユニ
ット群の各ユニットの出力の教師信号を0または小さな
値に設定し、前記境界パターンを前記学習用入力パター
ンとともに学習させたのち、任意のパターンを前記入力
ユニット群に入力することにより、上記目的を達成する
ようにしたものである。
Therefore, according to the present invention, a plurality of learning input patterns are input to the input unit group, and the output pattern of the output unit group corresponding to the input learning input pattern is compared with a predetermined teacher pattern. And the input coefficient for learning is repeated by repeating the operation of correcting the threshold value of the unit forming each unit group and the weighting factor of the coupling element connecting each unit group based on this error. After learning, the pattern matching method of inputting an arbitrary pattern to the input unit group and comparing the output pattern of the output unit group with the output pattern corresponding to the learned input pattern belongs to the same category. A boundary pattern around the plurality of learning input patterns is created based on the learning input pattern, After setting the teacher signal output from each unit of the output unit group corresponding to the field pattern to 0 or a small value and learning the boundary pattern together with the learning input pattern, an arbitrary pattern is input to the input unit group. By inputting, the above-mentioned object is achieved.

【0023】境界パターンは、同一カテゴリーに属する
学習用入力パターンのすべてを含む円や楕円、矩形の領
域を設定し、この領域の外側の値を境界パターンとして
設定してもよい。また、境界パターンは、同一のカテゴ
リーに属する複数の学習用入力パターンの各要素の最大
値に予め定めた値を加算した最大境界値と、前記各要素
の最小値から予め定めた値を減算した最小境界値とを含
むように設定すると、境界パターンの作成を容易に行う
ことができる。
As the boundary pattern, a circle, an ellipse, or a rectangular area including all the learning input patterns belonging to the same category may be set, and a value outside this area may be set as the boundary pattern. Further, the boundary pattern is a maximum boundary value obtained by adding a predetermined value to the maximum value of each element of a plurality of learning input patterns belonging to the same category, and a predetermined value is subtracted from the minimum value of each element. By setting so as to include the minimum boundary value, it is possible to easily create a boundary pattern.

【0024】また、本発明に係るパターンマッチング装
置は、識別すべきパターンが入力される入力ユニット群
と、前記入力パターンに対応するパターンを出力する出
力ユニット群と、前記入力ユニット群と前記出力ユニッ
ト群との間に介在させた少なくとも1つ以上の中間ユニ
ット群と、これら各ユニット群を連結する結合素子と、
Further, the pattern matching apparatus according to the present invention is such that an input unit group to which a pattern to be identified is inputted, an output unit group to output a pattern corresponding to the input pattern, the input unit group and the output unit. At least one or more intermediate unit groups interposed between the groups, and a coupling element connecting these unit groups,

【0025】前記入力ユニット群に入力する複数の学習
用入力パターンと、これらの学習用入力パターンに対応
して作成した、前記出力ユニット群の出力パターンと対
比する教師パターンとを保持する学習信号保持部とを備
え、前記各ユニット群の各ユニットは、結合素子毎に割
り当てられた重み係数を乗じた前段のユニットの出力を
加算し、この加算値と設定されたしきい値との差を独立
変数とする入出力関数に基づく演算結果を出力し、前記
学習用入力パターンを前記入力ユニット群に入力して得
た前記出力ユニット群の出力パターンと対応する前記教
師パターンとの誤差に基づいて、前記結合素子の重み係
数と前記しきい値との補正を繰り返して前記学習用入力
パターンを学習させたのち、任意のパターンを前記入力
ユニット群に入力してパターンマッチングを行うように
したパターンマッチング装置において、前記学習信号保
持部は、前記複数の学習用入力パターンに基づいて同一
のカテゴリーに属する学習用入力パターンの周囲の境界
パターンを生成する境界信号合成部と、前記境界パター
ンに対応した、前記出力ユニット群の各ユニットの出力
と対比する教師信号を0または小さな値にする境界教師
信号合成部とを有する構成にしてある。境界パターンに
対応した教師信号の小さな値は、例えば0.1程度の値
である。
Learning signal holding for holding a plurality of learning input patterns to be input to the input unit group and a teacher pattern created corresponding to these learning input patterns and being compared with the output pattern of the output unit group And each unit of each unit group adds the output of the preceding unit multiplied by the weighting factor assigned to each coupling element, and the difference between this added value and the set threshold value is independently calculated. An operation result based on an input / output function as a variable is output, and based on an error between the output pattern of the output unit group obtained by inputting the learning input pattern into the input unit group and the corresponding teacher pattern, After the correction of the weighting factor of the coupling element and the threshold value is repeated to learn the learning input pattern, an arbitrary pattern is input to the input unit group. In the pattern matching device configured to perform pattern matching by means of boundary signal synthesis, the learning signal holding unit generates a boundary pattern around learning input patterns belonging to the same category based on the plurality of learning input patterns. And a boundary teacher signal synthesizing unit for setting the teacher signal corresponding to the boundary pattern and the output of each unit of the output unit group to 0 or a small value. The small value of the teacher signal corresponding to the boundary pattern is, for example, a value of about 0.1.

【0026】[0026]

【作用】上記構成によれば、カテゴリーの範囲外となる
その周囲の境界パターンが入力ユニット群に入力された
ときに、出力ユニット群の各ユニットの出力を「0」ま
たは小さな値となるように学習させることにより、結果
的にそのカテゴリーから遠くはなれたパターンに対して
も出力ユニットの出力を小さな値とすることが可能とな
る。そして、そのカテゴリーに属するパターンの入力に
対する出力ユニットの出力が大きくなるように学習させ
ることにより、入力された任意のパターンに対応した出
力を学習させた出力と対比することにより、そのパター
ンがカテゴリーに属するか否かを容易、的確に判断する
ことができ、誤判定をなくすことが可能となる。なお、
境界パターンは各カテゴリーに属する学習用パターンを
元に合成するが、この合成方法は識別対象に応じて個別
に行うようにすればよい。
According to the above construction, when the boundary pattern around the outside of the category is input to the input unit group, the output of each unit of the output unit group becomes "0" or a small value. By learning, as a result, the output of the output unit can be set to a small value even for a pattern far from the category. Then, by learning so that the output of the output unit with respect to the input of the pattern belonging to the category becomes large, the output corresponding to the input arbitrary pattern is compared with the learned output, so that the pattern becomes the category. Whether or not they belong can be easily and accurately determined, and erroneous determination can be eliminated. In addition,
The boundary pattern is synthesized based on the learning patterns belonging to each category, but this synthesizing method may be performed individually according to the identification target.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態例を図面
に基づいて説明する。図1は、実施例に係るパターンマ
ッチング装置の全体構成を示すブロック図である。図示
のように、この装置は、パターンマッチングを行おうと
する文字や各種信号波形等の認識対象画像を取り込む受
像装置10を有している。受像装置10は認識対象画像
を直接表示できるものとなっており、この画像表示信号
をパターン入力部12に出力するようにしてある。パタ
ーン入力部12は、受像装置10の画像表示領域を二次
元マトリックスに分割し、各分割領域に対応した個々の
画像信号を信号量の大きさ、例えば信号の強度や濃度等
に応じて後段の変換処理部14に出力するものとしてい
る。これにより、受像装置10に入力された画像信号
は、パターン信号として変換処理部14に入力される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of the pattern matching device according to the embodiment. As shown in the figure, this device has an image receiving device 10 that captures recognition target images such as characters and various signal waveforms for which pattern matching is to be performed. The image receiving device 10 can directly display an image to be recognized, and outputs the image display signal to the pattern input unit 12. The pattern input unit 12 divides the image display area of the image receiving device 10 into a two-dimensional matrix, and separates individual image signals corresponding to each divided area according to the magnitude of the signal amount, for example, the intensity or density of the signal. It is supposed to be output to the conversion processing unit 14. As a result, the image signal input to the image receiving device 10 is input to the conversion processing unit 14 as a pattern signal.

【0028】上記パターン入力部12の出力信号が入力
する変換処理部14は、識別すべきパターンが入力され
るユニット群としての入力層16と、前記入力パターン
に対応するパターンを出力するユニット群としての出力
層20と、前記入力層16と出力層20との間に介在
し、複数の結合素子によってこれらの層16、20と連
結される中間ユニット群としての中間層18とから構成
してある。これらの入力層16、中間層18、および出
力層20は、それぞれ生物の神経細胞に相当する複数の
多入力1出力型の素子(ユニット)を有し、各層のユニ
ットを神経繊維に相当する結合素子を介して他の層のユ
ニットと結合することにより構成されたニューラルネッ
トワークを利用した構成とされている。
The conversion processing unit 14 to which the output signal of the pattern input unit 12 is input is an input layer 16 as a unit group to which a pattern to be identified is input, and a unit group to output a pattern corresponding to the input pattern. Output layer 20 and an intermediate layer 18 as an intermediate unit group interposed between the input layer 16 and the output layer 20 and connected to these layers 16 and 20 by a plurality of coupling elements. . The input layer 16, the intermediate layer 18, and the output layer 20 each have a plurality of multi-input / single-output type elements (units) corresponding to the nerve cells of the organism, and the units of each layer are connected to correspond to nerve fibers. It is configured to use a neural network configured by connecting to units in other layers via elements.

【0029】すなわち、図2に中間層18を例に示した
ように、中間層18を構成している各ユニット22は、
結合素子23を介して入力層16の各ユニットと結合さ
れていて、入力層16の各ユニットの出力信号Iが各結
合素子23に割り当てられた重み係数Wを乗じた値とし
て入力するようになっている。そして、中間層ユニット
22は、所定の演算をして求めた出力信号を結合素子2
4を介して出力層20の各ユニット25に出力するよう
になっている。また、出力層20のユニット25は、中
間層ユニット22と同様の演算を行ってその演算結果を
結合素子27を介して出力する。
That is, as shown in the example of the intermediate layer 18 in FIG. 2, each unit 22 constituting the intermediate layer 18 is
Each unit of the input layer 16 is coupled through the coupling element 23, and the output signal I of each unit of the input layer 16 is input as a value obtained by multiplying the weighting coefficient W assigned to each coupling element 23. ing. Then, the intermediate layer unit 22 outputs the output signal obtained by performing a predetermined calculation to the coupling element 2
4 to each unit 25 of the output layer 20. In addition, the unit 25 of the output layer 20 performs the same operation as the intermediate layer unit 22 and outputs the operation result via the coupling element 27.

【0030】このように入力層16、中間層18、出力
層20からなる変換処理部14の回路構成は、図3のよ
うになっていて、入力層16の出力計算回路40、中間
層18の入力計算回路42、中間層18の出力計算回路
44、出力層20の入力計算回路46、出力層20の出
力計算回路48が直列的に接続してある。
As described above, the circuit configuration of the conversion processing unit 14 including the input layer 16, the intermediate layer 18, and the output layer 20 is as shown in FIG. 3, and the output calculation circuit 40 of the input layer 16 and the intermediate layer 18 are the same. The input calculation circuit 42, the output calculation circuit 44 of the intermediate layer 18, the input calculation circuit 46 of the output layer 20, and the output calculation circuit 48 of the output layer 20 are connected in series.

【0031】入力層出力計算回路40は、入力パターン
に基づいて入力層16の各ユニットの出力を求めるもの
で、本例においては出力値を演算する入出力関数が一般
的に用いられている線形関数となっている。このため、
入力層16の各ユニットは、パターン入力部12の対応
する出力値と同じ値(I1 〜In )を出力する。また、
中間層18の入力計算回路42は、入力層出力計算回路
40の出力Iと入力層16と中間層18とを結合してい
る結合素子23の結合係数Wとを用いて中間層18の各
ユニット22への入力値Uを計算し、中間層18の出力
計算回路44は、入力計算回路42によって求めた入力
値Uと後述する入出力関数とにより、中間層18の各ユ
ニット22の出力Hを計算する。そして、出力層20の
入力計算回路46は、中間層出力計算回路44の出力H
と、中間層18と出力層20とを結合している結合素子
24の結合係数Vとを用いて出力層20の各ユニット2
5へ供給される入力Sを計算し、出力層出力計算回路4
8は、出力層入力計算回路46の計算値Sと入出力関数
とにより出力層20の出力Oを求める。
The input layer output calculation circuit 40 obtains the output of each unit of the input layer 16 based on the input pattern. In this example, an input / output function for calculating an output value is generally used as a linear function. It is a function. For this reason,
Each unit of the input layer 16 output the same values as the corresponding output value of the pattern input section 12 (I 1 ~I n). Also,
The input calculation circuit 42 of the intermediate layer 18 uses the output I of the input layer output calculation circuit 40 and the coupling coefficient W of the coupling element 23 that couples the input layer 16 and the intermediate layer 18 to each unit of the intermediate layer 18. The input value U to 22 is calculated, and the output calculation circuit 44 of the intermediate layer 18 calculates the output H of each unit 22 of the intermediate layer 18 from the input value U obtained by the input calculation circuit 42 and the input / output function described later. calculate. Then, the input calculation circuit 46 of the output layer 20 outputs the output H of the intermediate layer output calculation circuit 44.
And the coupling coefficient V of the coupling element 24 coupling the intermediate layer 18 and the output layer 20 to each unit 2 of the output layer 20.
5, the input S supplied to 5 is calculated, and the output layer output calculation circuit 4
Reference numeral 8 obtains the output O of the output layer 20 based on the calculated value S of the output layer input calculation circuit 46 and the input / output function.

【0032】変換処理部14の出力、すなわち出力層2
0の各ユニット25の出力Oは、基本的にはパターン出
力部26に入力される。そして、パターン入力部26
は、各ユニット25の出力値Oによって得られるパター
ン(ベクトル)をメモリ28に格納してパターンと比較
し、出力層20の出力信号にマッチングした出力パター
ンをメモリ28から読み出して表示装置30に表示す
る。
Output of conversion processing unit 14, that is, output layer 2
The output O of each unit 0 of 0 is basically input to the pattern output unit 26. Then, the pattern input unit 26
Stores the pattern (vector) obtained by the output value O of each unit 25 in the memory 28, compares it with the pattern, reads the output pattern matching the output signal of the output layer 20 from the memory 28, and displays it on the display device 30. To do.

【0033】しかし、本実施形態においては、バックプ
ロパゲーションによる学習機能を持たせており、このた
め、前記変換処理部14の後段に、出力層20からの出
力信号を入力する誤差検出部32が設けてある。この誤
差検出部32には、教師装置34が接続してあり、パタ
ーンマッチング装置のパターンマッチング能力を修得さ
せる学習時に、受像装置10に与えた学習用入力パター
ン(入力信号)に対応した教師信号が教師装置34から
与えられるようになっている。
However, in the present embodiment, the learning function by back propagation is provided, and therefore, the error detection section 32 for inputting the output signal from the output layer 20 is provided at the subsequent stage of the conversion processing section 14. It is provided. A teacher device 34 is connected to the error detection unit 32, and a teacher signal corresponding to a learning input pattern (input signal) given to the image receiving device 10 is transmitted when learning for learning the pattern matching ability of the pattern matching device. It is provided from the teacher device 34.

【0034】受像装置10と教師装置34とには、学習
信号保持部50が接続してある。この学習信号保持部5
0は、学習入力信号メモリ51、教師信号メモリ52、
パターン境界設定器54、初期学習入力信号メモリ5
6、初期教師信号メモリ58とから構成してある。そし
て、パターン境界設定器54は、初期学習入力信号メモ
リ56に書き込まれたデータ(学習用入力パターン)に
基づいて、詳細を後述するように、境界パターンを作成
し、この境界パターンを初期学習入力信号メモリに書き
込まれたデータとともに学習入力信号メモリ51に書き
込み、また初期教師信号メモリ58に書き込まれた初期
教師信号に基づいて境界パターンに対応した教師信号
(境界教師信号)を作成し、初期教師信号と境界教師信
号とを教師信号メモリ52に書き込む。また、パターン
マッチング装置の学習時に、学習入力メモリ51から学
習用の入力信号(入力パターン)が受像装置10に与え
られ、この入力信号に対応した教師信号が教師信号メモ
リ52から教師装置34に与えられる。
A learning signal holding section 50 is connected to the image receiving apparatus 10 and the teacher apparatus 34. This learning signal holding unit 5
0 is a learning input signal memory 51, a teacher signal memory 52,
Pattern boundary setter 54, initial learning input signal memory 5
6, an initial teacher signal memory 58. Then, the pattern boundary setter 54 creates a boundary pattern based on the data (input pattern for learning) written in the initial learning input signal memory 56 and inputs this boundary pattern into the initial learning input. The teacher signal (boundary teacher signal) corresponding to the boundary pattern is created based on the initial teacher signal written in the learning input signal memory 51 and the initial teacher signal memory 58 together with the data written in the signal memory. The signal and the boundary teacher signal are written in the teacher signal memory 52. Further, at the time of learning of the pattern matching device, an input signal for learning (input pattern) is given from the learning input memory 51 to the image receiving device 10, and a teacher signal corresponding to this input signal is given from the teacher signal memory 52 to the teacher device 34. To be

【0035】パターン境界設定器54は、同一のカテゴ
リーに属する1群の初期学習入力信号の周囲に境界を定
めるもので、図4に示したように、初期学習入力信号が
入力する最大値・最小値演算部60を有している。この
最大値・最小値演算部は、各カテゴリー毎に初期学習入
力信号の各要素の最大値と最小値とを求める。そして、
最大値・最小値演算部60の求めた最大値と最小値と
は、代替値演算部62に入力するようになっている。代
替値演算部62は、入力された最大値に予め定めた値を
加算した値(最大境界値)と、入力された最小値から予
め定めた値を減算した値(最小境界値)とを求めて境界
信号合成部64に送出する。これらの代替値演算部62
が加算または減算する予め定めた値は、各カテゴリー間
の距離などによって異ならせることができ、シミュレー
ション等によって決定される。そして、代替値演算部6
2の求めた値は、境界信号合成部64に送られる。
The pattern boundary setter 54 defines boundaries around a group of initial learning input signals belonging to the same category. As shown in FIG. 4, the maximum and minimum values of the initial learning input signals are input. It has a value calculator 60. The maximum value / minimum value calculation unit obtains the maximum value and the minimum value of each element of the initial learning input signal for each category. And
The maximum value and the minimum value calculated by the maximum value / minimum value calculation unit 60 are input to the alternative value calculation unit 62. The substitute value calculation unit 62 obtains a value obtained by adding a predetermined value to the input maximum value (maximum boundary value) and a value obtained by subtracting the predetermined value from the input minimum value (minimum boundary value). And sends it to the boundary signal synthesizer 64. These alternative value calculation units 62
The predetermined value to be added or subtracted by can be varied depending on the distance between the categories, and is determined by simulation or the like. Then, the alternative value calculation unit 6
The value obtained by 2 is sent to the boundary signal synthesis unit 64.

【0036】境界信号合成部64は、初期学習入力信号
のいずれかの要素を、代替値演算部62が求めた値と入
替えたカテゴリーの境界を定める境界信号(境界パター
ン)を作成し、初期学習入力信号とともに学習入力信号
メモリ50に書き込む。また、パターン境界設定器54
の境界用教師信号合成部66は、入力した初期教師信号
に基づいて、境界信号合成部64が求めた境界信号に対
応した境界用教師信号を合成する。この境界信号用教師
信号合成部66が求める境界教師信号は、境界信号合成
部64が求めた境界パターンが受像装置10に与えられ
たときに、変換処理部14の出力層20の各ユニット2
5の出力値が「0」または小さな小さな値となるような
もので、原則として「0」である。
The boundary signal synthesizing unit 64 creates a boundary signal (boundary pattern) that defines the boundary of the category by replacing any element of the initial learning input signal with the value obtained by the alternative value calculating unit 62, and performs the initial learning. The input signal and the learning input signal memory 50 are written. In addition, the pattern boundary setter 54
The boundary teacher signal synthesizer 66 synthesizes the boundary teacher signal corresponding to the boundary signal obtained by the boundary signal synthesizer 64, based on the input initial teacher signal. The boundary teacher signal calculated by the boundary signal teacher signal synthesizer 66 is supplied to each unit 2 of the output layer 20 of the conversion processor 14 when the boundary pattern obtained by the boundary signal synthesizer 64 is given to the image receiving device 10.
The output value of 5 is "0" or a small small value, which is "0" in principle.

【0037】このように構成した実施形態においては、
受像装置10に識別すべきパターン(入力信号)が与え
られると、パターン入力部12は、受像装置10の画像
表示領域を二次元マトリックスに分割し、各分割領域に
対応した画像信号に応じた信号を変換処理部14に出力
する。変換処理部14の入力層16を構成している各ユ
ニットに設けた入力層出力計算回路40は、入出力関数
が線形関数となっているため、各ユニットに入力したパ
ターン入力部12の出力値に等しい値Ii を出力する。
In the embodiment constructed as described above,
When the pattern (input signal) to be identified is given to the image receiving device 10, the pattern input unit 12 divides the image display region of the image receiving device 10 into a two-dimensional matrix, and a signal corresponding to the image signal corresponding to each divided region. Is output to the conversion processing unit 14. Since the input / output function of the input layer output calculation circuit 40 provided in each unit constituting the input layer 16 of the conversion processing unit 14 is a linear function, the output value of the pattern input unit 12 input to each unit. Output a value I i equal to.

【0038】中間層18の各ユニット22は、入力層1
6の各ユニットが出力した値Ii を結合素子23を介し
て受け取る。そして、中間層18の各ユニット22は、
入力計算回路42が前記した数式3と同様に、次の数式
8により入力Uj を演算し、出力計算回路44に送出す
る。
Each unit 22 of the intermediate layer 18 corresponds to the input layer 1
The value I i output from each unit of 6 is received via the coupling element 23. Then, each unit 22 of the intermediate layer 18
The input calculation circuit 42 calculates the input U j by the following formula 8 in the same manner as the formula 3 described above, and sends it to the output calculation circuit 44.

【数8】 (Equation 8)

【0039】ただし、Uj は中間層18の第j番目のユ
ニット22の入力値であり、Wijは入力層16の第i番
目のユニットと中間層18の第j番目のユニットとの結
合の強さを表す結合係数(結合素子23の重み係数)、
i は入力層16の第i番目のユニットの出力である。
また、θjは、中間層18の第j番目のユニット22の
しきい値である。
However, U j is the input value of the j-th unit 22 of the intermediate layer 18, and W ij is the combination of the i-th unit of the input layer 16 and the j-th unit of the intermediate layer 18. A coupling coefficient representing the strength (weighting coefficient of the coupling element 23),
I i is the output of the i-th unit of the input layer 16.
Further, θ j is a threshold value of the j-th unit 22 of the intermediate layer 18.

【0040】各ユニット22は、入力計算回路42が上
記数式8によって求めた入力値を受け取ると、入出力関
数を用いて出力値Hj を演算する。この演算に用いる入
出力関数は、図5(2)に示した飽和型のシグモイド関
数を用いてもよいが、本実施形態においては下記数式9
に示した入出力関数fを用いている。
When the input calculation circuit 42 receives the input value obtained by the above equation 8, each unit 22 calculates the output value H j using the input / output function. As the input / output function used for this calculation, the saturation type sigmoid function shown in FIG. 5B may be used.
The input / output function f shown in is used.

【数9】 (Equation 9)

【0041】この入出力関数fは、入力値の絶対値がし
きい値と等しいときに最大値出力をなし、しきい値と異
なる入力値に対しては前記最大値を越えない正の出力と
なる入出力特性としたもので、cは係数、θはしきい値
であり、定数または変数である。そして、xが入力値で
ある。
This input / output function f produces a maximum value output when the absolute value of the input value is equal to the threshold value, and a positive output which does not exceed the maximum value for input values different from the threshold value. Where c is a coefficient, θ is a threshold value, and is a constant or variable. Then, x is an input value.

【0042】すなわち、中間層18の出力計算回路44
は、上記数式8により計算された入力値Uを基に、上記
数式9に基づいて演算し、この演算値を中間層18にお
ける各ユニット22の次層への出力値Hjとしている。
これは、具体的には、
That is, the output calculation circuit 44 of the intermediate layer 18
Is calculated based on the input value U calculated by the above equation 8 based on the above equation 9, and this calculated value is used as the output value H j to the next layer of each unit 22 in the intermediate layer 18.
This is

【数10】 として、演算される。 ただし、Hj:第j番目のユニットの出力値、 Uj:第j番目のユニットの入力値、 θj:第j番目のユニットのしきい値、 である。(Equation 10) Is calculated as Where H j is the output value of the j-th unit, U j is the input value of the j-th unit, and θ j is the threshold value of the j-th unit.

【0043】更に、このようにして得られた中間層18
からの出力Hi は結合素子24を介して出力層20に入
力されるが、この出力層20への入力部分における入力
計算回路46で、まず、中間層18の出力Hi と、中間
層18と出力層20と接続する結合素子24の結合係数
Vを用いて出力層20の各ユニット25へ供給される入
力Sを計算する。この演算処理は、上記した数式8と同
様に、
Further, the intermediate layer 18 thus obtained
The output H i from the input layer is input to the output layer 20 via the coupling element 24. In the input calculation circuit 46 in the input part to the output layer 20, first, the output H i of the intermediate layer 18 and the intermediate layer 18 are input. And the coupling coefficient V of the coupling element 24 connected to the output layer 20 is used to calculate the input S supplied to each unit 25 of the output layer 20. This arithmetic processing is similar to the above-mentioned formula 8,

【数11】 [Equation 11]

【0044】ただし、Vjkは中間層18の第j番目のユ
ニット22と出力層20の第k番目のユニット25とを
接続する結合素子24の結合係数(重み係数)、γk
出力層の第k番目のユニット25のしきい値、Skが出
力層20の第k番目のユニット25への入力値である。
However, V jk is a coupling coefficient (weighting coefficient) of the coupling element 24 connecting the j-th unit 22 of the intermediate layer 18 and the k-th unit 25 of the output layer 20, and γ k is the output layer. The threshold of the kth unit 25, S k, is the input value to the kth unit 25 of the output layer 20.

【0045】次いで、出力層20の各ユニット25は、
前記数式9の入出力関数fに基づき、出力値Oを算出す
るものとしている。すなわち、出力層20では、出力計
算回路48により、上記11式で計算された入力値Sを
基に、上記数式9に基づいて演算し、出力層20を構成
している複数のユニット25の出力値を算出する(出力
信号O)。これは、具体的には、
Next, each unit 25 of the output layer 20
The output value O is calculated on the basis of the input / output function f of the mathematical expression 9. That is, in the output layer 20, the output calculation circuit 48 performs an operation based on the input value S calculated by the above equation 11 based on the above equation 9 to output the outputs of the plurality of units 25 constituting the output layer 20. The value is calculated (output signal O). This is

【数12】 によって演算する。(Equation 12) Calculate by

【0046】このようにして得られた出力信号Oは、出
力層20の各ユニット25毎にパターン出力部26から
出力され、出力層20の出力信号にマッチングする出力
パターンがパターン出力部26によってメモリ28から
読み出され、受像装置10に入力されたパターンの対応
パターンとして表示装置30等に表示される。
The output signal O thus obtained is output from the pattern output section 26 for each unit 25 of the output layer 20, and an output pattern matching the output signal of the output layer 20 is stored in the memory by the pattern output section 26. The pattern read out from the display device 28 and input to the image receiving device 10 is displayed on the display device 30 or the like as a corresponding pattern.

【0047】パターンマッチング装置のバックプロパゲ
ーションによる学習は、次のように行われる。初期学習
入力信号メモリ56には、パターンマッチング装置に学
習させるための初期学習入力信号(初期学習入力パター
ン)が書き込まれ、初期教師信号メモリ58には、初期
学習入力信号メモリ56に書き込んだ入力信号に対応し
た教師信号(教師パターン)が書き込まれる。各メモリ
56、58に書き込まれた信号は、パターン境界設定器
54に読み込まれる。パターン境界設定器54は、読み
込んだ入力信号と教師信号とから境界信号と境界信号用
教師信号とを作成し、これら作成した信号を初期学習入
力信号と初期教師信号とともに学習入力信号、教師信号
として学習入力信号メモリ51、教師信号メモリ52に
書き込む。
Learning by back propagation of the pattern matching device is performed as follows. The initial learning input signal memory 56 is written with an initial learning input signal (initial learning input pattern) for the pattern matching device to learn, and the initial teacher signal memory 58 is written with the input signal written in the initial learning input signal memory 56. A teacher signal (teacher pattern) corresponding to is written. The signals written in the memories 56 and 58 are read by the pattern boundary setting unit 54. The pattern boundary setter 54 creates a boundary signal and a boundary signal teacher signal from the read input signal and teacher signal, and uses these created signals together with the initial learning input signal and the initial teacher signal as a learning input signal and a teacher signal. The learning input signal memory 51 and the teacher signal memory 52 are written.

【0048】すなわち、パターン境界設定器54は、最
大値・最小値演算部60が初期学習入力信号メモリ56
に書き込まれた初期学習入力信号を読み出し、各カテゴ
リー毎の入力信号の最大値と最小値とを求めて代替値演
算部62に入力する。例えば初期学習入力信号が二次元
のベクトル(二次元座標x、y)によって表される場
合、最大値・最小値演算部60は、各カテゴリーについ
てのx、yの最大値と最小値xqmax、xqmin、yqmax、
qminを求める。ただし、添字qは、初期学習入力信号
の属するカテゴリーを示し、カテゴリーが異なるごとに
異なった数値または記号となる。
That is, in the pattern boundary setting unit 54, the maximum value / minimum value calculation unit 60 has the initial learning input signal memory 56.
The initial learning input signal written in is read, the maximum value and the minimum value of the input signal for each category are calculated, and the calculated values are input to the alternative value calculation unit 62. For example, when the initial learning input signal is represented by a two-dimensional vector (two-dimensional coordinates x, y), the maximum / minimum value calculation unit 60 causes the maximum and minimum values x and y of each category to be x q max. , X q min, y q max,
Find y q min. However, the subscript q indicates the category to which the initial learning input signal belongs, and becomes a different numerical value or symbol for each different category.

【0049】代替値演算部62は、入力された最大値に
予め定めた値を加算した座標値xqmax+φ、yqmax+ψ
を求め、また入力された最小値から予め定めた値を減算
した座標値xqmin−χ、yqmin−ωを求め、この求めた
座標値を境界信号合成部64に入力する。境界信号合成
部64は、初期学習入力信号メモリ56に書き込まれた
初期学習入力信号のいずれか一方の座標値を、代替値演
算部62が求めた座標値と入替えたカテゴリーの境界を
定める境界信号(xqmax+φ,yqi)、(xqi,yqmin
−ω)等を作成し、初期学習入力信号とともに学習入力
信号メモリ50に書き込む。また、パターン境界設定器
54の境界用教師信号合成部66は、入力した初期教師
信号に基づいて、境界信号合成部64が求めた境界信号
に対応した教師信号を合成し、この合成した境界信号用
教師信号を初期教師信号とともに教師信号メモリ52に
書き込む。また、各結合素子の結合係数としきい値とを
一様乱数による小さな値に設定する。
The substitute value calculation unit 62 adds coordinate values x q max + φ, y q max + ψ that are obtained by adding a predetermined value to the input maximum value.
And a coordinate value x q min−χ, y q min−ω obtained by subtracting a predetermined value from the input minimum value, and the obtained coordinate value is input to the boundary signal synthesis unit 64. The boundary signal synthesizing unit 64 replaces the coordinate value of any one of the initial learning input signals written in the initial learning input signal memory 56 with the coordinate value obtained by the alternative value calculating unit 62 to determine the boundary of the category. (X q max + φ, y qi ), (x qi , y q min
-Ω) and the like are created and written in the learning input signal memory 50 together with the initial learning input signal. The boundary teacher signal synthesis unit 66 of the pattern boundary setting unit 54 synthesizes the teacher signal corresponding to the boundary signal obtained by the boundary signal synthesis unit 64 based on the input initial teacher signal, and the synthesized boundary signal. The teacher signal for writing is written in the teacher signal memory 52 together with the initial teacher signal. Also, the coupling coefficient and the threshold value of each coupling element are set to small values by uniform random numbers.

【0050】このようにして学習入力信号と教師信号と
からなる学習信号が作成され、結合係数としきい値とが
設定されたならば、最初の学習入力信号(学習入力パタ
ーン)を受像装置10に与える。受像装置10に与えら
れた学習入力信号は、前記したようにパターン入力部1
2を介して変換処理部14に入力され、出力層20の各
ユニット25から出力信号Oが出力され、誤差検出部3
2に入力される。また、誤差検出部32には、最初の学
習入力信号に対応した教師信号(教師パターン)が教師
装置34を介して入力される。誤差検出部32は、出力
層20の各ユニット25の出力Oと教師装置34を介し
て与えられた教師信号とを比較し、両者の誤差を求めて
表示装置30等に出力する。そして、バックプロパゲー
ションの所定のアルゴリズムに従って出力層20の出力
と教師信号との誤差が最小となるように各ユニットのし
きい値や各結合素子の結合係数を変化させて修正する。
In this way, when the learning signal composed of the learning input signal and the teacher signal is created and the coupling coefficient and the threshold value are set, the first learning input signal (learning input pattern) is sent to the image receiving device 10. give. The learning input signal provided to the image receiving device 10 is transmitted to the pattern input unit 1 as described above.
2 is input to the conversion processing unit 14, the output signal O is output from each unit 25 of the output layer 20, and the error detection unit 3
2 is input. A teacher signal (teacher pattern) corresponding to the first learning input signal is input to the error detector 32 via the teacher device 34. The error detection unit 32 compares the output O of each unit 25 of the output layer 20 with the teacher signal given via the teacher device 34, obtains the error between the two, and outputs the error to the display device 30 or the like. Then, the threshold value of each unit and the coupling coefficient of each coupling element are changed and corrected so that the error between the output of the output layer 20 and the teacher signal is minimized according to a predetermined algorithm of back propagation.

【0051】このようにして最初の学習入力信号に対す
る学習が終了したならば、次の学習入力信号を受像装置
10に入力して同様に学習させる。そして、この学習
は、学習入力信号メモリ51に書き込まれたすべての学
習入力信号について行われ、境界設定器54の境界信号
合成部64が求めた境界信号に対しても同様にである。
ただし、境界信号合成部64が求めた境界信号の教師信
号(境界信号用教師信号)は、出力層20の各ユニット
25の出力Oが「0」または小さな値となるように設定
される。そして、上記の学習を、出力値と教師信号との
誤差が所定値以下になるまで、または予め定めた学習回
数に達するまで行って学習入力信号(学習入力パター
ン)を学習させる。
When the learning for the first learning input signal is completed in this way, the next learning input signal is input to the image receiving device 10 and similarly learned. Then, this learning is performed for all learning input signals written in the learning input signal memory 51, and the same applies to the boundary signal obtained by the boundary signal combining unit 64 of the boundary setting unit 54.
However, the teacher signal of the boundary signal (the teacher signal for boundary signal) obtained by the boundary signal synthesis unit 64 is set so that the output O of each unit 25 of the output layer 20 becomes “0” or a small value. Then, the learning input signal (learning input pattern) is learned by performing the above learning until the error between the output value and the teacher signal becomes equal to or less than a predetermined value or until the learning number reaches a predetermined number.

【0052】[0052]

【実施例】このように構成されたパターンマッチング装
置を利用して二次元ベクトルで表されるパターンを識別
する作業を行った。
EXAMPLE A pattern matching apparatus constructed in this manner was used to identify a pattern represented by a two-dimensional vector.

【0053】図5は、学習に用いた二次元ベクトルであ
る。カテゴリー1に属する学習用パターンは記号「*」
で示し、カテゴリー2に属する学習用パターンは記号
「+」で示してある。このカテゴリー1、2に属するパ
ターンデータ(座標)を表1に示す。
FIG. 5 shows a two-dimensional vector used for learning. The learning pattern belonging to category 1 is the symbol "*"
, And the learning patterns belonging to category 2 are indicated by the symbol “+”. Table 1 shows pattern data (coordinates) belonging to the categories 1 and 2.

【0054】[0054]

【表1】 [Table 1]

【0055】カテゴリー1に属するxの最大値x1maxは
0.75、最小値x1minは0.25、またyの最大値y
1maxは0.75、最小値y1minは0.25である。そこ
で、カテゴリー1の境界信号(境界パターン)を求める
ために、これらの最大値に加算するφ、ψおよび最小値
から減算するχ、ωをそれぞれ0.15とすると、
The maximum value x 1 max of x belonging to category 1 is 0.75, the minimum value x 1 min is 0.25, and the maximum value y of y is y.
1 max is 0.75 and the minimum value y 1 min is 0.25. Therefore, in order to obtain the boundary signal (boundary pattern) of category 1, if φ and ψ added to these maximum values and χ and ω subtracted from the minimum value are respectively 0.15,

【数13】 (Equation 13)

【数14】 [Equation 14]

【数15】 (Equation 15)

【数16】 が得られる。(Equation 16) Is obtained.

【0056】そこで、表1のデータと数式13〜16と
から境界信号をもとめると、データAについての境界信
号は、a1 (0.9,0.75)、a2 (0.1,0.
75)、a3 (0.75,0.9)、a4 (0.75,
0.1)となる。以下、同様にしてカテゴリー1のデー
タB〜I、カテゴリー2のデータA’〜I’についても
境界信号を求めた。このようにして求めた境界信号の一
例を図5に○印によって示した。
Therefore, when the boundary signal is obtained from the data in Table 1 and the mathematical expressions 13 to 16, the boundary signals for the data A are a 1 (0.9, 0.75) and a 2 (0.1, 0). .
75), a 3 (0.75,0.9) , a 4 (0.75,
0.1). In the same manner, boundary signals were similarly obtained for the data B to I of category 1 and the data A ′ to I ′ of category 2. An example of the boundary signal thus obtained is shown by a circle in FIG.

【0057】そして、これらの境界信号と表1に示した
初期学習入力信号とを用いてパターンの学習をさせてパ
ターン識別能力を獲得させたのち、学習させていない検
定用データを用いてパターンマッチングの検定を行っ
た。表2にその検定用データと検定結果を示す。また、
検定用データを図5に■を用いて示す。
Then, after learning the pattern using these boundary signals and the initial learning input signal shown in Table 1 to acquire the pattern discrimination ability, pattern matching is performed using the unlearned test data. Was tested. Table 2 shows the test data and test results. Also,
The data for assay is shown in FIG.

【0058】[0058]

【表2】 [Table 2]

【0059】これらの結果を比較すると、本実施例によ
る境界パターン学習による識別結果が極めて良好な判断
結果となっている。すなわち、境界信号による学習を行
わない従来法では、識別すべきカテゴリーに属しない未
学習データパターンに対する出力値が大きくなって誤認
識率が高いのに対し、境界パターンを学習させた本実施
例では極めて低い誤認率となっている。例えば0.7以
上の出力が得られた場合には設定したカテゴリーに属す
ると判定されたものとすると、実際には設定されたカテ
ゴリー1、2のいずれにも属しないデータに対して、従
来法では、データ番号2、3を除いてその他のパターン
はカテゴリー1もしくは2に属していると識別している
のに対して、本実施例に係るパターンマッチング装置を
用いた場合は、いずれのパターンに対しても、出力値が
0.36以下となっており、学習したカテゴリーに属さ
ないと判定している。従って、学習したカテゴリーに属
さないデータの正当率は100%で従来法と比較して高
い正当率が得られている。
Comparing these results, the discrimination result by the boundary pattern learning according to the present embodiment is a very good judgment result. That is, in the conventional method in which the boundary signal is not learned, the output value for the unlearned data pattern that does not belong to the category to be identified is large and the misrecognition rate is high. It has an extremely low false positive rate. For example, if an output of 0.7 or more is obtained, it is assumed that it is determined that the data belongs to the set category, and the conventional method is applied to data that does not actually belong to any of the set categories 1 and 2. Then, except for the data numbers 2 and 3, the other patterns are identified as belonging to the category 1 or 2. On the other hand, when the pattern matching device according to the present embodiment is used, the pattern On the other hand, the output value is 0.36 or less, and it is determined that the output value does not belong to the learned category. Therefore, the correctness rate of the data that does not belong to the learned category is 100%, which is higher than the conventional method.

【0060】なお、前記実施例においては、境界パター
ンを初期学習入力信号の要素の最大値に所定値を加算し
たものと、要素の最小値から所定値を減算したものとを
用いて作成する場合について説明したが、同一カテゴリ
ーに属する初期学習入力信号を包含する円形等の領域を
求め、その外側の点を境界パターンとしてもよい。
In the above embodiment, the boundary pattern is created by using the maximum value of the elements of the initial learning input signal plus a predetermined value and the minimum value of the elements minus the predetermined value. However, it is also possible to obtain an area such as a circle including the initial learning input signal belonging to the same category and use the points outside the area as the boundary pattern.

【0061】[0061]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
カテゴリーの範囲外となるその周囲の境界パターンが入
力ユニット群に入力されたときに、出力ユニット群の各
ユニットの出力を「0」または小さな値となるように学
習させることにより、結果的にそのカテゴリーから遠く
はなれたパターンに対しても出力ユニットの出力を小さ
な値とすることが可能となり、入力されたパターンがカ
テゴリーに属するか否かを容易、的確に判断することが
でき、誤判定をなくすことが可能となる。
As described above, according to the present invention,
By learning the output of each unit of the output unit group to be “0” or a small value when a boundary pattern around it, which is outside the category, is input to the input unit group, the result is that The output of the output unit can be set to a small value even for patterns that are far from the category, and it can be easily and accurately determined whether or not the input pattern belongs to the category, and erroneous determination is eliminated. It becomes possible.

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

【図1】本発明の実施形態に係るパターンマッチング装
置のブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram of a pattern matching device according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施形態に係るユニットの説明図であ
る。
FIG. 2 is an explanatory diagram of a unit according to the embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施形態に係る変換処理部の回路構成
例である。
FIG. 3 is a circuit configuration example of a conversion processing unit according to the embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施形態に係る学習信号保持部に設け
たパターン境界設定器の構成ブロック図である。
FIG. 4 is a configuration block diagram of a pattern boundary setting unit provided in a learning signal holding unit according to the embodiment of the present invention.

【図5】学習データ、境界データ、および検定に用いた
データをx−y座標にプロットした図である。
FIG. 5 is a diagram in which learning data, boundary data, and data used for testing are plotted on xy coordinates.

【図6】ニューラルネットワーク素子(ユニット)の模
式図、並びにこのユニットに用いられる入出力関数の一
種であるシグモイド関数を示す。
FIG. 6 shows a schematic diagram of a neural network element (unit) and a sigmoid function which is a kind of input / output function used in this unit.

【図7】ネットワークの構成例で、(1)は階層型ネッ
トワーク、(2)は相互結合型ネットワークの模式図で
ある。
FIG. 7 is a schematic diagram of a network structure example, (1) is a hierarchical network, and (2) is a mutual connection type network.

【図8】3層階層型ネットワークの模式像である。FIG. 8 is a schematic image of a three-layer hierarchical network.

【図9】従来のパターンマッチングの説明図である。FIG. 9 is an explanatory diagram of conventional pattern matching.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 受像装置 12 パターン入力部 14 変換処理部 16 入力層 18 中間層 20 出力層 22、25 ユニット 23、24、27 結合素子 26 パターン出力部 28 メモリ 30 表示装置 32 誤差検出部 34 教師装置 50 学習信号保持部 54 パターン境界設定器 60 最大値・最小値演算部 64 境界信号合成部 66 境界用教師信号合成部 10 image receiving device 12 pattern input unit 14 conversion processing unit 16 input layer 18 intermediate layer 20 output layer 22, 25 units 23, 24, 27 coupling element 26 pattern output unit 28 memory 30 display device 32 error detection unit 34 teacher device 50 learning signal Holding unit 54 Pattern boundary setting unit 60 Maximum value / Minimum value calculating unit 64 Boundary signal combining unit 66 Boundary teacher signal combining unit

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 入力ユニット群に複数の学習用入力パタ
ーンを入力するとともに、入力した学習用入力パターン
に対応した出力ユニット群の出力パターンを予め定めた
教師パターンと比較して両者の誤差を求め、この誤差に
基づいて各ユニット群を構成しているユニットのしきい
値と各ユニット群を連結している結合素子の重み係数と
を補正する操作を繰り返して前記学習用入力パターンを
学習させたのち、任意のパターンを前記入力ユニット群
に入力して前記出力ユニット群の出力パターンを、学習
させた入力パターンに対応した出力パターンと対比する
パターンマッチング方法において、同一のカテゴリーに
属する前記複数の学習用入力パターンの周囲の境界パタ
ーンを前記学習用入力パターンに基づいて作成し、この
境界パターンに対応した前記出力ユニット群の各ユニッ
トの出力の教師信号を0または小さな値に設定し、前記
境界パターンを前記学習用入力パターンとともに学習さ
せたのち、任意のパターンを前記入力ユニット群に入力
することを特徴とするパターンマッチング方法。
1. A plurality of learning input patterns are input to the input unit group, and an output pattern of the output unit group corresponding to the input learning input pattern is compared with a predetermined teacher pattern to obtain an error between them. , The learning input pattern is learned by repeating the operation of correcting the threshold value of the unit forming each unit group and the weighting factor of the coupling element connecting each unit group based on this error. After that, in the pattern matching method of inputting an arbitrary pattern to the input unit group and comparing the output pattern of the output unit group with the output pattern corresponding to the learned input pattern, the plurality of learnings belonging to the same category Create a boundary pattern around the input pattern for learning based on the learning input pattern, and correspond to this boundary pattern. The teacher signal output from each unit of the output unit group is set to 0 or a small value, the boundary pattern is learned together with the learning input pattern, and then an arbitrary pattern is input to the input unit group. Characteristic pattern matching method.
【請求項2】 前記境界パターンは、同一のカテゴリー
に属する前記複数の学習用入力パターンの各要素の最大
値に予め定めた値を加算した最大境界値と、前記各要素
の最小値から予め定めた値を減算した最小境界値とを含
むことを特徴とする請求項1に記載のパターンマッチン
グ方法。
2. The boundary pattern is predetermined from a maximum boundary value obtained by adding a predetermined value to the maximum value of each element of the plurality of learning input patterns belonging to the same category, and the minimum value of each element. 2. The pattern matching method according to claim 1, further comprising a minimum boundary value obtained by subtracting the calculated value.
【請求項3】 識別すべきパターンが入力される入力ユ
ニット群と、 前記入力パターンに対応するパターンを出力する出力ユ
ニット群と、 前記入力ユニット群と前記出力ユニット群との間に介在
させた少なくとも1つ以上の中間ユニット群と、 これら各ユニット群を連結する結合素子と、 前記入力ユニット群に入力する複数の学習用入力パター
ンと、これらの学習用入力パターンに対応して作成し
た、前記出力ユニット群の出力パターンと対比する教師
パターンとを保持する学習信号保持部とを備え、 前記各ユニット群の各ユニットは、結合素子毎に割り当
てられた重み係数を乗じた前段のユニットの出力を加算
し、この加算値と設定されたしきい値との差を独立変数
とする入出力関数に基づく演算結果を出力し、 前記学習用入力パターンを前記入力ユニット群に入力し
て得た前記出力ユニット群の出力パターンと対応する前
記教師パターンとの誤差に基づいて、前記結合素子の重
み係数と前記しきい値との補正を繰り返して前記学習用
入力パターンを学習させたのち、任意のパターンを前記
入力ユニット群に入力してパターンマッチングを行うよ
うにしたパターンマッチング装置において、 前記学習信号保持部は、前記複数の学習用入力パターン
に基づいて、同一のカテゴリーに属する学習用入力パタ
ーンの周囲の境界パターンを生成する境界信号合成部
と、前記境界パターンに対応した、前記出力ユニット群
の各ユニットの出力と対比する教師信号を0または小さ
な値にする境界教師信号合成部とを有していることを特
徴とするパターンマッチング装置。
3. An input unit group to which a pattern to be identified is input, an output unit group that outputs a pattern corresponding to the input pattern, and at least an interposition between the input unit group and the output unit group. One or more intermediate unit groups, a coupling element that connects these unit groups, a plurality of learning input patterns to be input to the input unit group, and the output created corresponding to these learning input patterns A learning signal holding unit that holds an output pattern of the unit group and a teacher pattern to be compared, and each unit of each unit group adds the output of the preceding unit multiplied by the weighting factor assigned to each coupling element. And outputs a calculation result based on an input / output function in which the difference between the added value and the set threshold value is an independent variable, and the learning input pattern Based on an error between the output pattern of the output unit group and the corresponding teacher pattern obtained by inputting to the input unit group, the learning is performed by repeatedly correcting the weighting factor of the coupling element and the threshold value. In the pattern matching device configured to perform the pattern matching by inputting an arbitrary pattern to the input unit group after learning the input pattern for learning, the learning signal holding unit is based on the plurality of learning input patterns. , A boundary signal synthesizing unit for generating a boundary pattern around a learning input pattern belonging to the same category, and a teacher signal corresponding to the boundary pattern and the output of each unit of the output unit group is 0 or a small value. And a boundary teacher signal synthesizing unit.
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