JPS60134391A - パタ−ン・周波数変換装置 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 （１）発明の技術分野 本発明は５２次元ビットパターンを対応する周波数に変
換する装置に関するものであり、特に２次元ファンデル
ポール振動子回路を変換装置として使用することにより
、入力２次元ビットパターンを直接的に周波数に変換す
るものであり１文字や図形などのパターン認識あるいは
データ圧縮符号化に有用な装置に関するものである。

（２）技術の背景 従来のパターン認識は３文字や図形などのパターンから
複雑な手順で複数個の特徴を抽出し、これと予め作成し
ておいた標準パターンの特徴群との間で距離計算を行う
ものであり、パターンの位置や回転角度が制限されると
いう欠点を持っている。また位置や角度の自由度を与え
た場合、計算処理量が大幅に増大するという欠点を有す
る。

また、ファクシミリ伝送やイメージファイルシステムで
は、イメージをラスク走査し、１次元あるいは、２次元
符号化によりデータ圧縮を行なっているが、その符号化
及び復号化処理は複雑であるという欠点を持っている。

（３）発明の目的 本発明の目的は、パターンの位置や回転角度に影響され
ず、複雑な処理を必要としないデータ圧縮手段を提供す
ることにある。

（４）発明の原理 本発明は、２次元格子状にファンデルポール振動子セル
を配置し隣接する振動子セル間を結合したファンデルポ
ール振動子回路が、特定のビットパターンに対して連結
された複数の振動子セルを選択して動作させたとき、２
次元ビットパターンの形状のみに依存する一つの周波数
で振動する引き込み効果を持っていることに着目してな
されたものである。

ここでいう２次元ビットパターンとは５例えば第１図に
示された正方格子点上に並んだ１と０の集合である（黒
丸が１．白丸が０を示している）。

連結形式ピントパターンとは、第２図に示すように１の
値を持つ各ビットに隣接する８方向のビットのうち少な
くとも一つが同じ１の値を持つようなビットパターンの
ことである。

第３図のように２次元格子状に配置されたファンデルポ
ール振動子セルのうち、ビットパターンの１に対応する
振動子セルを選択し１選択された各振動子セルにビット
パターン上で隣接する値１のビットの個数に比例した固
有周波数を与え１　さらに隣接する振動子セルの間に２
例えば速度の差に比例する抵抗の形で相互作用を与えて
動作させると、引き込み効果によって動作開始から１０
周期程度の時間の後、各振動子セルは同一の周波数で振
動するようになる。この周波数を計測してビットパター
ンに対応する周波数として出力する。

この周波数は人力されたビットパターンの形状だけに依
存し、パターンが９０°、１８０°、２７０°のいずれ
かの回転をしている場合や、左右が入れ代わっている場
合、あるいは平行移動をしている場合にも変化しない。

従来のビットパターンの認識方法は１図形や文字などの
パターン認識で行われているように、ずべてデジタル的
な特徴計算による方法であるため。

平行移動や回転の自由度を与えたときに、処理のために
必要な計算量が大幅に増加する欠点があった。本装置で
は処理計算の中心部がアナログ回路によって構成されて
いるので、処理動作が自由度の増加に影響されず、０．
１〜０．２ミリ秒以内で処理が可能である。また、パタ
ーンを記憶あるいは転送する場合についても、各パター
ンが一つの周波数に圧縮できることから、必要な記憶容
量あるいは転送容量を小さくすることが可能である。

次に、ファンデルポール振動子回路の詳細について説明
する。

■　ファンデルポール振動子セルについて力学的な変位
や電気回路における電圧の変位などの大きさをＸで表す
とする。Ｘが次の微分方程式で決定させる動作を示すと
き、Ｘはファンデルポール振動子セルであるという。

９＝　ａ（１−ｂｘ２）Ｈ−Ｗ２Ｘ　（４−１）（１１
）の式中、ｔは時刻（秒）１ｗは固有周波数、ａ、ｂは
スカラーのパラメーターである。

■　固有周波数の与え方について ２次元格子状に配置されたファンデルポール振動子セル
の各固有周波数は次のように与える。番号ｉのビットの
８隣接ビツトのうち、値１を持っビットがｎｌ　個存在
しているとき１番号ｉのファンデルポール振動子セルの
固有周波数ｗ１　を次の式によって決定する。

ｗ　、　２　＝　Ｗ２（１＋　ｃｎ、）、］（４−２） 式中、Ｗは基準周波数で５例えば２π×】ｏ５　ラジア
ン７秒　、Ｃは定数で１例えば０．１　の大きさを持つ
。

■　振動子セル間の相互作用の与え方について値１を持
つ２つの隣接したビットに対応するフ例えば、第４図に
示されたファンデルポール振動子セルのうち２つの隣接
する振動子セルＡ、Ｂの方程式は次のようになる。

振動子セルＣ，Ｄ、Ｅについても同様の式が成り立つ。

■　引き込み現象について 式（４−３）でａ＝Ｑであれば、ｘＡ、ｘＢ。

Ｘｃ　・・・は線型振動子である。この場合共振はＡＢ
Ｃ・・・でないと起こらない。

ａが０でないファンデルポール型非線型振動子では固有
周波数Ｗが互いに等しくなくとも、Ｗの最大値と最小値
の間のある周波数で共振に似た現象（引き込み）が起こ
り、すべての振動子は同一の位相、振幅で振動する。速
度の差に比例した相互作用では、引き込みが特に起こり
易いことが知られている。

■　ビットパターンの連結について 第５図（ａ）において中心の格子点Ａに対して。

番号が １〜４の　４個の格子点を　４隣接格子点。

１〜８の　８個の格子点を　８隣接格子点。

１〜１４の１２個の格子点を１２隣接格子点。

と定義する。連結形のビットパターンとは、値１を持つ
各ビットがそれぞれ少なくとも一つの値１を持つ隣接格
子点を持つようなパターンのことをいう。

第５図（ｂ）では、ａとｂは４隣接格子点のみを考える
立場では連結したビットでないが、８隣接格子点を考え
る立場では連結している。本発明は、８隣接格子点の立
場で連結したビットパターンを扱う。

■　全体の動作 一つのビットパターンが与えられると、対応するファン
デルポール振動子セルに■で述べた規則に従って固有周
波数Ｗを与え、■で述べた形の相互作用を隣接する振動
子セル間に与えて振動させる。隣接としては４隣接より
８隣接、８隣接より１２隣接、　（以下同様）を用いた
方がパターンの分離能力は向上する。引き込みによって
一つの周波数ｆをめ、既に記憶されている周波数の組（
ｆｌ　、ｆ２　、ｆ３　、ｆ７．　、・・）と比較し、
同じもの（あるいは近いもの）があれば同一（あるいは
類似）と判断して、照合される。隣接の取り方が多くな
ると分離能力は向上する。゛例えば、第６図で４隣接ま
でを隣接として相互作用させると（ａ）、（ｂ）、（ｃ
）はすべて同じと見なされる。

８隣接までを考えると相互作用が第７図のようになるの
で（ｂ）と（Ｃ）は区別される。

■　コンピューターシミュレーションの結果第８図は、
いくつかの入力ビツトパターンに対する出力周波数をコ
ンピューターによって計算した結果である。図中、入カ
バターンの・印はビット値１を示し、実線はビットに対
応するファンデルポール振動子セルの間に相互作用があ
ることを示す。パラメーターの値は、（４−２）　、（
４−３）式の記号を用いると、ａ＝０．１．ｂ＝０．１
．　Ｄ＝０．５．　ｗ　＝６．Ｏｘ　１０５　ラジアン
／秒、ｃ＝０．１　である。なお、これらのパラメータ
ーは一例に過ぎないものである。

（５）発明の実施例 以下に２本発明の詳細を実施例に従って説明する。

■　全体構成 第９図はパターン・周波数変換装置の全体構成図である
。全体は、入力データ格納部４．空間スイッチ１．ファ
ンデルポール振動子回路２１周波数計測部５．の４つの
要素からなる。これらの要素のうち入力データ格納部４
．空間スイッチ１゜ファンデルポール振動子回路２は、
それぞれセル構造を持っている。

入力データ格納部４では、データ入力線４１から人力さ
れたビットパターンを２次元的に配置格納し、デジタル
のビット信号１１として空間スイッチ１に出力する。

空間スイッチ１では、ファンデルポール振動子セル３か
ら出力された振動子セル電圧（Ｖｏｕｔ）１２を入力し
、入力されたビット信号１１に従ってフィードバック電
圧１　（Ｖｉｎｌ　）　１３．およびフィードバンク電
圧ＩＩ　（Ｖ　１ｎｌｌ）　１４を発生させる。また。

空間スイッチ１は振動子セル電圧（Ｖｏｕｔ　）　１２
の交流分を抽出して、振動電圧１５として周波数計測部
５へ出力する。

周波数計測部５では、交流分の周波数を計測し。

デジタル化した周波数信号５１として出力する。

■　具体的構成 第１０図は、空間スイッチ１により設定可能なファンデ
ルポール振動子回路２を構成する各セル間の論理的結合
を示ずブロック図である。第９図で。

空間スイッチ１は、振動子セル電圧（Ｖｏｕｔ　）　１
２を、フィードバック電圧ＩＩ　（Ｖ　ｉｎｌ＋）　！
４としてピント値１を持つ隣接格子点の振動子セルに対
してだけフィードバックする。第１０図では、１つの振
動子セル（ｔ、ｊ）と、その隣接する８つの振動子セル
との間にフィードバック電圧Ｈ（Ｖ　１ｎｌｌ）１４が
かけられる様子を、矢印で示しである。

第１１図は、空間スイッチ１の構成図である。空間スイ
ッチ１は、入力データ格納部４からのビット信号（Ｂｉ
ｔ　（ｉ、ｊ）　）　１１の値１．０に従ってアナログ
スイッチ１６を開閉し、フィードバック電圧１　（Ｖｉ
ｎＩ　）　１３．　フィードバック電圧ＩＩ　（Ｖｉｎ
ＩＩ）　１４を出力する。さらにファンデルポール振動
子セル３の振動子セル電圧（Ｖｏｕｔ　）　１２の交流
分を振動電圧１５として周波数計測部５へ出力する。

フィードバンク電圧Ｉ　（Ｖｉｎｌ　）　１３は、振動
子セル電圧（Ｖｏｕｔ　）　１２に値１を持つ隣接格子
点の総数の重みをかけたものとして作り出される。また
フィードバンク電圧ＩＩ　（Ｖ　１ｎＩＩ）　１４は、
値１を持つ隣接格子点に対応する振動子セルの出力電圧
の和として作り出される。例えば、振動子セル　（ｉ、
　ｊ）、（ｉ、ｊ−１）、（ｉ、ｊ＋１）の３つのみが
値１を持つとき、振動子セル（ｉ、ｊ）のフィードバッ
ク電圧１　（Ｖｉｎｌ　）　１３．　フィードバック電
圧ＴＩ　（Ｖ　１ｎｌｌ）　１４は１次の値となる。

Ｖｉｎｌ　＝ｖｏｕｔ　（ｉ＋ｊ　）　Ｘ　２　（５−
１）Ｖｉｎｌｌ　−Ｖｏｕｔ　（ｉ＋ｊ−１）　＋　Ｖ
ｏｕｔ　（ｉ、ｊ＋１　）（５−２） 第１２図は、ファンデルポール振動子回路２の１つ１つ
のファンデルポール振動子セル３の具体的構成を示すブ
ロック図である。Ｖ　１ｎｌｌは符号反転してＶ　ｉｎ
ｌ　と加算され、さらに微分されて式（４−３）の相互
作用の項に対応する電圧としてエサキダイオード発振回
路３２へ入力される。また、Ｖｉｎｉの一部は式（４−
２）の固有周波数の一部としてエサキダイオード発振回
路３２へ人力される。

第１３図は、エサキダイオード発振回路３２の回路図で
ある。この回路は、エサキダイオード３３の負性抵抗特
性を利用した周知のＬＣ発振回路である。

エサキダイオード３３は、電流が近似的に電圧の３次関
数となる負性抵抗特性を持つため、それを用いた発振回
路は出力電圧がファンデルポール振動子セルの式（４−
１）に従う。可変抵抗３５はエサキダイオード３３の負
性抵抗特性を調整し、振動子セル電圧（Ｖｏｕｔ　）　
１２の振幅を増減する働きを持つ。可変抵抗３５の抵抗
値の変化は１式（４−１＞でパラメーターａ、ｂの値を
変化させることに対応している。エサキダイオード３３
の両端の電圧をＶｅｄ、直流定電圧電源３４の電圧を特
徴とする特許式（４−１）にＸで示されている量はこの
場合法の値となる。

ｘ＝Ｖｅｄ　−Ｖｃ　（５−３） オペアンプ３ＧはＶｅｄを符号反転して−Ｖｅｄとし。

オペアンプ３７によってＶｃとの和をとり符号反転を行
う。これにより振動子セル電圧（Ｖｏｕｔ　）　１２は
式（５−３”）の値となる。抵抗３８は、フィードバッ
ク人力３１を入力するための帰還抵抗であり、フィード
バック人力３１により、この発振回路は式（４−３）で
示された動作をする。

■　応用例 次に１本発明を適用し１文字１図形等の認識処理に使用
するためのパターン照合装置と、イメージ情報の伝送に
使用するためのパターン圧縮・転送装置の構成例を示す
。

と久ニＺ凰査笠１ 第１４図は、パターン照合装置の構成図である。

文字や図形等をラスク走査した２値信号をパターン・周
波数変換装置に人力して周波数に変換し。

この周波数と予め辞書６に記憶されている標準パターン
の周波数キーの値とを比較器７に入力して比較し、ある
しきい値以内で一致するまで順次ポインターを移動させ
ていき、一致した周波数キーに対応するパターンデータ
をゲート８を開いて出カバターンファイルに出力する。

パターン−縮・転送装置 第１５図は、パターン圧縮・転送装置の構成図である。

転送する原パターンをパターン・周波数変換装置で周波
数にコード化して圧縮データファイルを作り、電話回線
９等を利用して転送し、転送先で復号装置１０により復
元パターンを作り出力する。復号装置１０の構成は第１
４図の１０として示されているものと同じである。

（６）発明の効果 本発明は、従来デジタル的、逐次的に処理されてきた２
次元的パターン認識をアナログ回路で行うことによって
パターンの各部分の特徴を同時処理可能にし、またパタ
ーンの回転および平行移動の自由度を与えた場合の処理
速度の低下をゼロにすることが実現されている。また、
処理結果が１つの周波数として符号化するため、パター
ンの比較、パターンの記憶および転送も容易となり、記
憶容量の節約、比較や転送の高度化が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、入力されるパターンを示した概念図。 第２図は、ｌｌ＃接ビットの説明図、第３図は、ファン
デルポール振動子回路の振動子セルの配置を示した構成
図、第４図は、振動子セルの連結の説明図、第５図（ａ
）、（ｂ）は、隣接ビット概念の説明図、第６図（ａ　
）ないしくＣ）、第７図（ａ）ないしくｃ　）は振動子
セルの連結の説明図、第８図は、コンピューターシミュ
レーシ曹ンの結果を示した説明図、第９図は１本発明の
全体構成図。 第１０図は、振動子セル間のフィードバック経路を示す
概要図、第１１図は、空間スイツチの構成図。 第１２図は、振動ｆセルの構成図、第１３図は、振動子
セルの要部であるエサキダイオード発振回路図。 第１４図および第１Ｅｉ図はそれぞれ本発明を適用した
応用例の構成図である。 図中、２はファンデルポール振動子回路、１１は人カバ
ターンのビット信号、１２は振動子セル電圧（Ｖｏｕｔ
　）　、　１３．１４は、それぞれ空間スイッチによっ
て作られたフィードバック電圧Ｉ　（Ｖｉｎｌ　）　。 フィードバック電圧ＩＩ　（Ｖｉｎｌｌ）　、　１５は
ファンデルポール振動子回路の交流分の振動電圧、３２
はエサキダイオード発振回路である。 特許出願人　新技術開発事業団 第１図 第２図 第３図 ＢＣ 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図 第１０図 第１１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ２次元ビット平面の各ビット位置に非線型振動子セルを
   配置して構成したファンデルポール振動子回路と、入力
   された任意の連結形式ビットパターンに基づいて、上記
   ファンデルポール振動子回路の対応するビット位置にあ
   るファンデルポール振動子セルのみを能動化する入力回
   路とを備え。 上記ファンデルポール振動子回路が入力された任意の連
   結形式ビットパターンに対応する特定の一つの引き込み
   周波数で振動し、該振動信号を出力することを特徴とす
   るパターン・周波数変換装置