DE2817341C2 - Optisches Handlesegerät für die maschinelle Zeichenerkennung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Handlesegerät für die maschinelle Zeichenerkennung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Handlesegeräte, die manuell relativ zu einer Zeichenzeile über einen Datenträger in beliebiger Richtung mit einer vorgegebenen maximalen Geschwindigkeit gefuhrt werden, sind z. B. aus der deutschen Offenlegungsschrift 25 55 466 bekannt. Solche Geräte werden als periphere Datenerfassungsgeräte eingesetzt. Diese Art der Verwendung soll einerseits einen weiten Anwendungsbereich z. B. zum Anschluß an Kassenterminals im Handel zum Lesen von Etiketten oder an Bankenterminals zum Lesen von Kontonummern auf Kundenschecks, zum Abruf von Daten über ein Sichtgerät aus zentralen Dateien nach Lesen der Information auf einem Ausweis erschließen, bedeutet aber andererseits auch eine schwierigere Zeichenerkennung. Eine hohe Erkennungssicherheit, wie sie bei Hochleistungs Beleglesern mit automatischem Belegtransport und weitgehend konstanten Abtastbedingungen möglich ist, ist hier nicht so einfach zu realisieren. Bei Handlesegeräten muß nämlich eine wesentlich höhere Variationsbreite beim Abtasten zugelassen werden. Das beginnt bereits bei den Eigenschaften des Daten.-ägers, bei dem mit wesentlich unterschiedlicheren Remissionseigenschaften auch aufgrund von Verschmutzungen gerechnet werden muß, liegt aber auch im individuell durchgeführten Abtastvorgang mit unterschiedlicher Abtastgeschwindigkeit, wobei sogar zugelassen werden muß, daß die Abtastrichi.ing in verschiedenen Zeichenzeilen umgekehrt wird. Während der Abtastung einer Zeichenzeile kann das Handlesegerät verkantet oder auch mit einer gewissen Schräglage zur Zeilenrichtung geführt werden. Schließlich sollen abgetaslete Zeichen nicht mehrfach ausgewertet oder bei der Auswertung ι unterdrückt werden, was in jedem Fall zu Fehlinformationen führen würde.

Neben diesen Erfordernissen einer einfachen Handhabung bei eindeutiger Funktion spieli auch das Preis-/Leistungsverhältnis eine bedeutende Rolle, da

in Handlesegeräte als Datenerfassungsgerät dezentral nur wirtschaftlich einzusetzen sind, wenn ein flexibles Grundgerät leicht an die verschiedenen Anwendungsformen anzupassen ist und daher in hohen Stückzahlen gefertigt werden kann.

ii Bei den bekannten Handlesegeräten haben diese vielen unterschiedlichen Randbedingungen zu einem Kompromiß geführt, derart, daß möglichst einfache Klassifikationsverfahren eingesetzt werden, die eine leichte Zeichenerkennung innei halb der durch die

ji. ,Abtastgeschwindigkeit vorgegebenen Zeit für ein einzelnes Zeichen erlauben. So besteht beispielsweise das aus der DE-OS 25 55 466 bekannte Handlesegerät aus einer Abtasteinheit mit Lichtquelle, einem aus einer Fotodiodenmatrix mit 1024 Elementer gebildeten

r> Sensorfeld und einer Schaltung zur Umwandlung der Abtastsignale in eine digitale Bildsignalfolge, ferner aus ~einer mikroprozessorgesteuerten Aufbereitungseinheit mit Zeilenverfolgungsschaltung und Zeichcnsegmentierungsschaltung sowie aus einer ebenfalls mikroprozes-

j(i sorgesteuerten Erkennungseinheit, die das jeweils abgetastete Zeichenmusur einer bestimmten Zeichenklasse innerhalb des vorgesehenen Zeichenvorrates zuordnet. Da das bekannte Gerät nur einen einzigen Mikroprozessor besitzt, mit dem nacheinander zunächst

3-3 die Aufbereitung und danach die eigentliche Zeichenerkennung durchgeführt wird, ist dieses Verfahren nur für eine bestimmte Sch.-iftzeichenart und nur für einen verhältnismäßig geringen Zeichenvorrat anwendbar. Trotzdem ist die Erkennungssicherheit nicht sehr groß, so daß häufiger weitere Abtastversuche nach einem Abtastvorgang mit nicht erkannten Zeichen gestartet werden müssen.

Wegen dieser Schwierigkeiten ist es auch bekannt, in einem Abtastvorgang eine Vielzahl von Erkennungsversuchen für die abgetasteten Zeichen durchzuführen, d. h. eine Mehrzahl von momentanen Abtastmustern, die sich während des Vorbeiführens des Lesefensters des Handlesegerätes über die Zeichenzeile ergeben, aufzubereiten und auszuwerten. In ähnlicher Weise ist dies auch bei der bereits erwähnten deutschen Offenlegungsschrift 25 55 466 vorgesehen, bei dem ein Abtastergebnis einer Fotodiodenmatrix der Abtasteinheit jeweils durch einen Bildspeicher in Spaltenrichtuig geschoben, zeilenweise codiert und daraus Zeilencodes gebildet werden. Aus den Zeilencodes wird ein Zeichencode abgeleitet und aus einer Folge von solchen Zeichencodes wird der signifikanteste ausgewählt, um daraus die Klassenzugehörigkeit abzuleiten. Auch diese verbesserte Variante kann nur Zeichenabschnitte in bestimmten vorgewählten Sichtfeldbereichen der Fotodiodenmatrix sowie Leerstellen zwischen diesen Zekher\>ereichen feststellen. Da die Zeichenzuordnung zu einer bestimmten Bedeutungsklasse auf der auswertenden Zusammenfassung dieser einfachen Merkmale beruht, können hier vom Prinzip her vorgegebene Grenzen der Erkennungssicherheit nicht überschritten werden.

Ein verbessertes Zeichenerkennungssystem unter Verwendung mehrerer Rechenwerke ist aus der DE-OS

26 19 014 bekannt, bei dem zunächst die Anzahl der Zeichenmerkmale auf rechnerischem Wege reduziert wird und anschließend aus der reduzierten Menge von Merkmalen bzw. Merkmalskombinationen einzelne Schätzwert-Polynome gebildet werden. Aus diesen Schätzwert-Polynomen werden dann jeweils Polynomkoeffizienten errechnet und einzeln quadriert, mit denen schließlich in einem sogenannten quadratischen PoIynomklassifikator die Zeichenerkennung durchgeführt wird. Einer auf diese Weise erzielbaren erhöhten Erkennungssicherheit steht aber auf der anderen Seite ein entsprechend hoher Rechenaufwand gegenüber.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein optisches Handlesegerät nach der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art hinsichtlich der Aufbereitungseinheit in der Weise zu verbessern, daß trotz umfangreicher und vielfältiger Aufbereitungsmaßnahmen auch bei Verwendung eines relativ langsamen, aber dafür kostengünstigen Mikroprozessorsystems eine Echtzeitverarbeitung möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 beschriebenen Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Aufteilung des erfindungsgemäßen Handlesegerätes in eine Abtasteinheit, eine Aufbereitungseinheit mit zwei nach dem Fließbandprinzip arbeitenden Teileinheiten und in eine Erkennungseinheit mit je einem Mikroprozessorsystem für die Aufbereitungs- und Erkennungseinheit hat vor allem den Vorteil, daß für die Zeichenerkennung ein nichtlineares Kiassifizierungsverfahren angewendet werden kann, das zv/ar zeitlich sehr aufwendig ist, in bezug auf die Erkennungssicherheit aber erhebliche Vorteile bietet. Der erhöhte Zeitaufwand wird nämlich in vorte^;lhafter Weise dadurch wettgemacht, daß Aufbereitungseinheit und Erkennungseinheit mit ihren jeweils zugeordneten Mikroprozessorsystemen im Parallelbetrieb und damit praktisch unabhängig voneinander arbeiten können, mit der Besonderheit, daß der in der Aufbereitungseinheit vorgesehene Mikroprozessor zur Entlastung des Satellitenrechners einen Teil der Rechenaufgaben für die Klassifizierung, d. h. für die Zeichenerkennung miiübernirnnit.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigt

F ι g. 1 ein schematisches Blockschaltbild für den prinzipiellen Aufbau eines Handlesegerätes gemäß der Erfindung.

Fig. 2 wesentliche Schaltungsteile der Aufbereitungseinheit.

F ί g. 3 ein Blockschaltbild des die endgültige Aufbereitung und Auswertung der abgetasteten Zeichen steuernden Mikroprozessors und

F i g. 4 die wesentlichen Teile der in der Erkennungseinheit verwendeten Klassifikatorschaltung.

Anhand des in F i g. 1 dargestellten schematischen Blockschaltbildes soll die prinzipielle Struktur des Handlesegerätes einleitend erläutert werden. Ein Aufzeichnungsträger 1 wird von einem Abtaster 2 abgetastet und die dabei gev/onnenen Abtastdaten werden einer ersten Teileinheit 3 einer Aufbereitungseinheit zugeführt. Dieser ist ein erster Arbeitsspeicher 3' zugeordnet, in dem die vom Abtaster 2 kommenden Bildsignale mit wahlfreiem Zugriff abgespeichert werden. In dieser ersten Teileinheii 3 der Aufbereitungseinheit werden aus den abgetasteten Bildsignalen durch das Abtastverfahren bedingte Störfaktoren eliminiert. Zugleich werden Weißspalten in den abgetasteten Mustern ermittelt, die der Zeichentrennung dienen.

Sobald dies abgeschlossen ist, wird das zu diesem Zeitpunkt im Arbeitsspeicher 3' der ersten Teileinheit 3 stehende Bild in einen Speicher 4' der zweiten Teüeinheit 4 der Aufbereitungseinheit übertragen. Von diesem Zeitpunkt ab ist die weitere Aufbereitung des

ίο übertragenen Bildes vom Abtastverfahren entkoppelt, kann also davon unabhängig weiter verfolgt werden. Zu dieser weiteren Aufbe:eitung gehört eine Bildbereinigung, bei der nicht zum Zeichen gehörende Bildinformation abgeschnitten wird. Weiterhin wird das dem Zeichen entsprechende Bitmuster im Speicher 4' in beiden Achsen zentriert. Bei dieser Zentrierung wird nicht das im Speicher 4' stehende Bitmuster ''erschoben, sondern Adressen des Speichers modifiziert.

Steht daraufhin dann ein einem Zeichen ausreichender Größe entsprechendes Bitmuster im Speicher 4' der zweiten Teileinheit 4, dann ist die Aufbereitungsphase abgeschlossen, die weitgehend mit einem Mikroprozessorsystem durchgeführt wird.

Das so aufbereitete Zeichen kann anschließend klassifiziert werden. Dazu dient eine Erkennungseinheit 5, der ein Klassifikatorspeicher 5' zugeordnet ist. Das verwendete Klassifizierungsverfahren benutzt einen qua .ratischen Polynomklassifikator, ist also verhältnismäßig rechenaufwendig. Die Klassifizierung eines

jo aufbereiteten Zeichens ist daher weitgehend einem Satellitenrechnersystem übertragen und das bei der Aufbereitung verwendete Mikroprozessorsystem während dieses Zeitraums in der Lage, das nächste Zeichen aufzubereiten. Erst in der letzten Phase der Klassifiziening sowie bei der Ausgabe eines klassifizierten Zeichens ist dieses Mikroprozessorsystem wieder beteiligt.

Das geschilderte Blockschaltbild nach F i g. 1 soll nur einen allgemeinen Überblick über das gesamte Handlesegerät vermittele, um für die nachfolgende detailliertere Beschreibung anhand der Fig.2 bis 4 die grundlegende Kenntnis der Struktur zu vermitteln. In Fig.2 sind nun die Teile des Handlesegerätes in ausführlicherer Form dargestellt, die der Abtasteinheit 2 und der ersten Teileinheit 3 der Aufbereitungseinheit nach F i g. 1 entsprechen. Die Abtasteinheit ist hier mit ABE bezeichnet. Nicht dargestellt ist, daß sie als optoelektrischen Wandler ein Sensorfeld, bestehend aus in 62 Zeilen zu 16 Spalten angeordneten Fotodioden

so besitzt. Für jede Spalte steht ein Signalausgang zur Verfügung, an dem die einzelnen Abtastelementen entsprechenden Abtastsignale zeitlich seriell erscheinen. Die Signale kommen verstärkt aus dem Sensorfeld und werden mit je einem Komparator in Schwarz-Weiß-Digitalwerte quantisiert Die Quantisierungsschwelle ist dabei vom vorliegenden Kontrast des aktuellen Bildmusters selbst abhängig. Außerdem besitzt die Abtasteinheit eine Lichtquelle, deren Lampenspannung abhängig von der remittierten Helligkeit des Aufzeichnungsträgers geregelt wird. Auf diese Weise können Remissionsschwankungen der Aufzeichnungsträger und auch bis zu einer gewissen Größe ein wechselnder Abstand zwischen Abtaster und Aufzeichnungsträger ausgeglichen werden. Die Abtasteinheit ABE besitzt schließlich noch einen Parallel-Serien-Wandler zum Umsetzen der jeweils 16 digitalisierten Abtastsignale einer Abtastzeile in bitserielle Bildsignale am Ausgang der Abtasteinheit ABE

Das in der Abtasteinheit ABE verwendete zweidimensional Sensorfeld ermöglicht eine Abtastung unabhängig von der aktuellen Abtastgeschwindigkeit. Die Bildwiederholfrequenz mit ca. 3 kHz ist so groß, daß das abgetastete Zeichen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastmustern nur um weniger als die Breite eines Rasterelementes mit 0,16 mm weitergewandert ist.

Das von der Abtasteinheit ABE erzeugte serielle Bildsignal wird nun der ersten Teäleinheit 3 der Aufbereitungseinheit zugeführt. Diese enthält eine Bitmustervergleichsschaltung COR, deren Teile vereinfacht in F i g. 2 dargestellt sind. Das Bildsignal wird in einem ersten Bildspeicher RAMi mit wahlfreiem Zugriff und eirer Kapazität für ein vollständiges Abtastmuster zwischengespeichert. In einem weiteren entsprechenden Bildspeicher RAM 2 steht ein früheres Abtastmuster. Beide Abtastmuster werden in einer Vergleicherschaltung COMP miteinander verglichen, um evtl. Lageabweichungen in einem nachgeschalteten Schaltwerk SWi feststellen zu können. Zusätzlich werden die Schwarzelemente des zugeführten aktuellen Bildsignals in einem Bildelement-Zähler BCTR gezählt und daraus für das Schaltwerk ein weiteres Steuersignal BI abgeleitet, das dazu dient, »fette« von »schwachen« Zeichen im Bildsignal zu unterscheiden. Mit den dem Schaltwerk SWi zugeführten Steuersignalen werden die in beiden Bildspeichern RAMi bzv/. RAM 2 zwischengespeicherten Abtastmuster, bildlich gesprochen, übereinandergelegt und die einander entsprechenden Bildelemente disjunktiv miteinander verknüpft. Bei dieser disjunktiven Verknüpfung werden bei »fetten« Zeichen die Weißelemente, im umgekehrten Fall die Schwarzelemente des Bildsignals herangezogen. So werden die durch Toleranzen der einzelnen Fotodioden im Sensorfeld der Abtasteinheit hervorgerufenen Störungen im Bildsignal eliminiert.

Dieses verknüpfte Bildsignal wird nun in einer an die Korrelationsschaltung COR angeschlossenen ZeilenverfoIgungs-Schaltung ZV weiter aufbereitet. Diese Schaltungsanordnung dient der Vorsegmentierung des abgetasteten Bildmusters. Der durch das Sensorfeld vorgegebene Abtastbereich mit 62 Zeilen ist größer als ein durch die normierte Größe der abgetasteten Zeichen auszuwertender Abtastbereich mit 32 Zeilen. Um diesen auszuwertenden Bereich festzulegen, werden einem noch anhand von Fig.3 zu erläuternden Mikroprozessorsystem zu Beginn der Abtastung einer gedruckten Zeile des Aufzeichnungsträgers Bilddaten übertragen und diese ausgewertet. Mit dem Ergebnis wird ein in der Zeilenverfoigungs-Schaltung ZV enthaltenes 4 Bit-Register als Adreßregister ADR für einen programmierbaren Festwertspeicher PROAf über Adreßsignale ADR' eingestellt. Wandert nun das Zeichenmuster im Abtastbereich während der Abtastung einer Druckzeile in Spaltenrichtung aus, so wird fortlaufend die im Adreßregister ADR stehende Adresse korrigiert.

Von dem Festwertspeicher PROM der Zeilenverfolgungs-Schaltung wird das Bildsignal im festgestellten Auswertebereich und darüber hinaus ein Steuersignal, ein sogenanntes erstes Schattensignal 51 abgegeben. Dieses Steuersignal ist ein Freigabesignal, das immer am Ende eines freigegebenen Bereiches auftritt und dessen Bedeutung noch erläutert wird.

Das so aufbereitete Bildsignal wird nun fortlaufend daraufhin untersucht, ob im enthaltenen Bildmuster ,Weißspalten enthalten sind. Dazu dient eine an die Zeilenverfolgungs-Schaltung ZV angeschlossene Segmentierungsschaltung SEG. Diese enthält zwei 16 Bib-Register ZSP i bzw. ZSP 2 als Zwischenspeicher des Bildsignals. In diesen beiden Schieberegistern werden 32 Zeilen des Abtastmusters, also der freigegebene auszuwertende Abtastbereich, bildlich gesprochen, disjunktiv übereinandergeschrieben. Auf diese Weise wird ein Schatten des Auswertebereiches gebildet. Dieser kann daraufhin untersucht werden, ob links und/oder rechts einer Schwarzinformation Weißelemente auftreten, die Weißspalten im Abtastmuster wiedergeben. Das zweite Schieberegister ZSP2 unterscheidet sich von dem ersten dadurch, daß die ihm von der Zeilenverfolgungs-Schaltung ZV zugeführte Information über ein UND-Glied verknüpft einmal direkt und ein zweitesmal um eine Spalte verzögert zugeführt wird. Dies entspricht einer zusätzlichen Verknüpfung zweier benachbarter Bildelemente, durch die eine schräg liegende Weißspalte aufzufinden ist. Das Ergebnis dieser vertikalen Segmentierung wird über einen Multiplexer MUX1 aus der Segmentierungsschaltung SEG ausgegeben. Dieser Multiplexer wird durch das von der Zeilenverfolgungs-Schaltung abgegebene Steuersignal, also das erste Schattensignal Sl, das ihm über ein um 16 Takte verzögerndes Verzögerungsglied zugeführt wird, gesteuert. Außerdem sind die Ausgänge der beiden Schieberegister ZSPi bzw. ZSP 2 über ein JJN D-Glied miteinander verknüpft, das damit ein bereinigtes Schattensignal 52 abgibt.

An den Multiplexerausgang dieser Segmentierungsschaltung SEG ist nun eine Segmentierungs-Auswerteschaltung SEGA angeschlossen. In dieser wird zunächst das seriell zugeführte Eingangssignal in einem ersten Serien-Parallel-Wandler SIPO 1 in ein paralleles Zeilensigna! umgewandelt, das einem Decodierer DEC

?,5 zugeführt wird. Dieser Decodierer gibt an seinem Ausgang zwei Segmentiermeldungen ZEL bzw. ZER an ein weiteres Schaltwerk SW2 ab. Die erste Segmentiermeldung ZEL kennzeichnet ein Zeichen, das links vom Abtastbereich steht, die zweite umgekehrt ein Zeichen rechts des Abtastbereichs. Diese dem zweiten Schaltwerk SW zugeführten Segmentiermeldungen werden abhängig von einem vom noch zu beschreibenden Mikroprozessorsystem abgegebenen Freigabesignal FR und dem Ausgangssignal eines Spaltenzählers SCTR als Segmentiersignai TRAP an das Mikroprozessorsystem abgegeben. Dieses Signal kann nur auftreten, wenn der Spaltenzähler SCTR maximalen Zählerstand hat. Die Zähibedingung für den Spaltenzähler wird ihm über ein Steuersignal RI für die Abtastrichtung von der Vergleicherschallung COMP der Bitmustervergleichsschaltung COR zugeführt. Dis Zählbedingung ist immer dann erfüllt, wenn eine Richtung von rechts nach links oder umgekehrt von der Bitmustervergleichsschaltung COR ausgegeben wird. Das bedeutet, daß sich das abgetastete Zeichen um eine Spalte verschoben hat. Durch das noch zu beschreibende Mikroprozessorsystem kann nun ein Bereich eingestellt werden, der für η * Spalten eine Segmentierfreigabe verhindert. Dazu besitzt dei Spaitenzähler SCTR einen nicht mehr dargestellten Ladeeingang, der an das Mikroprozessorsystem angeschlossen ist. Bei maximalem Zählerstand dieses Spaltenzählers erhält das zweite Schaltwerk SW2 ein Freigabesignal für das Segmentiersignai TRAP, mit dem das Mikroprozessorsystem die Meldung bekommt, daß ein komplettes Zeichen im Abtastfenster des Abtasters vorliegt. Dieses wird dann in das Mikroprozessorsystem übertragen.
Dazu dient eine Übertragungsschaltung DMA. Diese

enthält einen zweiten Multiplexer MUX 2, dem die Ausgangssignale der Segmentierungsschaltung SEG und das von der Zeilenverfolgungs-Schaltung ZV ausgegebene Bildsignal zugeführt werden. Auch dieser Multipleser wird durch das verzögerte erste Schattensignal S1 gesteuert und übergibt die Bilddaten seriell an einen weiteren, in beiden Richtungen betreibbaren Serien-Parallei-Wandler SIPO 2 mit einer Datenbreite _, von 8 Bit an seinen parallelen Ein- bzw. Ausgängen. Dieser Serien-Parallel-Wandler bildet die Eingangsschaltung für einen 8 Bit breiten Datenbus D-BUS des M ikroprozessorsystems.

Gesteuert wird dieser Serien-Parallel-Wandler mit Steuersignalen A W, die der Übertragungsschaltung, wie noch zu erläutern sein wird, vom Mikroprozessorsystem zugeführt werden. Der Serien-Parallel-Wandler SIPO2 besitzt darüber hinaus einen bitseriellen Ausgang, der an die Eingänge der beiden Register ZSP1 bzw. ZSP 2 der -Segmentierungsschaltung SEG angeschlossen ist. So können auch über den Datenbus D-BUS vom Mikroprozessorsystem übertragene Daten in den Zwischenspeicher eingegeben werden.

Diese Übertragungsschaltung DMA bildet nun den ■Eingang für die mit zwei Schatten übertragenen ^Bilddaten in das Mikroprozessorsystem. Dieses ist in Is F i g. 3 dargestellt. Sobald die Bilddaten, ausgelöst durch *" das Segmentiersignal TRAP, in den Arbeitsspeicher M-RAM des Prozessorsystems übertragen sind, kann gepuffert gearbeitet werden, d. h., der Abtastvorgang und die daran sich anschließende Aufbereitung des Bildsignals ist von der weiteren Aufbereitung und Auswertung des Bildsignals losgelöst, die nun noch zu erläuternden Arbeitsschritte laufen also zumindestens teilweise parallel zur Abtastung eines nächsten Musters.

Das in Fig.3 dargestellte Mikroprozessorsystem kann z. B. mit dem handelsüblichen Mikroprozessorsystem 8085 schaltungstechnisch realisiert werden. Im hier vorliegenden Anwendungsfall übernimmt es die Aufgabe der zweiten Teileinheit 4 der Aufbereitungseinheit mit deren zugeordnetem Speicher 4' gemäß Fig. 1. In ihm ist neben dem bereits erwähnten Arbeitsspeicher M-RAM ein Prozessor CPU und ein Mikroprogrammspeicher M-ROM an den Datenbus D-BUS angeschlossen. Daneben weist es einen 8 Bit-Zähler als Adressenzähler MCTi auf, der normalerweise als Adreßregister für den Arbeitsspeicher M-RAM verwendet wird. Bei einer Bilddatenübertragung gilt er als Adreßzähler, der vom Mikroprozessor CPU geladen werden kann. Der Mikroprozessor kann aber auch die im Adreßregister stehende Adresse abfragen.

Ein zweiter 8 Bit-Zähler MCT2 übernimmt in diesem Mikroprozessorsystem mehrere Funktionen und kann vom Mikroprozessor CPU geladen werden. Bei einer Bilddatenübertragung zählt er die Anzahl der zu übertragenden Bytes und beendet diese, sobald sein an eine der Übertragungsschaltung DMA zugeordnete Steuereinheit DMA' angeschlossener Zählerausgang ein Signal »1« führt. Mit diesem Signal wird dann die Bildübertragung beendet.

Bei der Zeilensegmentierung, die das Mikroprozessorsystem unterstützt, wird er als Konjuktion verwendet. Die Bilddaten werden in den Arbeitsspeicher M-RAM so eingeschrieben, daß ein Weißelement einem Zustand »1« entspricht. Ein Weiß-Byte kann dann an dem genannten Ausgang des Zählers abgefragt werden. Mit einem der Übertragungsschaltung zugeführten Auswahlsignale A W kann nun ein Weiß-Byte oder ein Schwarz-Byte abgefragt werden. Diese Bytes werden vom Arbeitsspeicher M-RAM zu dem zweiten Adressenzähler so lange übertragen, bis ein Zustandswechsel der Bytes eintritt. Der Mikroprozessor CPU ändert dann dieses Auswahlsignal A W.

Der zweite Adressenzähler MCT2 wird weiterhin als ein Ausgabetor PZ des Mikroprozessorsystem verwendet. Damit können von dem Mikroprozessor CPU Daten an eine Ausgabeschnittstelle AGS, z. B. Zeichenkennungen für ein erkanntes Zeichen, ausgegeben werden. Dies gilt aber auch für Werte für die Zeichenbreite und die Vorsegmentierung, die an entsprechende Register der beschriebenen Schaltungen ausgegeben warden können. Daneben können auch Daten für Prüfzwecke ausgegeben werden. Immer dann, wenn dieser zweite Adressenzähler MCT2 als Ausgabetor verwendet wird, werden vom Mikroprozessor CPU zugleich Steuersignale erzeugt und auf den Adressenbus A-BUS ausgegeben, die die Funktion des Zählers im jeweiligen Fall kennzeichnen.

Die Adressen für den Arbeitsspeicher M-RAM gibt der Prozessor CPU im Zeitmultiplex auf den Datenbus D-BUS zusammen mit einem entsprechenden Steuersignal ab. Dieses Steuersignal steuert die Übernahme der Adresse in das entsprechende Adressenregister, z. B. in den ersten Adressenzähler MCT1. Danach erst wird das Datenbyte auf dem Datenbus D-BUS übertragen, Steuersignal dafür ist ein Zyklussignal »Lesen« oder »Schreiben«.

Zwei weitere Tore des Mikroprozessorsystems sind in den Toren PX, P2 des Mikroprogrammspeichers M-ROM realisiert. Sie werden vom Mikroprozessor CPU angesteuert. Sie können als Eingangsport oder auch als Ausgangsport geschaltet werden, dabei wird allerdings das erste dieser beid-n Tore ausschließlich für die Eingabe der niedrigwertigen Bitstellen der noch zu erläuternden Klassifikatorwerte Uf in das Prozessorsystem benutzt.

Dieses Pi ozessorsystem hat die Aufgabe, das übertragene Bildsignal weiterzubearbeiten. Bis zum Abschluß dieser Bearbeitung kann nun keine Segmentiermeldung mehr angenommen werden. Dabei wird eine Bildberdnigung durchgeführt, bei der nicht zum Zeichen gehörende Bildinformation an den Rändern abgeschnitten wird, d.h. durch Weiß-Signale ersetzt wird. Neben dieser Bildbereinigung wird das in dem Arbeitsspeicher M-RAM stehende Bitmuster in beiden Achsen zentriert. Dazu muß zunächst der Mittelpunkt des Zeichens festgestellt werden und dieser Punkt dann in eine definierte Lage gebracht werden. Allerdings wird dies hier nicht etwa dadurch erreicht, daß das im Arbeitsspeicher stehende Bitmuster durch Auslesen und Wiedereinschreiben verschoben wird, vielmehr wird die Verschiebung durch eine Adressenmodifikation erreicht. Gleichzeitig wird anhand des Bitmusters die Größe des Zeichens gemessen und das Bitmuster immer dann nicht weiter ausgewertet, wenn es für ein wirkliches Zeichen eine zu geringe Ausdehnung besitzt. Ist das Bitmuster des übertragenen Bildsignals bereinigt und zentriert, dann ist die Vorverarbeitung des abgetasteten Zeichens abgeschlossen und die weitere Auswertung wird nun im wesentlichen der Erkennungseinheit 5 gemäß F i g. 1 zugewiesen. Die Klassifizierung des abgetasteten und aufbereiteten Zeichens wird mit einem an sich bekannten quadratischen Polynomklassifikator durchgefühi t. Die hierfür benötigten Schaltungen sind in F i g. 4 insoweit dargestellt als hier für die Zwecke eines Handlesegerätes dieses sonst bei Hochleistungsbeleglesern bekannte Klassifizierungs-

I verfahren in besonderer Weise schaltungstechnisch : realisiert ist.

i Die in F i g. 4 dargestellte Schaltungsanordnung stellt im Prinzip einen Satellitenrechner dar, der es ermöglicht, nun wiederum die Klassifizierung eines Zeichens parallel zu der Aufbereitung des nachfolgenden Zeichens vorzunehmen. Dies wird dadurch erreicht, daß dieser Satellitenrechner nach der ihm mitgeteilten Fertigmeldung des Mikroprozessorsystems dann die Übertragung des zu klassifizierenden Bitmusters aus den» Arbeitsspeicher M-RAM des Mikroprozessorsystems veranlaßt, sobald die Klassifizierung des vorherigen Zeichens abgeschlossen ist. Dieses Bitmuster wird dann über den Datenbus D-BUS in eine Verknüpfungseinheit VE übertragen. Diese besitzt einen Parallel-Se- rien-Wandler PISO, der zwischen dem Datenbus D-BLJS und einem Merkmalspeicher V-RAM angeordnet ist und von dem das zu klassifizierende Bitmuster seriell in letzteren übertragen wird. Das Bitmuster besitzt einen Umfang von 256 Bit, der Speicher mit wahlfreiem Zugriff weist eine Kapazität von 1024 Bit auf. Sobald das Bitmuster in diesen Speicher übertragen ist, wird die Bereitmeldung der Erkennungseinheit an das Mikroprozessorsystem und dessen Fertigmeldung zurückgesetzt. Das Mikroprozessorsystem ist dann in der Lage, das nächste Bildsignal aufzubereiten.

Neben der Verknüpfungseinheit VE besitzt die Erkennungseinheit einen Klassifikatorspeicher K-M. Zu diesem gehört ein Festwertspeicher PLS mit einer Kapazität von 2 K χ 8, der an sich Teil des Programm-Speichers des Mikroprozessorsystems ist. Weiterhin gehören dazu vier Teilspisicher KO1 bis KO 4 mit einer Kapazität von 4 K χ 8, die die Koeffizienten eines Klassifikators enthalten, wie noch zu erläutern sein wird.

In einem Rechenwerk R Wist an die Ausgänge dieser vier Teilspeicher KO1 bis KO 4 je ein Rechenwerksregister REGi, REG 2, REG 3 bzw. REG 4 angeschlossen. Deren Ausgänge sind gemeinsam über einen Klassifikatorbus K-BUS an den Eingang eines 12 Bit-Addierers ADD angeschlossen, der seinerseits mit einem 12 Bit-Akkumulator ACC verbunden ist. Am Ausgang dieses Akkumulators werden errechnete drWerte abgegeben und — wie aus F i g. 3 zu erkennen ist — dem Mikroprogrammspeicher M-ROM des Mikroprozessorsystems übergeben.

Um die Wirkungsweise dieser Erkennungseinheit zu erläutern, sei vorher noch kurz auf das an sich bekannte Klassifikationsverfahren mit einem quadratischen PoIynomklassifikator eingegangen. Bei diesen Klassifizierungsverfahren wird die Klassenzugehörigkeit eines Zeichenmusters durch eine berechnete Schätzungsfunktion ausgedrückt:

*-Σ

55

60

Dabei bedeutet

F = Zahl der Bedeutungsklassen,
a/r = Koeffizienten des Polynoms,
Xi — lineare Zeichenmerkmale bzw. quadratische Verknüpfungen,

d.h. &F den Koeffizientenvektor des zur Klasse F gehörenden Polynoms und χ den Eigenschaftsvektor, der aus den Merkmalen und quadratischen Verknüpfungen von Merkmalen gebildet ist.
Eines der wichtigsten Merkmale dieses Klassifikationsverfahrens in bezug auf seine Erkennungssicherheit besteht darin, den Polynomansatz hinsichtlich der linearen und quadratischen Glieder und hinsichtlich ihrer Zahl / zu optimieren. Der Übergang vom linearen zum quadratischen Klassifikator bedeutet hier eine erhebliche Leistungsverbesserung bei vermindertem Aufwand. Im vorliegenden Fall werden maximal /=768 Glieder gebildet. Maßgebend für die Erkennungssicherheit ist daneben auch die Art der Durchführung des Lernprozesses, bei dem in einer Regressionsanalyse die Koeffizientenvektoren ermittelt werden. Da dies an sich für unterschiedliche Schriftarten durchgeführt werden kann, sind solche nichtlinearen Klassifikationsverfahren an verschiedene Schriftarten anpaßbar. Im -vorliegenden Fall bedeutet dies, daß durch den Austausch des Inhalts des Klassifikatorspeichers K-M das Handlesegerät an eine gewünschte Schriftart anpaßbar ist.

Bezogen nun auf die 'r ^p ■" 4 dargesiellte Erkennungseinheit läuft der Auswertüi_<e>ovoigai^ ^V17""dermaßen ab: Das in dem Mikroprozessorsystem enaguiug aufbereitete und zentrierte Zeichen muster wird in den Merkmalspeicher V-RAM übertragen. Die Verknüpfungsanweisungen, d. h. die Angaben, welche Merkmale miteinander zu verknüpfen sind, sind in dt;·· Γ ■■■**>-speicher PLS des Klassifikatorspeichers K-M in Form von Merkmalspeicheradressen festgehalten. Die Ve; knüpfungsadressen bezieht der Merkmalspeicher V-RAM aus dem Festwertspeicher PLS des Klassifikatorspeichers K-M, der mit dem Adreßzähler V-CTR angesteuert wird. Die aus dem Merkmalspeicher gelesenen Merkmale werden über einen in der Verknüpfungseinheit VE nochmals angedeuteten, an sich jedoch im Mikroprozessorsystem angeordneten Serien-Parallel-Wandler SIPO diesem als 8 Bit-Wort wieder zugeführt. Dort wird die Merkmalverknüpfung durchgeführt. Diese ist immer dann »1«, wennder Inhalt der beiden zu einer Verknüpfung gehörerden Adressen »1« ist, sonst »0«. Die Adressen sind im Festwertspeicher PSL so angeordnet, daß das Mikroprozessorsystem die ersten 8 Merkmale mit den zweiten 8 Merkmalen byteweise konjunktiv verknüpft. Die Verknüpfungsergebnisse werden byteweise über den Datenbus D-BUS der Verknüpfungseinheit VE zugeführt und über den Parallel-Serien-Wandler PISO byteweise wieder in den !vterkrnalspeicher V-RAM übertragen.

Mit diesen vorab gebildeten und abgespeicherten Verknüpfungen werden die (//.-Werte der einzelnen Zeichenklassen für ein Zeichen nacheinanderberechnet. Die Koeffizienten a,p des Klassifikators sind in den Teilspeichern KO1 bis KO 4 so untergebracht, daß sich der erste Koeffizient der ersten Zeichenklasse im ersten Teilspeicher, de' zweite im zweiten und so weiter und der fünfte dann wieder im ersten Teilspeicher befindet. Insgesamt hat jede Zeichenklasse vorzugsweise 512 Koeffizienten. Diese Anordnung der Koeffizienten in den Teilspeichern KOi bis KO4 ermöglicht es, die Gfc-Werte der einzelnen Zeichenklasser in je einem Rechenschritt nacheinander zu berechnen

Jeweils vier Koeffizienten werden in die Rechenwerksregister REGi bis REG 4 parallel übernommen. Diese vier Register werden von dem Adreßzähler V-CTR, der auch die Teiispeicher KOt bis KO 4 adressiert, so angesteuert, daß Tri-StateAusgänge der einzelnen Register nacheinander durchgeschaltet werden. Damit liegen die Koeffizienten auf dem Klassifikatorbus K-BUS nacheinander an der eigentlichen Rcchenschaltung, bestehend aus dem Addierer ADD und dem Akkumulator ACC an. Die dazugehörigen

Verknüpfungen werden gleichzeitig aus dem Merkmalspeicher V-RAM ausgelesen und dem Akkumulator A CC zugeführt. Nur wenn die zugehörige Verknüpfung »1<< ist, wird der en'sprechende Koeffizient im Akkumulator ACC addiert. Ist der c/pW^rt einer Zeichenklasse fertig berechnet, so wird er aus dem Akkumulator A CC gelesen und dem Mikrocomputersystem wieder zugeführt.

Wenn der letzte cfr-Wert berechnet ist, steht auch die Z;ichenklasse des jeweiligen Zeichens fest. Um festzustellen, ob das Zeichen auch sicher genug erkannt worden ist. wird mit Hilfe des maximalen Jp-Wertes

und der Summe aller ^Quadrat-Werte ein sogenannter Radius-Quadrat-Wert RAEP berechnet. Diese Berechnung kann zwischenzeitlich im Mikroprozessor-System erfolgen, da dieses an der Beiechnung der df-Werte nicht beteiligt ist. Abhängig von der Größe des Radius-Quadrat-Wertes RAD² wird eine Rückweisung oder eine Zeichenerkennung — wie beschrieben — an die Ausgabeschnittstelle AGS ausgegeben. Damit ist die Zeichenerkennung endgültig

ίο beendet und die Aufbereitung für das nächste Zeichen kann beginnen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Xt !

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Optisches Handissegerät für die maschinelle Zeichenerkennung mil einer manuell längs einer Druckzeile über einen abzutastenden Datenträger bewegbaren Abtasteinheit, die eine Lichtquelle zum Beleuchten des Datenträgers und ein aus einer Fotodiodenmatrix mit mindestens 1024 Elementen bestehendes Sensorfeld zum Abtasten von in einem Abtastfenster auftretenden Abtastmustern aufweist, sowie mit einer Schaltung zur Umwandlung des jeweiligen Abtastmusters in eine digitale Bildsignalfolge, ferner mit einer aus einer Zeilenverfolgungsschaltung und einer Zeichensegmentierungsschaltung bestehenden, mikroprozessorgesteuerten Aufbereitungseinheit sowie mit einer ebenfalls mikroprozessorgesteuerten Erkennungseinheit, die als quadratischer Polynomklassifikator ausgebildet ist, und die für jedes aufbereitete Abtastmuster söge-■',nannte Schätzwerte errechnet, dadurch ge- W k e η η ζ e i c h η e t, daß die Aufbereitungseinheit ,.'.'aus zwei in Serie geschalteten und nach dem ' ■< Fließbandprinzip parallel arbeitenden Teileinheiten besteht, daß die erste Teileinheit eine Bitmustervergleichsschaltung (COR) zum Ausgleich von Fotodioden-Toleranzen enthält, die einen ersten Bildspeicher (RAM 1) für ein Abtastmuster zum Zwischenspeichern eines aktuellen Bildsignals, einen zweiten ' Bildspeicher (RAM 2) zum Zwischenspeichern eines Vergleichssignals und eine beiden Bildspeichern zugeordnete Vergleicherschaltung (COMP) aufiweist, daß die Vergleicherschaltung ein Schaltwerk !(5IV1) in der Weise steuert, daß einander entsprechende Bildsignalelemente disjunktiv miteinander verknüpft und in den zweiten Bildspeicher (RAM 2) ,zurückgeschrieben bzw. in die an den Ausgang der Bitmustervergleichsschaltung (COR) angeschlossene ZeiL-nverfolgungs-Schaltung (ZV) übertragen werden, daß in der Zeilenverfolgungsschaltung (ZV) ein programmierbarer Festwertspeicher (PROM) vorgesehen ist, der die Übertragung der Ausgangssignale der Bitmustervergleichsschaltung (COR) in Abhängigkeit von Steuersignalen eines die zweite iTeiieinheit bildenden Mikroprozessorsystems innerhalb eines verringerten vertikalen Abtastbereichs steuert, wobei das Mikroprozessorsystem sowohl eine Umwandlung von nicht zum Zeichen gehörenden Bildanteilen in Weiß-Signale als auch eine vertikale Zentrierung des so bereinigten Bitmusters in der Weise durchführt, daß die dem Bitinuster zugeordneten, in einem Adreßregister (ADR) des Festwertspeichers (PROM) bereitgestellten Adressen entsprechend der jeweiligen Lage des Zeichens .zu seiner Zentrierachse modifiziert werden, daß an fdie Zeilenverfolgungs-Schaltung (ZV) eine Segmentierungsschaltung (SEC) angeschlossen ist, die einen Zwischenspeicher mit zwei, je eine Bildmusterzeiie speichernden Schieberegistern (ZSPl, ZSP2) aufweist, daß am Ausgang des ersten Schieberegisters 'K(ZSPi) durch disjunktives Überschreiben des im Register zyklisch umlaufenden Inhalts mit dem am Registereingang zugeiuhrten Bitmuster der nächstfolgenden Bildmusterzeile ein erstes Schattensignal gebildet wird, daß am Eingang des zweiten (>■> Schieberegisters (ZSP 2) ein konjunktiv verknüpftes Bildsignal, gebildet aus dem direkten Bildsignal und dem um eine Bildmusterspalte zeitlich verzögerten

   Bildsignal, zugeführt wird, daß durch disjunktives Überschreiben des im zweiten Schieberegister (ZSP) zyklisch umlaufenden Inhalts mit dem verknüpften Bildsignal ein zweites Schattensignal gebildet wird, daß durch eine UND-Verknüpfung des ersten und zweiten Schattensignals ein bereinigtes Schattensignal entsteht und daß dieses bereinigte Schpttensignal, das erste und zweite Schattensignal und da.; bereinigte Bildsignal über einen Multiplexer (MUX 2) und einen bidirektionalen in beiden Richtungen betreibbaren Serien-Parallel-Wandler (S1PG2) in den Arbeitsspeicher (MRAM) des Mikroprozessorsystems übertragen wird, das einerseits als zweite Teileinheil der Aufbereitungseinheit eine endgültige Segmentierung und Achsenzentrierung des jeweils einem Zeichen zugeordneten Bildsignals sowie eine Ausscheidung zeichenfremder Bestandteile aus diesem Bildsignal bewirkt und andererseits anhand Jer in der Erkennungseinheit ermittelten Schätzwerte eine endgültige Zeichenklassifizierung durchführt und das jeweils klassifizierte Zeichen an eine Ausgabeschnittstelle (AGS) ^überträgt.

   l_t 2. Optisches Handlesegeräi nach Anspruch 1, »dadurch gekennzeichnet, daß die als Satellitenrechher ausgebildete Erkennungseinheit über einen Adressen- und einen Datenbus (A-BUS bzw. D-BUS) an das Mikroprozessor-System angeschlossen ist und einen Klassifikatorspeicher (K-M) »aufweist, in dem als Festwertspeicher (PSL) für zu verknüpfende Merkmaladressen ein Teil des Mikroprogrammspeichers des Mikroprozessor-Systems verwendet wird und der darüber hinaus vier, als Festwertspeicher ausgebildete und Klassifikatorkoeffizienten (a,F) aufnehmende Teilspeicher (KO 1 bis KO 4) besitzt, daß an Datenausgänge des Festwertspeichers (PSL) für die Merkmaladressen eine Verknüpfungseinheit (VE) mit einem Merkmalspeicher (V-RAM) angeschlossen ist, in dem das auszuwertende Bitmuster des Bildsignals mit seinen Merkmalen zur Ausgabe an das Mikroprozessor-System und im Mikroprozessor-System errechnete Ergebnisse von Verknüpfungen dieser Merkmale als Eigenschaften (x) wieder speicherbar sind und daß an die Teilspeicher ein Rechenwerk (RW) angeschlossen ist, in dem die Klassenschätzwerte (df) aus den Klassenkoeffizienten (a,r) und den Eigenschaften (x) selbständig mit einer Addierschaltung, bestehend aus einem Addierer (ADD) und einem Akkumulator (ACC), errechnet werden.

   3. Optisches Handlesegerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Adressieren des Festwertspeichers (PSL) mit den Merkmaladressen ein Adreßzähler (V-CTR) vorgesehen ist, mit dem auch die Teilspeicher (KOi bis KO 4) mit den Klassifikatorkoeffizienten (a,t) adressiert werden und daß der Ausgang des bitorientierten Merkmalspeichers (V-RAM) über einen Serien-Paraüel-Wandler (SIPO), sein Eingang dagegen über einen Parallel-Serien-Wandler (PISO) an den ein Datenbyte parallel übertragenden Datenbus (D-BUS) des Mikroprozessor-Systems angeschlossen ist.

   4. Optisches Handlesegerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Adressen im Festwertspeicher (PSL) für Merkmaladressen so abgespeichert sind, daß dem Mikroprozessor-System jeweils acht Merkmale als Datenbytes zuführbar sind, die jeweils mit den acht Merkmalen im

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   nachfolgenden Datenbyte byteweise konjuktiv verknüpf; und byteweise wieder zurückübertragen werden.

   5. Optisches Handlesegerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Klassifikatorkoeffizienten (a,r) in den Teilsi.eichern (KO 1 bis KO 4) zyklisch verschränkt abgespeichert sind und mit den Ausgängen jedes der Teilspeicher ein Rechenwerksregister (REGi bis REG 4) eis Zwischenregister irn Rechenwerk (P.W) verbunden ist, die mit taktgesteuerten Tri-State-Ausgängen gemeinsam an einen Klassifikätorbus (K-BUS) angeschlossen sind, so daß je vier Klassifikatorkoeffizienten parallel auslesbar sind und seriell an der Rechenschaltung (ADD, ACC) des Rechenwerks anliegen.

   6. Optisches Handlesegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die erste Aufbereitungseinheit (3, 3') mit der Bildmustervergleichsschaltung (COR), der Zeilenverfolgungs-Schaltung (ZV) und der Segmentierschaltung (SEG) über eine Übertragungsschaltung (DMA) mit einem Multiplexer (MLJX2) und dem Serien-Paraliel-Wandler (SIPO 2) das Mikroprozessor-System als zweite Aufbereitungseinheit angeschlossen ist, deren Arbeitsspeicher (M-RAM) nach einem Segmentierungssignal (TRAP) der ersten Aufbereitungseinheit das aufbereitete Bildsignal mit den Begleitsignalen übernimmt und das ohne Lageverschiebung erhalten bleibt, indem die Zentrierung des gespeicherten Bitmusters nach seinem Mittelpunkt und bezüglich seiner Achsen als eine Adreßmodifikation des Arbeitsspeichers durchgeführt wird.