DE1181956B - Optische Vorrichtung und Verfahren zur maschinellen Zeichenerkennung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES 4207WW PATENTAMT Internat. Kl.: G06f

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche KL: 43 a - 41/03

Nummer: 1181956

Aktenzeichen: J 20689 IX c / 43 a

Atrmeldetag: 21. Oktober 1961

Auslegetag: 19. November 1964

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung und Verfahren zur Zeichenerkennung durch Vergleich von Größen, die mittels Modifikation durch bipolare Filterfunktionen aus den Autokorrelationsfunktionen mindestens eines der zu vergleichenden Zeichen ab-■geleitet sind.

Zeichenerkennungsvorrichtungen verwenden nach dem derzeitigen Stand der Technik vielfach die direkte Vergleichsmethode zwischen Zeichen, die identifiziert werden sollen, und Bezugsmustern. Dabei machen sich vertikale und horizontale Fehlausrichtungen der Zeichen störend bemerkbar.

Es wurden Vorrichtungen zur Zeichenerkennung bekannt, die den Vergleich der zu erkennenden Zeichen mit Mustergruppen direkt oder auch nach geeigneter Zerlegung oder Abtastung der Zeichen längs bestimmter Linien durchführen, wobei nach festgestellter Identität des Zeichens z. B. elektromagnetisch ein Typenhebel zur Vervielfältigung des Zeichens ausgelöst oder eine phonetische Wiedergabe des Zeichens bewirkt wird. Ebenfalls wurden bereits Vorrichtungen erstellt, bei denen der Zeichenvergleich erst nach Abtastung und Eingabe der zu erkennenden Information in einen Speicher erfolgt. Insbesondere sind zweidimensionale Schieberegister zu diesem Zweck verwendet worden, deren einzelne, das Verschieben der gespeicherten Signale erlaubenden Speicherzellen die gleiche räumliche Anordnung wie die abzutastende Rasterfläche besitzen. Es wurden auch bereits Ver-Optische Vorrichtung und Verfahren zur
maschinellen Zeichenerkennung

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

New York, N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt,

Böblingen (Württ), Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:
Lawrence Paul Horwitz, Chappaqua, N..Y,
Glenmore Lorraine Shelton jun., Carmel, N.Y.
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 24. Oktober 1960
(64 568)

»0« ist. Die Autokorrelationsfunktion ist gegeben durch die Zahl von Paaren schwarzer Bereiche, die in einer bestimmten Richtung einen bestimmten Abfahren bekannt, die sich des Vergleichs gewisser, aus 30 stand voneinander haben, und zwar für alle Abstände den Zeichen bzw. den Musterzeichen abgeleiteten und alle Richtungen. Wenn (x, y) ein erster Punkt Funktionen, sogenannter Korrelationsgrößen, bedienen. Wegen gewisser lageinvarianter Eigenschaften dieser Größen erhält man hinsichtlich der Sicherheit und der Reproduzierbarkeit der Zeichenerkennung 35 mit der genannten indirekten Methode bessere Ergebnisse als beim direkten Zeichenvergleich. Zur Erzeugung der genannten Korrelationsgrößen bedient man sich sogenannter Korrektoren, die entweder mit vorwiegend optischen oder mit vorwiegend elektronischen 40 durch Verschiebung hervorgegangenen Zeichen gilt, Mitteln arbeiten. Die Autokorrelationsfunktion ist kann die Autokorrelationsfunktion D(x', y') wie folgt ein Maß für die Korrelation einer Funktion mit sich selbst und ist lageinvariant, was sich auch mathematisch beweisen läßt. Läßt sich das zu erkennende Zeichen in einem Koordinatennetz mit diskreten 45 Bereichen mit den Koordinaten (x, y) darstellen, wobei die einzelnen Bereiche vorwiegend schwarz oder vorwiegend weiß sind, je nach der Lage der Linien, aus denen das Zeichen besteht, dann gibt es eine Funktion f(x, y), die dann, wenn der die Koordi- 50 Autokorrelationsfunktion zu einer besseren Zeichennaten {x, y) umgebende Bereich schwarz ist, gleich erkennung führen als die Autokorrelationsfunktion »1« und wenn der genannte Bereich weiß ist, gleich selbst, da dadurch entweder die' Unterscheidung

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auf dem Zeichen und (x + x', y + y') ein anderer Punkt auf dem Zeichen ist, der den Abstand (x', /) vom Punkt (x, y) hat, sei das Produkt

nur dann, wenn beide Punkte schwarz sind. Da diese Forderung für jedes einander entsprechende Punktepaar auf dem ursprünglichen und dem aus diesem

angegeben werden:

x,3>

Bei Zerlegung des Zeichens in infinitesimale Flächenelemente geht die Summe in ein entsprechendes Integral über.

Es hat sich gezeigt,- daß manche Funktionen der

zwischen Mustern mit gewissen Ähnlichkeiten verbessert wird oder geringe Unterschiede zwischen nahezu gleichen Mustern, wie z. B. einer »1« mit und ohne Anstrich, ausgeglichen werden. Was die genannten Möglichkeiten zur Verbesserung der Zeichenerkennung betrifft, so sei darauf hingewiesen, daß es sich hierbei um eine weitgehende Analogie bzw. eine zweidimensionale Verallgemeinerung zu den in der Nachrichtentechnik bereits seit langem für entsprechende Zwecke angewendeten Filtern handelt. Es besteht dort eine weitentwickelte Theorie der linearen Filter bzw. der Filteranpassung, deren Ergebnisse sich leicht auf den zweidimensionalen Fall ausdehnen lassen. Weiter sei erwähnt, daß zwei Grundtypen von Filtern unterschieden werden können, wobei die Filterfunktionen vom Glättungstyp sich durch eine Mittelwertbildung, solche vom Diskriminatortyp, durch gewisse Differenzoperationen aus Autokorrelationsfunktionen gewinnen lassen.

Allgemein sei Theorie und Wirkungsweise der Filter bzw. Begriff und Anwendung von Korrelationsgrößen betreffend auf folgende Literatur verwiesen:

getastete zu erkennende Zeichen zunächst parallel eingespeichert wird und diese eingespeicherten Daten unabhängig voneinander mindestens

(Im - l)(2
gegeneinander verschoben

35

40

45

1. Norbert Wiener, »Extrapolation, Interpolation and Smoothing of Stationary Time Series«, insbesondere S. 81 ff.;

2. Stanford Goldman, »Information Theory«, insbesondere S. 256, »Linear least square Smoothing and Prediction«, New York, 1954;

3. Thomas P. C h e a t h a m jr. and Arthur 3<> Kohlenberg, Ire, 1954, »Optical Filters — their Equivalence to and Difference from Electrical Networks«, Convention Record, part 4, »Elektronic Computers and Information Theory«,

S. 6 bis 12, insbesondere letzter Abschnitt, S. 10, »Least-mean-square Error Criteria in Optics«;

4. Edward L. O'Neill, »Spatial Filtering in Optics«, Vol. IT-2, Nr. 2, Juni 1956, Transactions on Information Theory; insbesondere S. 61, (A) Equalization, (B) Edge Sharpening;

5. W. Meyer-Eppler, »Korrelation und Autokorrelation in der Nachrichtentechnik« im A. E. Ll, 7 (1953), Heft 10, S. 501 bis 504, und 7 (1953), Heft 11, S. 531 bis 536;

6. W. Meyer-Eppler, »Zur Theorie der optischen Zeichenerkennung« in den NTF, 14 (1959), S. 30 bis 32;

7. W. Meyer-Eppler und G. Darius, »Die Autokorrelation von ebenen zweidimensionalen Bildvorlagen« in den NTF, 3 (1956), S. 40 bis 46;

8. Leslie S. G. Koväsznay und Ali A r m a n, »Optical Autocorrelation Measurement of Two-Dimensional Random Patterns«, in The Review of Scientific Instruments, Vol. 28, Heft 10, Oktober 1957, S. 793 bis 797.

Es wurde bereits eine Vorrichtung zur Zeichenerkennung durch Vergleich der Autokorrelationsfunktionen der zu erkennenden und der Musterzeichen vorgeschlagen, die, abgesehen von einem elektrooptischen Abtastsystem, mit rein elektronischen Mitteln arbeitet. In der genannten Vorrichtung wird die Autokorrelationsfunktion in einem Korrelator erzeugt, der zwei Umlaufschieberegister besitzt, in die das durch die Abtastvorrichtung ab-

55 werden, wenn η · m die

Anzahl der Flächenelemente der abgetasteten Bildfläche bedeutet. In einem Zähler werden die bei jeder einzelnen Verschiebung anfallenden Koinzidenzen der Ziffer »1« aufsummiert, wobei die »1« einem schwarzen und die »0« einem weißen Element der Bildfläche entspricht. Die so gebildeten, den einzelnen durchnumerierten Verschiebungen zugeordneten Summen entsprechen der Korrelationsmatrix des zu erkennenden Zeichens. Das jeweils abgetastete Zeichen liegt somit in digitaler Form vor und kann mit den Mitteln der Rechenmaschinentechnik weiterverarbeitet werden. Auf diese Weise lassen sich auch die verschiedenen dem abgetasteten Zeichen zugeordneten Filterfunktionen erzeugen und Vergleiche von Korrelationsgrößen untereinander durchführen.

Diese Operationen lassen sich ebenfalls mit Hilfe· von optischen Korrelatoren, die von S. G. K ο ν a s znay und A. Arm an sowie Meyer-Eppler angegeben wurden, mit verhältnismäßig geringem technischem Aufwand durchführen.

Will man mit einer mit rein optischen Mitteln arbeitenden Vorrichtung von der Technik zweidimensionaler Filter Gebrauch machen, so zeigt sich', daß derartige optische Vorrichtungen grundsätzlichen Beschränkungen unterworfen sind; ohne zusätzliche Maßnahmen sind nur positive Filterfunktionen anwendbar.

Dies ist deshalb der Fall, weil sie auf die Lichtintensität, nicht aber auf die Amplitude ansprechen. Die Lichtintensität aber ist proportional dem Quadrat der Amplitude und damit unabhängig von deren Vorzeichen.

Erfindungsgemäß wird diese Einschränkung dadurch überwunden, daß der Strahlengang des optischen Systems in zwei Kanäle aufgespalten ist und sich in jedem Strahlengang ein optisch wirksames Filter befindet, von denen das eine Filter eine Konfiguration von Transparenzstufen besitzt, die der nur die positiven Matrixelemente einer bipolaren Filterfunktionsmatrix [A(P); B(p)] enthaltenden Teilmatrix [A⁺(P); B⁺(P)] entspricht, und von denen das andere Filter eine Konfiguration von Transparenzstufen besitzt, die der nur die negativen Matrixelemente der bipolaren Filterfunktionsmatrix [A(P); B(P)] enthaltenden Teilmatrix [A~(p); B~(p)] entspricht, daß für jeden Teilkanal eine eigene Vorrichtung zum gleichzeitigen Maskenvergleich der modifizierten Autokorrelogramme der zu erkennenden Zeichen mit den Autokorrelogrammen der Musterzeichen vorhanden ist, daß für jedes Zeichen des Musterzeichenvorrats ein Differenzverstärker vorgesehen ist, dem jeweils die Ausgangssignale des dem betreffenden Musterzeichen zugeordneten Paares von korrespondierenden Photoelementen der beiden Teilkanäle dadurch zugeleitet werden, daß das der aus den positiven Matrixelementen bestehenden Teiimatrix [A⁺(P); B⁺(P)] zugeordnete Photoelement mit dem Minuenden-Eingang des Differenzverstärkers und das der aus den negativen Matrixelementen bestehenden Teilmatrix [A~(p); B~(p)] zugeordnete Photelement mit dem Subtrahendeneingang des Differenzverstärkers verbunden ist und daß die Ausgänge

der Differenzverstärker zu dem Maximalwertanzeiger geführt sind.

Weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

An Hand der Figuren ist die erfindungsgemäße Vorrichtung nachstehend beschrieben. Es zeigt:

F i g. 1 einen bekannten, mit optischen Mitteln betriebenen Autokorrelator mit Autokollimationsstrahlengang zum Vergleich der durch Filterfunktionen modifizierten Autokorrelationsfunktionen von Zeichen ίο mit einem Satz von Vergleichszeichen,

F i g. 1 a und 1 b Filter zur Darstellung positiver Filterfunktionen,

Fig. Ic einen Strahlengang zur Erläuterung der Funktionsweise eines optischen Korrektors; der gezeigte Strahlengang geht durch Spiegelung an einer zwischen den beiden Linsenebenen L₁ und L₂ verlaufenden Mittelebene in einen Autokorrelator mit Autokollimationsstrahlengang über, wobei die Ebenen x, y und x', y' ineinander übergehen,

F i g. 1 d einen Strahlengang zur Erläuterung der für die Abbildungsgesetze (2), (3) des Korrelators F i g. 1 c grundlegenden Beziehung (1),

F i g. 2 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Autokorrelators mit aufgespartenem Strahlengang zur optischen Realisierung von Filterwirkungen von Filtern mit negativen Matrixelementen,

F i g. 2 a ein Filter zur Darstellung einer bipolaren Filterfunktion;

F i g. 3 eine Darstellung dreier besonders schwierig zu erkennender für Testzwecke geeignete Zeichen,

F i g. 4 eine Tabelle zur Darstellung der Verbesserung der Zeichenerkennung durch die erfindungsgemäße Anwendung verschiedener optischer Filter.

Auf Grund des Erfindungsgedankens sind nunmehr beide Grundtypen von Filtern in optischen Zeichenerkennungsvorrichtungen zur Verbesserung der Zeichenerkennung anwendbar. Ausgleichsfilter, z. B. mittelwertbildende Filter, beheben bekanntlich die Aus-Wirkungen von Zeichenunregelmäßigkeiten und bewähren sich besonders in einem System zur Erkennung stark voneinander abweichender Zeichen, die zwar Verschiedenheiten im Detail aufweisen, deren Identifikation jedoch von ihrer allgemeinen Form abhängt. Sie weisen in ihrer Matrixdarstellung nur positive Elemente auf. Auf der anderen Seite sollen Diskriminatorfilter, deren Matrixdarstellungen außer positiven auch negative Matrixelemente enthalten, Zeichenunterschiede übertreiben und sind deshalb in Systemen zur Erkennung gleichartiger Zeichen, in denen mehrere ähnlich geformte Zeichen identifiziert werden sollen, die sich nur in Feinheiten unterscheiden, wie z. B. »A«, »B« und »R«; »0« und »Q«, sehr nützlich. Die grundsätzliche Wirkungsweise eines optischen !Correlators sei an F i g. 1 d sowie 1 c erläutert. F i g. 1 d stellt einen telezentrischen Strahlengang an einer Sammellinse der Brennweite/ dar. Aus der Figur entnimmt man den Zusammenhang zwischen dem Einfallswinkel u des Strahles und der Abbildungsgröße / in der zu / gehörenden Fokalebene zu

y — jtg-u.

F i g. 1 c zeigt einen optischen Korrelator, der z. B. miteinander zu korrelierende Muster in Form von Transparenzbildern in der x,y- und x',y'-Ebsne enthält. Diese Ebenen seien symmetrisch zu den beiden Hauptebenen L_x und L₂ im Abstand 2 t voneinander angeordnet. Von einem Punkt ξ', η' in der Fokalebene ausgehendes Licht verläuft nach Durchgang durch die erste Sammellinse parallel und wird von der zweiten Sammellinse in der Fokalebene in den Punkt ξ", η" abgebildet. Ordnet man in der Fokalebene A eine inkohärente Lichtquelle an, erhält man bei Abwesenheit der Transparenzbilder in der zweiten Fokalebene B ebenfalls eine gleichförmige Ausleuchtung. Jeder Punkt ξ", η" entspricht einem Parallelstrahlbündel zwischen den beiden Linsen, wobei jeder einzelne Lichtstrahl beide Transparente einander in zugeordneten Punkten x, y und x', y' entsprechend folgenden aus der Fig. Ic ersichtlichen Beziehungen durchsetzt.

χ' — χ ——

■ ■
y' — y

ξ" ——

Das Dreieck G, H, J ergibt für den Neigungswinkel u' den Wert

tg u' = ^x ~ ^x '2t

beziehungsweise

y' — y wz—

Diese Beziehungen ergeben zusammen mit (1) die Ausdrücke (2) und (3). Bezeichnet man die Lichtdurchlässigkeit der Transparente / (x, y) mit / (x'_t y'), die Lichtintensität ohne eingefügte Transparenzen mit I₀, so erhält man für die gesamte Lichtdurchlässigkeit mit beiden eingefügten Transparenzen aus (2) und (3)

",7?")= ¹J fff(^x'> y')f(x,

Dabei ist A die Querschnittfläche des Parallelstrahlenbündels. Durch Substitution ergibt sich

Durch Einführen von

erhält man weiterhin

2*

_ 2t „ ~"F~ⁿ It

1 n

Damit ist die Wirksamkeit der Anordnung Fig. Ic als optischer Autokorrelationsfunktionsgenerator erklärt.

Durch Einführung eines Autokollimationsstrahlenganges erhält man unter Einsparung einer Linse sowie einer Mustertransparenz einen Autokorrelationsgenerator, wie es dem Strahlengang von F i g. 1 links von der Mattscheibe 16 entspricht. In diesem Teil der Figur erfolgt somit ein Vergleich des Zeichens s = /(D) mit sich selbst. Das Ergebnis ist das Autokorrelationsfunktionsmuster

15 sichtigt werden, die im Zusammenhang mit der diskreten Struktur der die Filterfunktion darstellenden Transparenz 18 die Struktur des Musters 20 festlegt. Für die Größe S¹ eines Flächenelementes des MusterslO gilt nach einfachen geometrischen Abbildungsgesetzen

5 =

• Fläche des Filtermatrixelementes.

auf der Mattscheibe 16.
Durch Benutzung der Verktorschreibweise

erhält man eine vereinfachte Bezeichnung der Argumente aller betrachteten Funktionen.

Weiterhin wird diese Autokorrelierte mit dem Muster 18 der Filterfunktion A (t>) verglichen, was zu dem Kreuzkorrelationsmuster 20

ß.(»0 = Σ Οι(Ρ)Α(ϊ> - to')

auf der Mattscheibe 22 führt. Da dieser Abbildungsvorgang nicht mehr in parallelem Strahlengang erfolgt, muß die eintretende Größenänderung berück-Um das Muster 20 gleichzeitig mit einer Anzahl von Bezugsmustern vergleichen zu können, sind in dem Rahmen 24 die Linsen 26 angeordnet. Jedem Bezugsmuster sind eine Linse und eine entsprechende Maske zugeordnet; zur Vereinfachung der Zeichnung sind in F i g. 1 nur zwölf davon gezeigt.

Diese ermöglichen eine Identifikation der ersten zwölf Buchstaben des Alphabets »A« bis »L«. Das Gerät ist so konstruiert, daß das Muster 20 den Bezugsmasken überlagert wird. Das die Bezugsmasken durchlaufende Licht wird durch Normierungsmasken, die weiter unten noch besprochen werden, auf einen Rahmen 30 zu einer Gruppe photoelektrischer Zellen 32 geleitet. Jede Zelle erzeugt auf einer Leitung 34 eine Ausgangsspannung, die der gesamten sie treffenden Lichtintensität proportional ist. Ein bekannter Maximalsignalindikator 36 liefert zur Identifikation der Zeichen ein Signal an eine seiner Ausgangsleitungen 38. Eine Ausgangsleitung 40 führt ein Signal, wenn das Zeichen sich mit keinem der Bezugsmuster hinreichend deckt. Die erforderliche Normierung wird später erörtert.

Übersicht über die verschiedenen Möglichkeiten des Zeichenvergleichs Zu erkennende Zeichen Musterzeichen

y R = /(b)

Bildung

/' der \

Autokorrelationsfunktionen

D_R(t>)

A(\>) Modifikation X durch Filter A (ti) bzw. B(¹O)

Ungefilterter Vergleich

Gefilterter Vergleich

Y j/ \

ß.OO +- © ν

Direkter Zeichen vergleich. 2) Vergleich der Autokorrelationsmuster beider Zeichen.

Vergleich der gefilterten Autokorrelationsmuster beider Zeichen.

Vergleich zwischen Autokorrelationsmuster von S mit gefiltertem Autokor-

relationsmuster von R. (in) Vergleich zwischen gefiltertem Autokorrelationsmuster von S mit Autokorrelation smuster von R.

Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, kann der Vergleich von öa(S3') mit einer Größe ß_fl(53') verglichen werden, die in gleicher Weise aus dem Musterzeichen R = /(D) abgeleitet wurde wie die Größe <2s(S3') aus dem zu erkennenden Zeichen S — /(O).

In diesem Fall I wird mithin die gefilterte Autokorrelationsfunktion des Zeichens S mit der gefilterten Autokorrelationsfunktion des Bezugszeichens R verglichen. Unterdrückt man nun die Modifikation mittels der Filterfunktion entweder der Autokorrelationsfunktion des Zeichens oder die des Bezugszeichens, so ergeben sich zwei weitere Vergleichsmöglichkeiten, die im ersten Falle mit II und im letzten mit III bezeichnet sind.

Durch Einführung neuer Verschiebungen und gegenseitige Substitution kann bewiesen werden, daß alle Vergleicharten zum gleichen Ergebnis führen, falls man im Falle II eine Filterfunktion B benutzt, die die Autokorrelierte der im Falle I benutzten Filterfunktion A ist. Im folgenden seien nochmals die verschiedenen Vergleichsmöglichkeiten aufgeführt, die sich bei der Anwendung von positiven (entsprechend F i g. 1 a und 1 b) sowie von bipolaren Filtern (entsprechend F i g. 2 a) ergeben.

I Das gefilterte Autokorrelationsmuster des Zeichens 5 wird verglichen mit dem gefilterten Autokorrelationsmuster des Musterzeichens R.

II Das Autokorrelationsmuster des Zeichens S wird mit dem gefilterten Autokorrelationsmuster des Zeichens R verglichen.

0 1 0

1 0 1 0 1 0

Wenn die Filterwirkung völlig in dem Bezugsmuster Vergleichsart II oder in dem Zeichenfilter Vergleichsart III zustande kommen soll, wird die Filterfunktion B (V) benutzt, wobei

0	0	1	0	0
0	2	-8	2	0
1	-8	20	-8	1
0	2	-8	2	0
0	0	1	0	0
0	0	1	0	0
0	2	0	2	0
1	0	20	0	1
0	2	0	2	0
0	0	1	0	0
0	0	0	0	0
0	0	8	0	0
0	8	0	8	0
0	0	8	0	0
0	0	0	0	0

ist.

III Das gefilterte Autokorrelationsmuster des Zeichens S wird mit dem Autokorrelationsmuster des Musterzeichens R verglichen.

Negative Filtertechniken als solche sind aus den bereits erwähnten Gründen nicht verfügbar, weshalb das Ausführungsbeispiel von F i g. 1 auf positive Filterfunktionen beschränkt ist. Zur Anwendung bipolarer Filterfunktionen in einem System zur optischen Zeichenerkennung ist es notwendig, die Filterfunktion in zwei positive Funktionen zu zerlegen, wobei die eine die positiven Elemente und die andere die negativen Elemente der bipolaren Funktion enthält. Auf diese Weise wird die bipolare Funktion A (P) in die zwei positiven Funktionen A⁺(P) und A~(p) verwandelt, so daß

A[P) = A⁺(P) - A-(P) ist.

Ein Beispiel für eine bipolare Filterfunktion ist die als Differenzfunktion bekannte Diskriminatorfunktion, die durch folgende Matrix dargestellt werden kann :

0-1 0

A(P) = -1 4-1

0-1 0

Diese Matrix kann als Grundlage für das bipolare Vierkanälesystem (Vergleichsart I), bei der das gefilterte Autokorrelationsmuster des Zeichens mit den gefilterten Autokorrelationsmustern von Bezugsmustern verglichen wird, verwendet werden. In diesem Fall werden folgende Filter benutzt:

0 0 0 0 4 0 0 0 0 Das Zeichenfilter 18 in F i g. 2 (im einzelnen in F i g. 2 a gezeigt) ist durch die Matrizen darstellbar. Die Zahlen in den Matrizen entsprechen der relativen Durchlässigkeit der Filterelemente. F i g. 2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zeichenerkennungssystems, das grundsätzlich dem in F i g. 1 gezeigten ähnlich ist; doch enthält dieses nun zwei optische Kanäle. Bei Benutzung der Vergleichsart II werden das Zeichenfilter 18 und die Mattscheibe 22 nicht benutzt — sie befinden sich lediglich in der Zeichnung, um die Vergleichsart III entsprechend Anspruch 1 zu erläutern. Der Strahlen» gang von der Lichtquelle über den Spiegel 12 bis zum Filter 18 entspricht dem in F i g. 1 dargestellten Korrelator und korreliert das Zeichen 10 mit sich selbst. An der Stelle des Filters 18 erfolgt die Strahlaufspaltung; der obere Kanal ist der negative Kanal, der untere ist der positive Kanal. Die Wirkungsweise der Anordnung ist der Wirkungsweise des in F i g. 1 gezeigten Systems in vielen Beziehungen ähnlich.

Zwei Gruppen von Linsen 26 in einem Rahmen 24 lenken die Autokorrelationsmuster der Zeichen auf zwei Gruppen von Bezugsmasken in dem Rahmen 2S. Diese entsprechen den Größen FJ(F) und YrrCF*). Normierungsmasken befinden sich in einem Rahmen30 und photoelektrische Zellen 32 sind hinter jeder Maske angebracht. Die oberen photoelektrischen Zellen entwickeln die Spannungen Ea (—), Eb (—) usw.; die unteren Zellen entwickeln die Spannungen Ea (+), Eb (+) usw. Eine Anzahl von Differenzverstärkern 42 nimmt die Subtraktionen

Ea(+) - E_A(-)· Eb(+) - E_B(-)

vor. Der Maximum-Signalindikator 36 zeigt die größten Spannungen an.

Bei Benutzung det Vergleichsart II ergibt sich dasselbe Resultat, das man gewinnen würde, wenn ein bipolares Filter verfügbar wäre und zur Filterung der Bezugsmuster eingefügt würde. Die Vergleichs-

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11 12

art III (entsprechend Anspruch 1) verwendet das in Trübung der Normierungsmasken für das in der F i g. 2 gezeigte System einschließlich des Filters 18 F i g. 2 gezeigte Beispiel wird das optische System und der mattierten Glasplatte 28. In diesem Falle von F i g. 1 mit den folgenden Veränderungen benutzt: entsprechen die Bezugsmasken in dem Rahmen 28 , _. _T. , „_.,,,-

den ungefilterten Autokorrelationsmustern der Be- 5 ^L P* Lichtquelle 2 wird durch eine monochromazugsmuster. Identische Bezugsmuster werden sowohl ^u*^he Punktlichtquelle, die in einem bestimmten

in dem oberen (negativen) als auch dem unteren ^{Abstand vo}" ^dem halbversilberten Spiegel an-

(positiven) Kanal benutzt. Das Filter 18 besteht aus gebracht wird ersetzt. Dieser Abstand wird so

zwei Teilen: der oberen Filterfunktion B~(V') und gewählt, daß die Entfernung zwischen der Lmse 6

der unteren Filterfunktion B+(F). io "^nd _c ^dfi" ^{halbversilberte}n Spiegel 4 zuzüglich

Zur Durchführung der Vergleichsart I wäre eine ^der Entfernung von dem halbversilberten Spiegel

Erweiterung der F i g. 2 auf ein Vierkanälesystem ] ^ur Punktlichtquelle gleich der Brennweite der

erforderlich. Da in diesem Falle mit sich selbst ^{Linse 6 lst}

korrelierte gefilterte Zeichen mit einem entsprechend 2. Die Bezugs-Autokorrelationsmustermasken (un-

modifizierten Musterzeichen verglichen werden sollen, 15 normiert und ungefiltert) der Bezugsmuster werwerden vier verschiedene Funktionen und vier Ver- den aus dem Rahmen 28 entfernt und nachein-

gleiche benötigt, wobei, wie sich zeigen läßt, die ander anstatt des Zeichen-Glasbildes 8 benutzt.

Indikatorspannung der Differenz aus der Differenz 3 _{Eine photoelektrisc}he Zelle wird hinter der matje zweier Teilspannungen entspricht. Die Vergleichs- _{tierten Glasp}i_{atte 16 so angeb}racht, daß die ge-

art I wird jedoch in der Praxis wegen des erheblichen 20 _{samtg Lichtstärke} gemessen wird, größeren Aufwandes nicht benutzt werden, zumal,

da, wie bereits erwähnt wurde, mit den Vergleichen II Die Messung wird von der Photozelle laufend für

und III gleich gute Resultate erzielt werden können. jede Bezugsmaske registriert. Eine Normierungsmaske Wenn der Vergleich zwischen gefilterten Zeichen mit variabler Durchlässigkeit wird dann zwischen das und gefilterten Bezugszeichen gewünscht wird, dann 25 Glasbild 8 und den Spiegel 12 eingefügt. Die Maske erstellt man die Bezugsmasken, indem man die wird auf maximale Lichtdurchlässigkeit eingestellt, Mattscheibe 22 unter Benutzung des A(v)-Fi\teTs und diejenige Bezugsmarke, die bei dem vorhermit Bezugseingabemustern photographiert. Wenn die gehenden Vorgang den geringsten Strom in der Filterwirkung durch die Bezugsmasken erzeugt werden Photozelle 80 zur Folge hatte, wird in den Apparat soll (Vergleichsart II), erhält man die Masken, indem 30 geschoben. Der Strom der Photozelle wird wieder die Mattscheibe 22 unter Benutzung des 5(j/')-Filters gemessen und für einen nachfolgenden Vergleich photographiert wird. In diesem Falle werden das registriert. Der Strom muß an dieser Stelle des VorFilter 18 und die Mattscheibe 22 nach Herstellung ganges gemessen werden, denn die Normierungsmaske der Bezugsmasken nicht mehr gebraucht. könnte, selbst wenn sie auf maximale Lichtdurchlässig-

Wenn ein Vergleich zwischen gefilterten Auto- 35 keit eingestellt ist, etwas getrübt sein. Die Maske wird korrelationsmustern der Zeichen und ungefilterten dann entfernt und in eine der beiden Kanäle im Bezugsmustern angewandt wird (Vergleichsart III), Rahmen 30 eingesetzt, die dem jeweils benutzten dann erhält man die Bezugsmasken durch Photo- Bezugseingabemuster an dieser Stelle entspricht. Die graphieren der Mattscheibe 16. Alle Bezugsmasken andere Normierungsmaske wird in der gleichen Weise können auch von einem Zeichner nach errechneten 4° ausgerichtet und dann in die zweite Stelle im Rahmen 30 Daten erstellt werden. eingesetzt, die dem benutzten Bezugseingabemuster

Durch Normierung sollen für alle zum Vergleich entspricht. Dieser Vorgang wird dann für die Bezugsheranstehende Zeichen gleiche Ausgangsverhältnisse masken der übrigen Muster und ihre Paare von geschaffen werden. Normierungsmasken wiederholt, wobei jede Maske so

Die optischen Zeichenerkennungssysteme von 45 abgeglichen wird, daß sie in der photoelektrischen Zelle F i g. 1 und 2 wurden normiert, um sicherzustellen, einen Strom erzeugt, der dem vorher registrierten daß jedes ideale Eingabezeichen der entsprechenden gleich ist.

photoelektrischen Zelle eine größere Lichtmenge Zur Erläuterung der durch Verwendung von Filterliefert, als dies bei einem nicht entsprechenden Zeichen techniken verbesserten Zeichenerkennung wurden die der Fall wäre. Für jedes Bezugszeichen befindet sich 5° Bezugs- und Testmuster A, B und R gewählt. Diese eine Normierungsmaske in dem Rahmen 30 der Muster haben viel Ähnlichkeit miteinander und ge-F i g. 1 und 2. Diese sind halbdurchlässig. In dem hören deshalb zu den am schwersten zu unter-Ausführungsbeispiel von F i g. 2 mit zwei Kanälen scheidenden.

befinden sich identische Normierungsmasken an zwei Die Tabelle in F i g. 4 enthält auf 1,000 normierte

Stellen des Rahmens, die den beiden Bezugsmuster- 55 Korrelationswerte der Bezugs- und Testmuster. Diese kanälen entsprechen. Die richtige Trübung für jede Zahlenwerte sind sowohl für ungefilterten Auto-Normierungsmaske kann sehr einfach durch Ver- korrelationsvergleich als auch für den Vergleich mit Wendung variabler Trübungselemente unter Benutzung Hilfe von Autokorrelationsmustern, die durch mittelidealer Bezugseingabemuster einjustiert werden. Ein wertbildende Filter und Filter mit negativen Matrixeinfaches Element zur Erzielung variabler Trübung 60 elementen modifiziert sind, angegeben. Man kann besteht aus zwei Polarisationsfilterscheiben, die gegen- sehen, daß jedes Bezugsmuster beim Vergleich mit einander drehbar angeordnet sind. Während sich die sich selbst eine Korrelation von 1,000 ergibt. Die eine Scheibe in Beziehung auf die andere um den Erkennung der Bezugsmuster wird durch die VerWinkel Θ dreht, ändert sich die durch die Scheiben wendung des Filters mit negativen Matrixelementen fallende Lichtmenge I nach der Beziehung 65 stark verbessert, da dieses Filter die Einzelheiten des

₂ „ Musters übersteigert. Die Unterscheidung zwischen

^{0 cos} ' den Bezugsmustern wird jedoch durch die Verwendung

wobei I₀ die ungetrübte Lichtintensität bedeutet. Die des mittelwertbildenden Filters leicht verschlechtert.

Die Erkennung von Testmustern kann entweder durch Verwendung eines Ausgleichfilters verbessert werden, je nachdem, um welches Schriftbild es sich bei dem Testmuster handelt. Im allgemeinen hat die Verwendung eines Ausgleichfilters, wenn es sich darum handelte, daß die zu erkennenden Zeichen von anderer Schriftart waren als die Bezugsmuster, zu verläßlicheren Ergebnissen geführt als dies mittels eines ungefilterten Vergleichs möglich war. Die Testmuster, mit denen die Ergebnisse von Fig. 4 erzielt wurden, wurden bei Verwendung eines mittelwertbildenden Filters alle richtig identifiziert. Das Filter mit negativen Matrixelementen führte ebenfalls zur richtigen Identifikation des Testmusters A und B, zeigte jedoch gelegentlich eine falsche Anzeige, wie z. B. bei R. In vielen Fällen verhalf die Verwendung eines Filters mit negativen Matrixelementen oder gar das Weglassen eines Filters zu einer verbesserten Identifikation gegenüber den Ergebnissen mit einem mittelwertbildenden Filter, da die Test- und Bezugsmuster in vielen Beziehungen ähnlich waren.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. OptischeEinrichtungzur maschinellenZeichenerkennung mit einem Autokorrelator, der Autokorrelogramme der zu erkennenden Zeichen erzeugt, mit einem in dem Strahlengang des optischen Systems befindlichen Filter mit unterschiedlichen Transparenzstufen zur Erzeugung einer Modifikation der Autokorrelogramme der zu erkennenden Zeichen und mit einer Vorrichtung zum gleichzeitigen Maskenvergleich der modifizierten Autokorrelogramme der zu erkennenden Zeichen mit den Autokorrelogrammen von Musterzeichen, bei der für jedes Musterzeichen ein Photoelement zur Messung des Grades der Übereinstimmung des Autokorrelogramms eines unbekannten Zeichens mit dem Autokorrelogramm des betreffenden Musterzeichens vorgesehen ist und bei der ein Maximalwertanzeiger vorhanden ist, der das Photoelement mit dem größten Ausgangssignal ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlengang des optischen Systems in zwei Kanäle aufgespalten ist und sich in jedem Strahlengang ein optisch wirksames Filter (18) befindet, von denen das eine Filter eine Konfiguration von Transparenzstufen besitzt, die der nur die positiven Matrixelemente einer bipolaren Filterfunktionsmatrix [A(y); B(P)] enthaltenden Teilmatrix [A⁺(P); B⁺(P)] entspricht, und von denen das andere Filter eine Konfiguration von Transparenzstufen besitzt, die der nur die negativen Matrixelemente der bipolaren Filterfunktionsmatrix [A(P); B(P)] enthaltenden Teilmatrix [A~(p); B~(y)] entspricht, daß für jeden Teilkanal eine eigene Vorrichtung (24, 26, 28, 30, 32) zum gleichzeitigen Maskenvergleich der modifizierten Autokorrelogramme der zu erkennenden Zeichen mit den Autokorrelogrammen der Musterzeichen vorhanden ist, daß für jedes Zeichen des Musterzeichenvorrats ein Differenzverstärker (42) vorgesehen ist, dem jeweils die Ausgangssignale des dem betreffenden Musterzeichen zugeordneten Paares von korrespondierenden Photoelementen (32) der beiden Teilkanäle dadurch zugeleitet werden, daß das der aus den positiven Matrixelementen bestehenden Teilmatrix [A⁺(P); B⁺(P)] zugeordnete Photoelement (32) mit dem Minuenden-Eingang des Differenzverstärkers (42) und das der aus der negativen Matrixelementen bestehenden Teilmatrix [A~(y); B-(P)] zugeordnete Photoelement (32) mit dem Subtrahendeneingang des Differenzverstärkers (42) verbunden ist und daß die Ausgänge (34) der Differenzverstärker (42) zu dem Maximalwertanzeiger (36) geführt sind.

2. Verfahren zur maschinellen Zeichenerkennung mittels einer optischen Einrichtung nach den Ansprüchen 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mit sich selbst korrelierten, mittels einer bipolaren Filtermatrix modifizierten Zeichen mit den in gleicher Weise modifizierten Autokorrelationsfunktionen in einem in vier Teilkanäle aufgespaltenen Strahlengang verglichen werden.

3. Verfahren zur maschinellen Zeichenerkennung mittels einer optischen Einrichtung nach den Ansprüchen 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mit sich selbst korrelierten zu erkennenden Zeichen direkt mit den mittels einer bipolaren Filtermatrix modifizierten Musterzeichen verglichen werden.

4. Optische Vorrichtung zur Zeichenerkennung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf verschiedenen Zeichen zugeordneten Photozellen auffallende Lichtintensitäten mittels je einer kontinuierlich veränderbaren Trübungsmaske normiert sind, derart, daß die auf jede einzelne Photozelle auffallende Lichtintensität beim Vergleich mit dem jeweils zugehörigen idealen Musterzeichen gleich der Intensität des Zeichenkanals mit der geringsten Trübung ist und daß daher notwendig die Lichtintensitäten aller Zeichenkanäle beim Vergleich mit dem jeweils zugehörigen idealen Musterzeichen einander gleich sind.

5. Optische Vorrichtung zur Zeichenerkennung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zu Normierungszwecken erfolgende variable Trübung durch Änderung des Winkels Θ zwischen den Polarisationsrichtungen eines vor der Bezugsmaske angebrachten Analysators und Polarisators nach der Beziehung

Iq = I₀ COS^a

realisiert ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Proceedings of the IRE, September 1959, S. 1554 bis 1568;

AEÜ, 7 (1953), H. 10, S. 501 bis 504, H. 11, S. 531 bis 536;

NTF, 3 (1956), S. 40 bis 46; 14 (1959), S. 30 bis 32; The Review of Scientific Instruments, Vol. 28, 1957, H. 10, Oktober, S. 793 bis 797.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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