DEVICE FOR THE STEPWISE RECOGNITION OF CHARACTERS, PATTERNS OR THE LIKE

Abstract: 1. Device for the stepwise recognition of characterized, patterns or the like, from a character set comprising n character classes or pattern classes, using a maximum of n (n-1) cascaded classifiers which in each case separate one or more character classes of a so-called left class from one or more character classes of a so-called right class in such a manner that the respective character to be recognized is assigned to this left or right class or is excluded from the respective other class, characterized in that there is provided in the first cascade step a classifier (K12) for two character classes i and i + 1, the outputs of which, assigned to the left or right class, are each connected to a classifier (K13, K23) of the second cascade step, one of which differentiates between the character classes i ( left class) and i + 2 (right class) and the other differentiates between the character classes i + 1 (left class) and i + 2 (right class), in that the outputs, assigned to the left class, of each classifier (K13, K23) of the second cascade step are each connected to one classifier (K14, K24) of the third cascade step the outputs assigned to the right class are connected to a further common classifier (K34) of this third cascade step, the respective right class of which is assigned to a further character class (i + 3), in that the classifiers of the following, up to the (n-1)th cascade step are formed in each case analogously to the classifiers of the second cascade step, and in that one of the n character classes is output ine each case at the outputs, assigned to the left class, of the classifiers provided in the (n-1)th cascade step and at the outputs, assigned to the right class and mutually connected, of these classifiers.

Description: Einrichtung zur gestuften Erkennung von Zeichen, Mustern oder dergleichen. Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur gestuften Erkennung von Zeichen, Mustern oder dergleichen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. in der modernen Datentechnik gewinnt die maschinelle Zeichenerkennung im Zusammenhang nit der Datenerfassung unc Dateneingabe zunehmend an Bedeutung. Im Interesse geringer Substitutions- und Rückweisungsraten werden dabei an die Erkennungssicherheit optischer Leseeinrichtungen hohe Anforderungen gestellt. Für eine sichere Zeichenerkennung ist es deshalb notwendig, dass nicht nur die charakteristischen Merkmale des zu klassifizierenden Zeichens im Hinblick auf die Zugehörigkeit zu einer bestimmten Zeichenklasse bewertet werden, sondern auch seine charakteristischen Unterschiede zu den Repräsentanten aller anderen Zeichenklassen. Bei einem zu erkennenden Zeichensatz von ca. zehn Zeichen, z.B. für die Ziffern 0 bis 9, ist dies, insbesondere bei Anwendung der Norm-Schriften OCR A und OCR B noch relativ einfach. Wird dagegen der von jeweils einem Klassifikator auszuwertende Zeichensatz erhöht, dann werden die Klassifikationsergebnisse in Abhängigkeit von der Gesamtzahl der zu unterscheidenden Zeichen etwa quadratisch schlechter, d.h. eine Klassifizierung von z. B. 30 Zeichenklassen ergibt etwa um den Faktor 9 schlechtere Werte der die Qualität der Erkennung kennzeichnenden Grössen als eine Klassifizierung von nur-zehn Zeichen klassen. Ausserdem ergeben sich bei Anwendung eines nichtlinearen Klassifikatorsystems hinsichtlich des zeitlichen Aufwandes nicht unerhebliche Probleme, weil für die Berechnung der für die Erkennung der einzelnen Zeichen notwenaigen Klassifikatorwerte ca. 500 bis 1000 Rechenschritte pro Zeichenklasse erforderlich sind. Da dies zu Lasten der Lesegeschwindigkeit geht, müsste die Rechenarbeit notwendigerweise auf mehrere Rechenwerke verteilt werden, was den Schaltungsaufwand und damit auch die Herstellungskosten für eine derartige Klassifikatoreinrichtung empfindlich erhöhen würde. Aus der DE-OS 30 26 055 ist eine Stufenklassifikator-Einrichtung bekannt, bei der ein Gruppenklassifikator für Z Zeichenklassen vorgesehen ist, der jedes Zeichen einer von n Teilklassifikatoren für jeweils Z/n Zeichenklassen zur endgültigen Klassifizierung zuordnet, wodurch sich der Klassifikatoraufwand im Vergleich zu einem Gesamtklassifikator entsprechend verringert. Ein anderer Lösungsweg zur Reduzierung des Klassifikatoraufwandes ist aus der DE-OS 24 56 210 bekannt. Hierbei wird das Klassifizierungsverfahren mit Hilfe eines Gesamtklassifika- tors in der Weise durchgeführt, dass bei Vorgabe einer Anzahl N von Klassifikationsmerkmalen, die im Höchstfall erforderlich ist, in der letzten Stufe alle N Merkmale verarbeitet werden und mindestens eine vorangehende Stufe einschaltbar ist, in der nur eine um eine Mehrzahl von Merkmalen verminderte, aus den N Merkmalen ausgewählte Anzahl von Merkmalen verarbeitet wird. Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Klassifikatoreinrichtung zu schaffen, die bei einer grossen Zahl von Zeichenklassen eine hohe Erkennungs- bzw. Lesesicherheit gewährleistet und bei einer Erhöhung der Zeichenklassenanzahl mit relativ geringem Mehraufwand erweitert bzw. entsprechend angepasst werden kann. Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemässen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Der Vorteil der erfindungsgemässen Einrichtuno besteht zum einen in der erhöhten Erkennungssicherheit, weil jeder Basisklassifikator nicht den gesamten Zeichenvorrat, sondern nur jeweils zwei Zeichenklassen bzw. Zeichenklassengruppen zu unterscheiden hat und zum anderen in der relativ leichten Erweiterbarkeit des Systems, weil bei jeder neu hinzukommenden Zeichenklasse K die bisher verwendeten Klassifikatoren unverändert bleiben können und lediglich neue Basisklassifikatoren K : X hinzugefügt werden müssen, wobei X stellvertretend für jede bisher eingezogene Zeichenklasse steht. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben und es zeigen FIG 1 den prinzipiellen Aufbau einer Klassifikatorein richtung gemäss der Erfindung für beispielsweise fünf Zeichenklassen FIG 2 eine Klassifikatoreinrichtung gemäss der Erfin dung eines Gruppenklassifikators FIG 3 eine Weiterbildung der Klassifikatoreinrichtung gemäss FIG 2. Fig 4 eine Klassifikatoreinrichtung nach FIG 1 mit Er gebniskontrolle. Grundbaustein der in FIG 1 dargestellten Klassifikator ist ein sogenannter Basisklassifikator, ein linearer Polynomklassifikator, der lediglich zwischen jeweils zwei Zeichenklassen, einer Linksklasse und einer Rechtsklasse, unterscheidet und deshalb relativ einfach reali siert werden kann. Unterscheidungskriterium ist ein so genannter Koeffizientenvektor (ko, k1 ... "' ... km)' wobei zu jedem Zeichenmerkmal m. des sich aus mehreren Merkmalen zusammensetzenden Merkmalvektors (mm ... mm) eines Zeichens jeweils ein Koeffizient ki existiert sowie zusätzlich ein Addend k . Fügt man formal ein Merkmal m = 1 hinzu, so erhält man den Diskriminierungswert als inneres Produkt beider Vektoren: EMI4.1 Zweckmässig werden die einzelnen Basisklassifikatoren so normiert, dass sich für die Linksklasse im Idealfall der d-Wert - 1 und für die Rechtsklasse der d-Wert - 1 ergibt. Die Richtungsentscheidung des Basisklassifikators fällt damit über das Vorzeichen des d-Wertes. Durch einen Vorzeichenwechsel aller Koeffizienten ergibt sich demnach aus einem Links/Rechts-Klassifikator ein Rechts/ Links-Klassifikator. Zur Klassifizierung eines Zeichens benötigt man nun bei einer zu erkennenden Zeichenmenge von insgesamt n Zeichenklassen maximal n (n-1)/2 Basisklassifikatoren, da für jedes Zeichenklassenpaar ein entsprechender Basisklassifikator vorgesehen ist. Eine vorteilhafte Klassifikatorstruktur in Form einer Kaskade ist in FIG 1 für beispielsweise fünf Zeichenklassen A, B, C, D, E anhand eines rechteckigen Matrixschemas dargestellt. Die Reihenfolge der Anordnung der einzelnen Zeichenklassen kann dabei beliebig gewählt werden. Der obere Abzweig aus jedem Basisklassifikator entspricht z.B. der Entscheidung für die Linksklasse, der untere der für die Rechtsklasse. Im einzelnen ist die Kaskade in der Weise aufgebaut, dass dem Basisklassifikator K12 der ersten Kaskadenstufe für die Zeichenklassen A und B zwei Basis klassifikatoren K13, K23 der zweiten KlassiFikatorstu- fe folgen, die die Links- bzw. Rechtsklasse A bzw. B des erste Basisklassifikators K11 mit der dritten Zeichenklasse C verknüpfen. Diesen beiden Basisklassifikatoren K13, K23 der zweiten Kaskadenstufe sind drei Basisklassifikatoren K14, K24, K34 der dritten Kaskadenstufe in der Weise nachgeschaltet, dass die Linksausgänge der beiden Basisklassifikatoren K13, K23 mit den Basisklassifikatoren K14 für die Zeichenklasse A und D bzw. K24 für die Zeichenklassen B und D verbunden sind, während deren Rechtsausgänge gemeinsam mit dem Basisklassifikator K34 für die dritte und vierte Zeichenklasse C und D verbunden sind. Diese Kaskadenschaltung setzt sich in analoger Weise bis zur letzten Matrixspalte fort, in der die jeweilige Resultatsklasse als Ergebnis der in der vorletzten Matrixspalte vorgesehenen Basisklassifikatoren angegeben ist. Bei einer vollständigen Basiskaskade für z.B. n = 29 Zeichenklassen (Buchstabenkanal) ergeben sich mit n (n - 1)/2 insgesamt 406 Basisklassifikatoren. Jeder dieser Klassifikatoren entspricht einem Koeffizienten mit m Bytes, wobei m die Anzahl der Merkmale pro Zeichen ist. Die maximale Vektorlänge beträgt z.B. 128 Bytes. Der damit verbundene hohe Speicherbedarf kann nun gemäss dem in FIG 2 dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine teilweise Verwendung sogenannter Gruppenklassifikatoren verringert werden, die mehrere Basisentscheidungen übernehmen. Es ist jedoch darauf zu achten, bass die Qualität der verwendeten Gruppenklassifikatoren gegenüber den ansonsten erforderlichen Basisklassifikatoren im Hinblick auf die angestrebte hohe Erkennungssicherheit nicht zu sehr abnimmt. Zweckmässig werden jeder Zeichengruppe des Gruppenklassifikators geometrisch ähnliche Zeichen zugeordnet, so dass beispielsweise bei Grossbuchstaben die Zeichen L und I den Zeichen D, O, Ö, U, U gegenüberstehen. Ein Gruppenklassifikator, der m gegen n Zeichen diskriminiert, belegt nun nur 128 Bytes Speicherplatz gegenüber m. n 128 Bytes bei Verwendung von Basisklassifikatoren. Zu dieser statischen Einsparung kommt ein dynamischer Gewinn, da in den Kaskadenzeilen Entscheidungen überflüssig werden, wenn sie von einem Gruppenklassifikator zu treffen sind, der bereits für eine weiter vorne liegende Kaskadenposition zuständig ist. FIG 2 zeigt die durch Gruppenklassifikatoren G12, G23, G34, G45 modifizierte Kasaae gemäss FIG 1, wobei in den Spalten 4 und 5 für die beiden Zeichenklassen D und E jeweils eine Entscheidung eingespart ist. Ausser dem Überspringen redundanter Entscheidungen in einer Zeile können nun noch Wegstücke optimiert werden, bei denen der Rechtszweig aus einem Gruppenklassifikator auf denselben Klassifikator führt. Im Beispiel ge mäss FIG 2 ist dies u.a. der Fall bei dem Zweig; der von der Matrixposition (A, B) auf die Matrixposition (B, C) führt. Wird dieser Zweig durchlaufen, so heisst dies, dass sich der Gruppenklassifikator G12 für die Zeichenklassen B oder D entschieden hat und dass dies in analoger Weise auch der Gruppenklassifikator G23 tun würde. Deshalb kann von der Matrixposition (A, B) aus sofort nach Position (B, D) verzweigt werden. Eine in dieser Weise optimierte Kaskade ist in FIG 3 dargestellt. Im Gegensatz zur Basiskaskade gemäss FIG 1 für z.B. fünf Zeichenklassen, wo jedes Zeichen auf jedem möglichen Weg vier Entscheidungen durchläuft, bleiben jetzt ür die Zeichenklasse A drei Entscheidungen, für die Zeichenklasse B zwei Entscheidungen, für die Zeichenklasse C vier Entscheidungen, für die Zeichenklasse D drei Entscheidsegen und für die Zeichenklasse E - je nach der zufälligen Entscheidung A : C - drei oder vier Entscheidungen. Die FIG 4 zeigt schliesslich ein Ausführungsbeispiel für eine Klassifikatoreinrichtung gemäss FIG 1, bei der zusätzlich eine Ergebniskontrolle möglich ist. Ohne diese Ergebniskontrolle besteht nämlich rein theoretisch die Gefahr einer Falschaussage, weil sich die Einrichtung in jedem Fall für irgendeine der möglichen Zeichenklassen entscheiden wird bzw entscheiden muss. Eine derartige Falschaussage ist beispielsweise dann möglich, wenn der Einrichtung ein fontfremdes Zeichen, d.h. ein nicht im Zeichenvorrat enthaltenes Zeichen oder einfach ein dunkler Fleck, z.B. als Folge einer Papierverschmutzung, angeboten wird. Um dies zu verhindern, wird gemäss der in FIG 4 dargestellten Einrichtung ein sogenannter Kontroll-Lauf durchgeführt. In diesem Kontroll-Lauf wird nachgeprüft, ob sich alle Basisklassifikatoren, die eine Zeichenklasse Z von anderen Zeichenklassen trennen, auch tatsächlich für die Zeichenklasse Z entscheiden. Im Kontroll-Lauf brauchen natürlich nur solche Basis Klassifikatoren KK1...n aktiviert werden, die am voran gegangenen- Entscheidungsprozess nicht beteiligt waren. Für die Zeichenklasse B bedeutet dies z.B., dass ausgehend vom ersten Basisklassifikator für die Zeichenklassen A und B und nach dessen Entscheidung für die Zeichenklasse B sowie nach Durchlauf der Basisklassifikatoren für BC, BD und BE, letztlich nur noch geprüft werden muss, ob das zu erkennende Zeichen tatsächlich der Zeichenklasse B oder vielleicht doch einer anderen Zeichenklasse, z.B. der Zeichenklasse A, zuzuordnen ist. Letzteres führt dann automatisch zu einer Rückweisung RW des nicht eindeutig klassifizierten Zeichens.

Claims: Patentansprüche 1. Einrichtung zur gestuften Erkennung von Zeichen, Mustern od.dgl., unter Verwendung von Klassifikatoreinrichtungen, in denen jedem Zeichen, das zu einer vorgegebenen festen Zahl von Zeichenklassen gehört, eine Mehrzahl von Klassifikationsmerkmalen bzw. Merkmalskombinationen zugeordnet ist, mit denen das aus Schwarzund Weisspunkten bestehende Bildmuster des jeweils aktuellen Zeichens verglichen und aus den Vergleichswerten die den höchsten Übereinstimmungsgrad aufweisende Zeichenklassse ausgewählt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass für n Zeichenklassen maximal n (n - 1)/2 in Kaskade geschaltete Basisklassifikatoren (K12, ..... .K23, K24...) vorgesehen sind, die jeweils eine oder mehrere Zeichenklassen der sogenannten Rechtsklasse von einer oder mehreren Zeichen einer sogenannten Linksklasse trennen und das jeweils zu erkennende Zeichen dieser Rechts- oder Linksklasse zuordnen bzw. die jeweils andere Klasse ausschliessen und dass nach jeweils maximal (n - 1) Kaskadenstufen; wobei jeweils der Rechts- bzw. Linksklassenausgang eines Basisklassifikators mit je einem nachfol genden -Basisklassifikator für eine weitere Zeichenklasse bzw. Zeichenklassengruppe verbunden ist, an einem der beiden Ausgänge des jeweiligen End-Basisklassifikators die dem zu erkennenden Zeichen zugeordnete Zeichenklasse angezeigt wird. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass dem jeweils einer be stimmten Zeichenklasse zugeordneten Ausgang eines End Basisklassifikators wenigstens ein Kontroll-Basisklassifikator (KK1...n) nachgeschaltet ist, dessen Linksbzw. Rechtsklasse jeweils mit der Links- bzw. Rechts klasse des End-Klassifikators übereinstimmt und dessen Rechts- bzw. Linksklasse für jeweils eine im vorangegangenen Klassifizierungsprozess nicht einbezogene Zeichenklasse vorgesehen ist und dass die Rechts- bzw. Linksklassenausgänge aller-Kontroll-Basisklassifikatoren mit einem gemeinsamen Rückweisungsausgang (RW) verbunden sind.

Inventors: BERNHARDT, LUTZ, DR. RER. NAT.
Applicants: COMPUTER GESELLSCHAFT KONSTANZ MBH
Application year: 1983
Main classification: G06K9
IPC codes: G06K9