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Verfahren und Schaltungsanordnung zum maschinellen
Auswerten von Zeichen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur maschinellen Auswertung von Zeichen, insbesondere
Schriftzeichen und auf eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Die bekannten Verfahren zur maschinellen Erkennung von Schriftzeichen arbeiten in der Hauptsache nach dem Prinzip, bestimmte Stellen der Zeichen photoelektrisch, magnetisch oder elektrisch abzutasten.
Die Abtaststellen sind so gewählt, dass sich für die einzelnen Zeichen ein charakteristischer Code der Ab- tastpositionen ergibt. Dieser Code ist jedoch im allgemeinen vollkommen willkürlich und daher unüber- sichtlich.
Bei einem andern Verfahren werden die Konturen der Zeichen mit geeigneten Mitteln abgetastet.
Dieses Verfahren ist jedoch sehr empfindlich gegenüber fehlerhaften Unterbrechungen der Zeichen. Ander- seits sind auch sehr umfangreiche Auswerteschaltungen für die Erkennung der Zeichen notwendig.
Auch die andern bekannten, hier nicht erwähnten Verfahren haben Nachteile, die durch das neue Ver- fahren beseitigt werden sollen, in dem ein ganz neues Prinzip zur Auswertung vorgeschlagen wird. Das
Verfahren gemäss der Erfindung besteht darin, dass die Zeichen mit einer Anzahl in Reihe angeordneter lichtempfindlicher Einrichtungen (Photozellen) längs ihrer Breiten-oder Höhenausdehnung abgetastet und dabei die Strichführung der Zeichen bezüglich der Abtastrichtung elektrisch nachgebildet wird, indem durch logische Verknüpfung der Photozellenausgänge die Richtung bzw.
Richtungstendenz der Stnchführung der Zeichen festgestellt wird, und dass bei Änderung bestimmter Grössen der Richtung jeweils eine andere logische Schaltung aktiviert wird, so dass sich eine elektrische Einteilung der Zeichen in eine Art Formelemente ergibt, die den Zeichen zur eindeutigen Erkennung zugeordnet werden.
Zur Abtastung eignet sich vorteilhaft eine Photozellenreihe, die relativ zu den Zeichen in einer bestimmten Richtung bewegt wird. Man kann z. B. die Photozellenreihe parallel zu der Längsausdehnung der Zeichen anordnen und sie dann senkrecht dazu über die Zeichen hinwegführen. Es ist auch möglich, die Photozellenreihe festzuhalten und die Zeichen entsprechend zu bewegen oder aber beide fest anzuordnen und die optische Abbildung einer strichförmigen Lichtquelle in der gewünschten Weise über das Zeichenfeld zu führen.
Es ist zweckmässig, die Photozellensignale zu digitalisieren, d. h. die Anordnung so auszulegen, dass nur zwei bestimmte Potentiale zur Auswertung herangezogen werden. Dies kann durch einen Begrenzer erreicht werden, dessen Ausgangspotential normalerweise 0 ist und von einem bestimmten Prozentsatz der abgetasteten Schwarzteile ab den festen Wert U hat und festhält. Dadurch lassen sich die Formelemente mit relativ einfachen logischen Schaltungen ermitteln,
Bei der relativen Bewegung der Abtastanordnung kann man nun seir leicht die zeitliche Reihenfolge, die Lage und die Häufigkeit der Formelemente erfassen.
Die Wahl der Formelemente richtet sich nach den auszuwertenden Zeichen und ist so zu treffen, dass mit ihrer Hilfe die Zeichen eindeutig erkannt werden können. Wird eine Photozellenreihe bzw. eine strichförmige Lichtquelle verwendet, dann kann man noch als zusätzliches Kriterium für die eindeutige Erkennung der Zeichen die zeitlich aufeinanderfolgende Anzahl der Durchschneidungen der Lichtquelle mit den Zeichenkonturen heranziehen.
Unter Verwendung dieses letzten Kriteriums genügt es z. B. zur Erkennung der Ziffern diese in die vier Formelemente : A = waagrechter Strich, B = senkrechter Strich, C = nach rechts schräg ansteigender Strich, D = nach rechts schräg abfallender Strich, zu zerlegen.
Das Durchschneidungskriterium sei im folgenden als Formelement E bezeichnet. Alle Formelemente
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können im allgemeinen sowohl gleichzeitig als auch zeitlich hintereinander mehrmals bei der Abtastung auftreten. Die Anordnung zur Durchführung. des Verfahrens muss daher in der Lage sein, unter Berücksichtigung der zeitlichen Folge, die Formelemente zu erkennen und deren Häufigkeit in dem entsprechenden
Zeitabschnitt zu zählen und der richtigen Ziffer zuzuordnen.
Das Verfahren gemäss der Erfindung sowie eine geeignete Anordnung zur Durchführung des Verfahrens werden an Hand der Fig. 1 - 12 an dem Beispiel der Erkennung der Ziffern 0..... 9 näher erläutert.
Es zeigen : Fig. 1 ein Ziffernfeld mit einer senkrechten Photozellenreihe, Fig. 2 ein Ziffernfeld mit einer schrägen Photozellenreihe, Fig. 3 ein Ziffernfeld mit einer waagrechten Photozellenreihe, Fig. 4 eine Verstärkeranordnung für eine Photozelle, Fig. 5 die Ziffern 0..... 9 mit der Angabe der Formelemente gemäss der Erfindung,, Fig. 6 eine Anordnung zur Erkennung des Formelementes A, Fig. 7 eine Anordnung zur Erkennung des Formelementes B, Fig. 8 eine Anordnung zur Erkennung der Formelemente C und D, Fig. 9 eine Anordnung zur Unterscheidung gleichzeitig auftretender gleicher Formelemente. Fig. 10 eine Anordnung zur Erkennung des Formelementes E, Fig. 11 den in Fig. 10 dargestellten Diskriminator in detaillierter Form, Fig. 12 die Gesamtschaltung zur Erkennung von Schriftzeichen in schematischer Darstellung.
Zur Abtastung der Zeichen wird eine Reihe lichtempfindlicher Zellen über das Zeichen hinweggeführt, die jeweils auf die unter ihnen liegenden dunklen bzw. hellen Stellen des Zeichenfeldes ansprechen. DiePhotozellenreihe kann in verschiedener Weise über das Zeichenfeld geführt werden. Die Fig. 1-3 zeigen drei Möglichkeiten hiezu. In dpr folgenden Beschreibung wird jedoch angenommen, dass die Photozellenreihe in der in Fig. 1 gezeigten Art angeordnet ist. An Stelle von Photozellen kann auch jeder andere Photowandler Verwendung finden.
Da im allgemeinen zwischen der Zeichenausdehnung und den Photozellenabmessungen Grössenunterschiede bestehen, ist es mitunter zweckmässig, eine optische Abbildung des Zeichens auf die Photozellenreihe vorzunehmen. Photozellenreihe und Zeichenfeld müssen relativ zueinander bewegt werden. Dabei ist es grundsätzlich gleichgültig, ob die Photozellenreihe bewegt und das Zeichenbild fest oder umgekehrt ist. Es besteht auch die Möglichkeit beide festzuhalten und die optische Abbildung einer strichförmigen Lichtquelle in der gewünschten Weise über das Zeichenfeld zu führen. Die Einiustierung der Photozellenreihe auf das Zeichenfeld wird mit bekannten Mitteln vorgenommen und sei hier als bereits durchgeführt angenommen, so dass alle Teile des Zeichens beim Abtastvorgang von irgend einer Zeile der Reihe erfasst werden.
Da kleinere Verschiebungen des Zeichens in Richtung seiner Längsausdehnung vorkommen können, ist die Länge der Photozellenreihe etwas grösser als die Längsausdehnung der möglicherweise vorkommenden Zeichen.
Die Photozelleneinrichtungen sind so ausgelegt, dass sie jeweils nur zwei Aussagen machen können,
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entweder die Aussage"schwarz"oder"weiss". Da jedoch nicht immer das gesamte Gesichtsfeld der Photozellen schwarz oder weiss sein wird, muss man festlegen, ab welchem Prozentsatz "schwarz" und damit auch "weiss" gelten soll. Ferner ist es zweckmässig, wenn die Photozelle erst dann das Erkennungssignal
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eine bestimmte Zeit angedauert hat. Durch diese Forderung werden Störungen durch kleine dunkle Verunreinigungen im Zeichenfeld, die für kurze Zeit eine erhebliche Gesichtsfeldbedeckung einer Photozelle zur Folge haben können, ausgeschaltet.
Um diese Forderung zu erfüllen, ist hinter der Photozelle 1 ein Bandpass 2 angeordnet, dem die noch nicht digitalisierte Anzeige der Photozelle zugeleitet wird. Die obere Frequenzgrenze ist so gewählt, dass sich kleine Verunreinigungen nicht auswirken können, während die untere Grenzfrequenz verhindert, dass
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sich auswirkt, Von dem Bandpass gelangen die Signale zu dem Verstärker 3, der diese so verstärkt, dass der Begrenzer 4 erst von einem bestimmten Prozentsatz z. B. 50% der Schwarzteile ab ein Ausgangssignal liefern kann. Der Begrenzer hält auch bei Schwarzanteilen die grösser als 50% sind, die Ausgangsleitung auf dem Potential U, womit der Zustand "schwarz" gekennzeichnet ist. Die Ausgangssignale auf der Ausgangsleitung 5 sind also nunmehr digitalisiert, da nur die beiden Potentiale 0 und U vorkommen können.
Es kann vorkommen, dass bei Dunklerwerden des Papiergrundes im Laufe mehrerer Abtastungen die Ausgangsleitung einer Photozelle bereits den Zustand "schwarz", d. 11. also das Potential U anzeigt, während die Bedeckung des Gesichtsfeldes der Photozellen durch Zeichenteile noch geringer ist als dem Prozentsatz des Zustandes "schwarz" entspricht. Die noch fehlenden Schwarzteile werden durch den dunkler gewordenen, nicht von einem Zeichen bedeckten Papiergrund im Gesichtsfeld vorgetäuscht. Um diese Stö-
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rung zu vermeiden, kann in den Zwischenräumen zwischen zwei Zeichen die gerade in der Papierunter- lage vorliegende Tonung als"weisse"Bezugsfarbe für die Abtastung des nächsten Zeichens festgelegt werden.
Diese Funktion kann der Verstärker mittels einer bekannten Clamping-Schaltung mit übernehmen.
Zur eindeutigen Erkennung der Ziffern mittels des Verfahrens gemäss der Erfindung können diese in die oben bezeichneten fünf Formelemente A - E eingeteilt werden. Fig. 5 zeigt die Ziffern 0.... 9 mit Zuordnung der einzelnen Formelemente. Neben den Formelementen ist auch die Häufigkeit des gleichzeitigen Auftretens bei einer Ziffer massgebend, Die senkrechten Trennungsstriche in den Ziffern sollen einen Anhaltspunkt für die zeitliche Zuordnung der verschiedenen Formelemente geben. Das mehrfache Auftreten des gleichen Formelementes zum gleichen Zeitpunkt ist durch die entsprechende Ziffer vor dem Formelement berücksichtigt.
Zur Erkennung des Formelementes A, d. h. also eines waagrechten Striches, ist die Schaltungsanordnung der Fig. 6, die ein Integrationsglied darstellt, geeignet. Liegt nämlich ein waagrechter Strich vor, so bleibt die Ausgangsleitung mindestens eines Photozellenverstärkers über längere Zeit auf dem Potential U. Man kann daher die Integrierschaltung so auslegen, dass die integrierte Spannung an dem Kondensator C nach einer gewissen Zeit einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, so dass die Amplitudenschwelle 6, die normalerweise die Spannung 0 an ihrem Ausgang 7 hat, nunmehr die AusgangsspannungE liefert. Die Ausgangsspannung EI ist dann unabhängig von einer weiteren Aufladung des Kondensators C, so dass also ein digitales Kriterium zur Erkennung des Formelementes A geliefert wird.
Die Erkennung des Formelementes B, d. h. eines senkrechten Striches erfolgt mittels der in Fig. 7 dar-
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Rlichen Photozellen ist. Der gemeinsame Verbindungspunkt 8 ist mit dem Emitter des Transistors 9 verbunden, dessen Basis an einer festen Vorspannung liegt. Diese Vorspannung ist so gewählt, dass das sich bei einer bestimmten Anzahl von im Zustand "schwarz" befindlichen Photozellen an dem Punkt 8 einstellende Potential die Vorspannung überwindet und somit der Transistor 9 vorr gesp-rrten in den leitenden Zustand übergeht. Die Potentialverhältnisse sind so gewählt, dass dieser Fall nur eintreten kann, wenn so viele Photozellen das Potential U liefern, dass auf das Erfassen eines senkrechten Formelementes geschlossen werden kann.
Der durchgeschaltete Transistor 9 liefert ein Ausgangssignal E. das als digitales Erkennungssignal für das Formelement B dient,
Der Erkennung der Formelemente C und D mittels der Schaltung nach Fig. 8 liegen folgende Überlegungen zugrunde :
Beim Schnitt der Photozellenreihe mit der Vorderkante eines schrägen Striches hat jeweils eine Photozelle, die gerade vom Zustand "weiss" nach "schwarz" übergeht, eine bereits schwarze und eine noch weisse Nachbarzelle. Letztere ist dann sicher die nächste Zelle, die ihren Zustand ändert. Die Lage von schwarzer und weisser Nachbarzelle der gerade von "schwarz" auf "weiss" übergehenden Photozelle ist bei den Formelementen C und D vertauscht, so dass hierin der einzige Unterschied für die Erkennung dieser beiden Formelemente besteht.
Die Photozellensignale gelangen über die Ausgangsleitungen 5 zu den Differenziergliedern 10. Das differenzierte Signal kann die Und-Tore 11 und 12 nur passieren, wenn sich die zweite Eingangsleitung auf dem Potential U befindet. Die zweite Eingangsleitung ist nun mit dem Ausgang der jeweiligen Nachbarzelle verbunden, die bei dem Formelement C bzw. D bereits schwarz sein soll. Die Und-Tore 11 dienen also zur Erkennung des Formelementes D, während die Und-Tore 12 das Formelement C erfassen.
Fig. 8 lasst erkennen, dass die Und-Tore 11 jeweils von der hier linken Nachbarzelle und die UndTore 12 von der hier rechten Nachbarzelle gesteuert werden. Man erhält also an der Ausgangsleitung 13 ein Signal, beim Übergang einer Zelle von "weiss" auf "schwarz", wenn das Formelement C vorliegt und ein entsprechendes Ausgangssignal an der Leitung 14, wenn das Formelement D vorliegt. Die Ausgangssignale werder. jeweils einem Zähler 15 bzw. 16 zugeführt. Der Zähler zählt die Ausgangssignale, deren Anzahl dann ein Mass für die Länge des Striches ist.
Es kann daher auch ein gleichzeitiges vorliegen beider Formelemente erfasst werden, Ist der Strich sehr steil, so dass praktisch das Formelement B vorliegt, dann ändern die Photozellen schnell nacheinander ihren Zustand, d. h. die Ausgangsimpulse auf den Leitungen 13 bzw. 14 kommen in rascher Folge. Um die Aussage "Formelement C" oder "Formelement D" in diesem Fall zu vermeiden, sind die Verzögerungsglieder 17 und 18 vor die Zähler geschaltet, die nach dem Einlaufen eines Impulses die Leitungen 13 und 14 für eine gewisse Zeit für den nächsten Impuls sper-
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ren. Liegt die den Formelementen C und D zugeordnete Strichschräge vor, dann kommt der nächste Im- puls erst, wenn die Impulsleitung wieder freigegeben ist.
Ist der Strich jedoch sehr steil, dann sperrt je- der Impuls die Leitung für den ihm sehr schnell nachfolgenden nächsten Impuls, so dass bei der Abtastung eines sehr steilen Striches nur der erste Impuls in den Zähler gelangen kann. Es ist also sichergestellt, dass die Schaltanordnung nach Fig. 8 erst bei einer gewissen Neigung der Formelemente C und D ansprechen kann.
Zwei gleichzeitig auftretende Formelemente C bzw, D lassen sich hiemit nicht unterscheiden, da jedes eine Impulsfolge verursacht, die beide durcheinander in den gleichen Zähler einlaufen und sich dort wegen der grösseren Impulszahl wie ein langer Schrägstrich des betreffenden Formelementes auswirken.
Dabei können unter Umständen Impulse gleichzeitig kommen und somit nur als ein einziger gezählt wer- den. Dies kann jedoch vermieden werden, wenn die Impulse hinter den Und-Toren 11 und 12 kurze Zeit gespeichert, von einem schnell laufenden Taktgeber, der alle Impulsgänge zyklisch abfragt, abgenommen und dann erst dem Impulszähler zugeführt werden.
Fig. 9 zeigt eine Schaltungsanordnung, die zur Unterscheidung gleichzeitig auftretender Formele- mente C (bzw. D) dienen kann. Danach sind jedem Und-Tor 11 bzw. 12 mehrere Zähler zugeordnet, Je- de Photozelle, die am Anfang eines schrägen Striches steht, die also von"weiss"auf"schwarz"bei be- reits schwarzer Nachbarzelle übergeht, belegt mittels ihres Ausgangsimpulses einen unter diesen Zählern, der nur die nachfolgenden Impulse dieser Reihe, nicht dagegen jedoch die Impulse eines zweiten schräg ansteigenden Striches, der z. B. kurz danach beginnt, zählt. Die Reihe des zweiten Striches belegt mit ihrer ersten Photozelle den nächsten freien Zähler, der nur ihre Impulse zählt. Es müssen also so viele
Zähler vorgesehen sein, wie gleiche Formelemente gleichzeitig auftreten können.
Bei Ziffern genügen drei Zähler je Formelement C und D,
Die Belegung der Zähler geschieht folgendermassen : Jedem Zähler ist eine der Anzahl der Photozellen entsprechende Anzahl von bi-stabilen Kippkreisen 19 zugeordnet. Von jedem Kippkreis führt eine Koinzidenzleitung 20 zu jeweils einem Tor 21, dessen andere Eingangsleitung mit dem Ausgang des Tores 11 verbunden ist. Der Ausgangsimpuls muss also zuerst das Tor 21 passieren, bevor er zu dem Zähler 15 gelangen kann. Die Ausgangsleitung des Tores 21 ist jeweils mit der 0-Stellung aller Kippkreise verbunden, mit Ausnahme des Nachbar-Kippkreises, mit dessen 1-Stellung es verbunden ist. Da sich zunächst alle Kippkreise in der Stellung 1 befinden, sind auch alle Tore 21 geöffnet.
Läuft nun der erste Impuls von dem Tor 11 über das Tor 21 zu dem Zähler 15 und dem Kippkreis 19, so werden alle Kippkreise in die Stellung 0 gebracht. mit Ausnahme des Nachbar-Kippkreises, der in der Stellung 1 bleibt bzw. in die Stellung 1 übergeht, falls ei in der Stellung 0 war.
Wenn die Kippkreise in die 0-Stellung übergehen, werden die entsprechenden Tore 21 gesperrt, so dass nachfolgende Impulse diese Tore nicht mehr passieren können, Lediglich der der Nachbar-Photozelle entsprechende Kippkreis bleibt in Stellung 1, so dass dort also der nächste Impuls einläuft und zu dem Zähler 15 gelangt. Dieser Impuls bringt aber den Kippkreis in die Stellung 0 und seinen nächstfolgenden Kippkreis von 0 auf 1 zurück, so dass nur dort der nächste Impuls einlaufen kann usw. Alle Impulse gelangen jedoch zu dem gleichen Zähler 15.
Sobald der erste Zähler in dieser Weise durch den ersten gezählten Impuls belegt ist, öffnet er den nächsten, der bis dahin wie alle andern Zähler blockiert war. Diesem Zähler ist eine gleiche Anordnung wie beschrieben zugeordnet, so dass sich hier das gleiche Spiel mit einer andern ersten Zelle eines weiteren schrägen Striches wiederholen kann. Das kann jede andere Photozelle sein, nur muss dafür gesorgt sein, dass die Photozelle, die als nächste zum Umschalten in der ersten Reihe vorgesehen ist, diesen Vorgang nicht auslösen kann.
Die Anordnung für das Formelement D (Tor 12) ist die gleiche, so dass sie nicht mehr im einzelnen beschrieben zu werden braucht.
Zur Ermittlung des Formelementes E, d. h. der Zahl der Durchschneidungen der Photozellenreihe mit den Konturen der Ziffern, dient die Schaltungsanordnung der Fig. 10 und 11, " Bei einem Schnitt eines Zeichenstriches mit der Photozellenreihe gibt es an den Kanten des Striches immer je zwei Photozellen, von
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dann an, wenn zwei Photozellen verschiedene Zustände haben. Bei jeder Durchschneidung muss in der Reihe der Photozellen dieses Potential 1/2 U also zweimal feststellbar sein, so dass die Hälfte der Anzahl der Vorkommen dieses Potentials die Zahl der momentanen Durchschneidungen angibt. Um diese Zahl festzustellen, werden die Spannungsteilermitten 23 jeweils mit einem Amplitudendiskriminator 24 verbunden, der nur dann ein Ausgangssignal E liefert, wenn das Potential 1/2 U vorliegt. Ein schnellaufen-
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