JPS61127076A - パタ−ン認識装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、図形、文字などのパターンを認識する装置に
関するものであり、更に詳述するならば、図形、文字な
どのパターンを１つの数値で表すことによりパターンを
認識する装置に関するものである。

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

発明が解決しようとする問題点 しかし、上述した従来のパターン認識は、パターンの位
置や回転角度や縮倍率が変わると、同一パターンでも異
なるパターンとして認識するなど、認識可能なパターン
の位置や回転角度や縮倍率が制限されるという問題があ
る。また、パターンの位置や回転角度が変わっても正し
く認識できるように位置や角度の自由度を与えた場合、
従来のパターンの認識方法は、すべてデジタル的な特徴
計算による方法であるため、平行移動や回転を修正する
ための計算処理量が大幅に増大するという問題がある。

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

問題点を解決するための手段 本発明の発明者は、上記した目的のために種々研究し、
パターンを１つの数値で表現する゛ことを想到した。そ
して、パターンの輪郭線の全長δｒの２倍と当該被認識
パターンの凸状包絡線の全長δＣとの比Ｎ（２δｒ／δ
Ｃ）は、パターンごと独特の値をとることを見出した。

ここで、凸状包路線は、パターンの輪郭線の外へ突出し
た角のみを結ぶ包絡線である。従って、包路線は、内へ
凹んだ部分はない。本発明は、かかる知見に基づいてな
されたものがある。

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

いま、第１図（ａ）、Ｑ：１）、（Ｃ）及び（６）に示
すような人間、類人猿、画定動物、鳥の４つのパターン
の例に挙げるならば、それぞれのパターンの、上記した
本発明の方法において活用する指標Ｎは、３，４８３．
３、４８４．３．７．２．８である。それらを比較する
ならば、差ΔΩをΔΩ”　（＝０．１）以内にとれば、
人間のＮ３．４８３と類人猿のＮ３．４８４とは、その
差ΔΩがΔΩ（’　（＝０．１）の範囲内にあり、同一
カテゴリー、例えば二足動物に属すると言うことができ
る。

一方、画定動物と鳥とは、Ｎの差ΔΩが　０．１以内に
ないので、同一カテゴリーの範囲には属しない。しかし
、その差ΔΩの大きさを変えて、例えば、ΔΩ（’＋　
（＝０．５）とすれば、人間も類人猿も画定動物も、そ
のＮの差は０．５以内に入り、同一カテゴリー例えば動
物に属する。反対に、その差ΔΩの大きさを小さくして
、例えば、ΔΩ（２］（＝０．０００５＞とすれば、人
間と類人猿のＮの差はその範囲内にはなくなり、両者は
別のカテゴリー、例えば人間と類人猿とにそれぞれ属す
る。それ故、差ΔΩを小さくして、被認識パターンのＮ
を、記憶し蓄積してあるＮと照合すれば、極めて狭い範
囲のカテゴリーすなわちそのもの名称を知ることができ
る。

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

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

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

すなわち、本発明によるならば、被認識パターンを２次
元ビットパターンに変換する特徴抽出部と、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と、該
ファンデルポール振動子回路の内の、前記被認識パター
ンの前記２次元ビットパターンにおいて互い連結したビ
ットに対応する複数の振動子セルを選択して動作させて
、被認識パターンの２次元ビットパターンの形状のみに
依存する１つの周波数を出力する空間スイッチと、前記
周波数を、記憶してあるパターンデータの周波数と照合
し、その差が所定以内にある記憶してある周波数が意味
するパターンデータから被認識パターンのカテゴリー分
けを実施する照合部とを具備していることを特徴とする
パターン認識装置が提供される。

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

また、ここで「連結」とは、第３図に示すように１の値
を持つ各ビットに隣接する８方向のビットのうち少なく
とも一つが同じ１の値を持つことである。

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

以上のようなパターン認識装置にあって、第４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、ビットパターンの値１に対応する振動子セル
を選択し、選択された各振動子セルにビットパターン上
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、さらに隣接する振動子セルの間に、例えば速度の
差に比例する抵抗の形で相互作用を与えて動作させると
、引き込み効果によって動作開始から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’、１８ｏ°、２７ｏ。

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。

このように処理計算の中心部をアナログ回路によって処
理することにより、計算動作が、平行移動や回転などの
自由度の増加に影響されず、０．１〜０．２ミＩＪ秒以
内で処理が可能である。また、パターンを記憶あるいは
転送する場合についても、各パターンが一つの周波数に
圧縮できることから、必要な記憶容量あるいは転送容量
を小さくすることが可能である。

実施例 以下、添付図面を参照して、本発明による方法の実施例
を説明する。

まず、ファンデルポール振動子回路の詳細について説明
する。

（ａ）　　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表される動作を示
すとき、それをファンデルポール振動子セルであるとい
う。

ただし、ｔは時刻（秒）、Ｗｉは固有周波数数、ａＳｂ
はスカラーのパラメーターである。

（ｂ）　　固有周波数の与え方について２次元格子状に
配置されたフ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１のビットの８隣接ビツトの
うち、値１を持つビットがｎｔ個存在しているとき、番
号ｌのファンデルポール振動子セルの固有周波数Ｗｔを
次の式によって決定する。

ｗ、’＝　ｗ２　（１＋ｃｎｔ）　　　・・（２）ただ
し、Ｗは基準周波数で、例えば２πＸ１０５ラジアン／
秒、Ｃは定数で、例えば０６１の太きさを持つ。

（Ｃ）　　振動子セル間の相互作用の与え方について値
１を持つ２つの隣接したビットに対応するファンデルポ
ール振動子セルｌと」の間に速度の差例えば、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。

・・・（３） 振動子セルＣ，Ｄ、Ｅについても同様の式が成り立つ。

（ｄ）　　引き込み現象について 式（３）でａ＝Ｑであれば、ＸＡ、　Ｘｓ、　Ｘｃ　”
”は線型振動子である。この場合、共振はＷＡ＝ＷＢ＝
Ｗｃ　＝・・・・でないと起こらない。一方、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。

（ｅ）　　ビットパターンの連結について第６図（ａ）
において中心格子点Ａに対して、番号が １〜４の４個の格子点を４隣接格子点、１〜８の８個の
格子点を８隣接格子点、１〜１２の１２個の格子点を１
２隣接格子点、と定義する。また、「連結形のビットパ
ターン」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６図（ｂ）では、ａとｂは４隣接格子点のみを考える
立場では連結したビットでないが、８隣接格子点を考え
る立場では連結している。そこで、本発明の実施例では
、８隣接格子点の立場で連結したビットパターンを扱う
。

（ｆ）　　全体の動作 そこで、１つの被認識パターンから１つのビットパター
ンを抽出し、そのビットパターンに対応するファンデル
ポール振動子セルに前記ら）項で述べた規則に従って固
有周波数Ｗを与え、前記（Ｃ）項でのべた形の相互作用
を隣接する振動子セル間に与えて振動させる。隣接とし
ては４隣接より８隣接、８隣接より１２隣接、（以下同
様）を用いた方がパターンの分離能力は向上する。そし
て、引き込みによって一つの周波数ｆを求め、既に記憶
されている周波数の組（ｆ＋、　　ｆｚ、　　ｆ＊、　
　ｆ＜、・・・・）と比較し、同じもの（あるいは近い
もの）があれば同一（あるいは類似）と判断して、照合
される。

上述したように、隣接の取り方が多くなると分離能力は
向上する。例えば、第７図（ａ）、ら）及び（Ｃ）に示
すビットパターン例を検討するならば、４隣接までを隣
接として相互作用させると（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）はす
べて同じと見なされる。しかし、８隣接までを考えると
、相互作用が第８図（ａ）、（５）、（Ｃ）に示すよう
になり、第８図（ａ）と（ｂ）に示すビットパターンは
、第８図（Ｃ）に示すビットパターンから区別される。

（（イ）　コンピューターシミュレーションの結果第９
図は、いくつかの人力ビッ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
、人カバターンの・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、上記した（
２）及び（３）式の記号を用いると、ａ＝０．１、ｂ＝
０．１、Ｄ＝０．５、ｗ＝６．０Ｘ１０’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る。

（社）実施例 第１０図は、上記したパターン認識を実施する本発明に
よる認識装置の全体構成図である。被認識パターンは、
特徴抽出部１０に入力され、ビットパターンに変換され
る。例えば、その特徴抽出部１０は、撮像装置と、その
撮像装置からの映像信号を二値化する二値化回路とから
構成される。そして、特徴抽出部１０の出力は、ファン
デルポール振動子回路１２に人力され、その固有振動周
波数ｆ６は照合部１４に人力される。その照合部１４に
は、データ記憶部１６が付属しており、照合部１４は、
被認識パターンの周波数ｆ１と、データ記憶部１６に蓄
積されている様々なパターンデータの周波数ｆ、、ｆ２
、ｆ３　・・と照合し、その差の大きさに応じて大きな
カテゴリーから小さなカテゴリーまでの適当な範囲で、
被認識パターンを特定する。

第１１図は、特徴抽出部１０とファンデルポール振動子
回路１２との間のインターフェイスを図解する図であり
、特徴抽出部１０からのビットパターンは、入力データ
格納部２０に格納され、その入力データ格納部２０の各
ビットは、空間スイッチ２２を介してファンデルポール
振動子回路１２に接続されている。

そして、その空間スイッチ２２には周波数計測部２４が
付属している。これらの要素のうち人力データ格納部２
０、空間スイッチ２２、ファンデルポール振動子回路１
２は、それぞれセル構造を持っている。

人力データ格納８２０では、特徴抽出部１０からデータ
入力線２６を介して人力されたビットパターンを２次元
的に配置格納し、ライン２８を介してデジタルのビット
信号として空間スイッチ２２に出力する。

空間スイッチ２２では、各ファンデルポール振動子セル
３０から出力された振動子セル電圧■。、を受ける一方
、ライン２８を介して入力されたビット信号に従ってフ
ィードバック電圧Ｖｉｎｌ及びフィードバック電圧■、
。２を対応するファンデルポール振動子回路の振動子に
出力する。

また、空間スイッチ２２は振動子セル電圧■。、。

−の交流分を抽出して、ライン３２を介して振動電圧と
して周波数計測部２４へ出力する。その周波数計測部２
４では、交流分の周波数を計測し、デジタル化した周波
数信号３４として出力する。

第１２図は、空間スイッチ２２の構成図である。空間ス
イッチ２２は、人力データ格納部２０からのビット信号
（Ｂ　ｉｔ　（ｉ、ｊ）　）の値１．０に従って、その
位置（ｉ、ｊ）　に付属する５つのアナログスイッチ３
６を開閉して、位置（ｉ、ｊ）の振動子から隣接する振
動子にフィードバック電圧Ｖｉｎｌ、フィードバック電
圧Ｖ　ｉ　ｎ　２を出力させ且つ隣接する振動子からフ
ィードバック電圧Ｖｉｎｌ、フィードバック電圧Ｖ　ｉ
　ｎ　２を位置（ｉ、ｊ）の振動子に人力させる。

更に、ファンデルポール振動子回路１２の各振動子から
の振動子セル電圧■。０．の交流分を振動電圧として周
波数計測部２４へをライン３２を介して出力する。

なお、フィードバック電圧Ｖ　＋　ｎ　＋　は、振動子
セル電圧■。、に値１を持つ隣接格子点の総数の重みを
かけたものとしてず乍り出される。また、フィードバッ
ク電圧Ｖ　ｔ　ｎ　２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Ｖｉｎ＋、フィードバ
ック電圧■１イ２は、次の値となる。

Ｖｉｎｌ　＝　ｖａｕｔ（ｔ、Ｊ）　ｘ　２　　　　　
　・・（４）Ｖ　ｉｎ２　＝　Ｖａｕｔ　（１％　Ｊ−
１）　＋　Ｖ　ｏｕｔ　（１、Ｊ＋１）　　・・（５）
第１３図は、ファンデルポール振動子回路１２の１つ１
つのファンデルポール振動子セル３０の具体的構成を示
すブロック図である。Ｖ　ｉ　ｎ　２は反転器４０によ
り符号反転されて、加算器４２によりＶｉｎｌ　と加算
され、更に、微分器４４により微分され、分割器４６を
及び別の加算器４８を介して、（３）式の相互作用の項
に対応する電圧としてエサキダイオード発振回路５０へ
入力される。そして、Ｖ　ｒ　ｎ　＋は、更に、別の分
割器５２及び加算器４８を介して、（２）式の固有周波
数の一部としてエサキダイオード発振回路５０へ人力さ
れる。

第１４図は、そのエサキダイオード発振回路５０の回路
図である。この回路は、エサキダイオード６０の負性抵
抗特性を利用した周知のＬＣ発振回路である。エサキダ
イオード６０は、電流が近似的に電圧の３次関数となる
負性抵抗特性を持つため、それを用いた発振回路は出力
電圧がファンデルポール振動子セルの（１）式に従う。

可変抵抗６２はエサキダイオード６０の負性抵抗特性を
調整し、振動子セル電圧■。、の振幅を増減する働きを
持つ一０可変抵抗６２の抵抗値の変化は、式（１）でパ
ラメーターａ、ｂの値を変化させることに対応している
。エサキダイオード６０の両端の電圧をＶｅｄ、直流定
電圧電源６４の電圧をＶｃとすると、（１）式にＸで示
されている量はこの場合法の値となる。

ｘ＝■ｅｄ−Ｖｃ　　・・（６） オペアンプ６６はＶｅｄを符号反転して−Ｖｅｄとし、
オペアンプ６８によって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■。□は（６）式の値と
なる。なお、抵抗７０は、フィードバック入力５４を人
力するための帰還抵抗であり、フィードバック人力５４
により、この発振回路は（３）式で示された動作をする
。

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

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、ら）、（Ｃ）及び（社）は、本発明が前
提としているパターン認識方法の原理を図解する図、第
２図は、人力されるパターンを示した概念図、第３図は
、隣接ビットの説明図、 第４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５図は、振動子セルの連結の説明図、第６図（ａ）及
び（ｂ）は、隣接ビット概念の説明図、第７図（ａ）、
ら）、（Ｃ）及び第８図（ａ）、ら）、（Ｃ）は、振動
子セルの連結の説明図、 第９図は、コンピューターシミュレーションの結果を示
した説明図１、 第１０図は、本発明によるパターン認識装置の全体構成
図、 第１１図は、ビットパターンの人力部とファンデルポー
ル振動子回路との間のインターフェイスの構成を示す図
、 第１２図は１．空間スイッチの構成図、第１３図は、振
動子セルの構成図、 第１４図は、振動子セルの要部であるエサキダイオード
発振回路図である。 〔主な参照番号〕 ＩＯ・・特徴抽出部、１２・・ファンデルポール振動子
回路、１４・・照合部、１６・・データ記憶部、２０・
・人力データ格納部、２２・・空間スイッチ、２４・・
周波数計測部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被認識パターンを２次元ビットパターンに変換する特徴
   抽出部と、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
   ール振動子回路と、該ファンデルポール振動子回路の内
   の、前記被認識パターンの前記２次元ビットパターンに
   おいて互い連結したビットに対応する複数の振動子セル
   を選択して動作させて、被認識パターンの２次元ビット
   パターンの形状のみに依存する１つの周波数を出力する
   空間スイッチと、前記周波数を、記憶してあるパターン
   データの周波数と照合し、その差が所定以内にある記憶
   してある周波数が意味するパターンデータから被認識パ
   ターンのカテゴリー分けを実施する照合部とを具備して
   いることを特徴とするパターン認識装置。