Устройство для считывания и опознавания изображений

Союз Советских Социалистических РеспубликЗависимое от авт. свидетельстваЗаявлено 04.Н.1970 (М 1446848/18-24)с присоединением заявкиПриоритетОпубликовано 26.1.1973. Бюллетень МДата опубликования описания 3.1 Ъ.1973 М. Кл. 6061 с 9/00 Номитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССРУДК 621,391,19(088.8) Авторыизобретения арыков В. П. Романов, О. Л. Федорец, Э, А. Денисенко, И, Н.и В. А, Собольборатория электромоделирования Всесоюзного институи технической информации АН СССР аучной Заявитель СЧИТЫВАНИЯИЗОБРАЖЕН И Й ОЗНАВАНИЯ СТРОЙСТВО Изобретение относится к счетно-вычислительной технике. Устройство предназначено в основном для автоматического чтения информации в области химии, т. е. рукописных текстов, наносимых в соответствии с определенными ограничениями, и структурных формул химических соединений, изображаемых на специальном бланке.Известны устройства для считывания и опознавания изображений, содержащие блок электронно-оптического считывания, блок анализа и блок согласования в ЭВМ, связанных между собой электрически.Эти устройства читают с листа бумаги машинописные буквы и цифры, используя для распознавания знаков метод фрагментов. Однако они обеспечивают распознавание небольшого количества знаков при стандартном их написании (шрифт пишущих машинок одного типа).Метод фрагментов не может обеспечить высокой надежности распознавания знаков.Известен также блок ввода изображений с кинопленки в цифровую вычислительную машину, определяющий положение луча на поле кадра, Этот блок вводит изображение в вычислительную машину и указывает положение на поле отдельных частей изображения благодаря применения узла отсчета координат с использованием оптики. Цель изобретения - упрощение устройства,сокращение объема памяти и ускорение ввода в ЭВМ сложных изображений, распознавание печатных и рукописных знаков, а также5 измерение и запись в ЭВМ координат объектов. Достигается она тем, что в предлагаемоеустройство введены последовательно соединенные блок выделения структурных признакови блок составления кодовых описаний, причем10 входы блока выделения структурных признаков соединены с соответствующими выходамиблока динамического хранения изображения,выход блока составления кодовых описанийподключен ко входу блока согласования, а со 15 ответствующие входы - к выходам узла отсчета координат,Блок выделения структурных признаковсостоит из набора анизотропных фильтров,выходы которых соединены с соответствующи 20 ми входами схем совпадений.Блок составления кодовых описаний содержит коммутатор, счетчики, схему сравнения,оперативное запоминающее устройство дляэталонов структурных описаний знаков и схе 25 му деления знака на зоны, причем входы коммутатора подключены ко входам блока, выходы - через счетчики к одной группе входовсхемы сравнения, к другой группе входов которой подсоединены выходы оперативного за 30 поминающего устройства, а выход схемы деления знака на зоны соединен с управляющим входом коммутатора.На фиг, 1 показана функциональная схема устройства для считывания и опознавания изображений; на фиг. 2 - блок-схема блока выделения структурных признаков; на фиг. 3 - блок-схема блока составления кодовых описаний; на фиг. 4 - организация Е-системы,Устройство содержит; узел расцепления светового потока 1; узел 2 фиксации и перемещения микрофильма; узел сканирования и управления считыванием 3, узел формирования видеосигнала 4, узел отсчета координат луча 5, узел обратной связи по яркости б, блок динамического хранения изображения 7, блок выделения структурных признаков 8, блок составления кодовых описаний 9, блок согласования 10, электроннолучевую трубку 11, объектив 12, светоделительные призмы 13 - 15, реперные решетки 1 б и 17, конденсоры 18 - 21, фотоэлектронные умножители 22 - 25, видеоусилитель 2 б, квантователь 27, усилители-формирователи 28 и 29, счетчики положения луча 30 - 31, анизотропные фильтры 32, схему деления знака на зоны 33, пороговые счетчики 34 - 37, коммутатор 38, схему сравнения 39, оперативное запоминающее устройство 40, схемы совпадения 41.Узел сканирования и управления считыванием 3 с питанием служит для организации растра на экране электронно-лучевой трубки 11, которая создает точечный источник света, последовательно сканирующий всю площадь изображения.Узел расщепления светового потока 1 передает изображение с экрана электронно-лучевой трубки 11 на поверхность микрофильма с уменьшением. Кроме того, он расщепляет световой поток от трубки на четыре составляющих: основной поток, формирующий видеосигнал и несущий информацию о степени зачерненности участка изображения, два потока для измерения координат луча Х и У и один поток для обратной связи по яркости и компенсации неравномерности свечения экрана трубки, Узел расщепления светового потока состоит из объектива 12, трех светоделительных призы-кубов для расщепления луча, реперпых решеток 1 б и 17 для отсчета положения луча в каждый момент времени и конденсоров 18 - 2(, стоящих перед каждым из четырех фотоэлектронных умножителей 22 - 25, Узел 2 фиксации и перемещения микрофильма служит для транспортировки 35-миллиметрового кинофильма. Смена кадров происходит по специальному сигналу окончания чтения и записи в электронно-вычислительной машине.Узел формирования видеосигнала 4 состоит из фотоэлектронного умножителя (ФЗУ) 22, видеоусилителя 2 б и квантизатора видеосигнала 27. Узел отсчета координат луча 5 состоит из ФЗУ 24 и 25, усилителей-формирователей 28 и 29 и счетчиков 30 и 31 положения луча по каждой из координат Х и У.Логическая и анализирующая часть устрой 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 ства включает регистр динамического хранения изображения 7, блок выделения структур. ных признаков 8 и блок составления кодовых описаний 9.Для формирования структурных признаков различных типов служит радиально-концентрическая система анизотропных фильтров 32 блока выделения структурных признаков 8, которую мы будем называть Е-системой. С квантователя 27 сигнал поступает на вход блока динамического хранения изображения 7, выполненного в виде двумерного регистра на триггерах. Их выходы соединены со входами анизотропных фильтров 32.Каждый анизотропный фильтр состоит из четырех наборов весовых сопротивлений, коррелирующих наилучшим образом с одним из четырех направлений, и схемы выбора максимума. Он работает как классификатор, который относит каждую точку изображения к одному из четырех направлений, угол между которыми равен - ". Таким образом он ыде 4ляет горизонтальные, вертикальные и наклонные элементы изображений. Путем обьединения (фиг. 2) при помощи схем совпадения 41 различных комбинаций фильтров Е-системы формируются структурные элементы различных типов, Фактически Е-система позволяет получить узлы всех типов и любые отрезки дуг постоянной кривизны.Описание объекта, сформированное в виде комбинаций структурных элементов различных типов, может быть опознано устройством. Каждому такому объекту присвоен 8-разрядный код. В момент обнаружения изображения в зависимости от режима работы устройства на ЭВМ 42 может выдаваться либо только код объекта (в режиме автоматического чтения текста) либо одновременно код объекта и его координаты. Устройство может работать в двух режимах: как обычный читающий ав 1 омат и как устройство для считывания изображений. В режиме автоматического чтения выдаются последовательно коды опознаваемых знаков. В режиме считывания происходят построчное считывание изображений и классификация считываемых участков, т. е. присвоение определенных кодов характерным элементам изображения и выдача значений координат этих объектов.Рассмотрим работу устройства в режиме автоматического чтения текста.Микрофильм, каждый код которого содержит либо текст, либо изображение, устанавливают в узел фиксации и перемещения 2, а кадр, содержащий текст, устанавливают против узла расщепления светового потока 1.Документ фотографируют на пленку с уменьшением, и все размеры на кадре соответственно уменьшаются по сравнению с размерами документа, В начале и в конце каждой строки документа имеются маркеры, которые выравнивают строки развертки по отношению к строке текста на кадре независимоот перекоса документа относительно кадра.Центровка положения развертки происходит путем измерения координат центров обоих маркеров, определения перекоса одного маркера относительно другого (что соответствует перекосу строки), определения числа, места и величины коррекции, которую необходимо ввести в строку развертки. в зависимости от требуемой точности считывания и величины перекоса.При считывании текста важно обеспечить равномерность шага развертки по обеим осям, так как в протигцтом случае возможны нелинейные деформации изображения или, в результате сжатття шага при изменении питающих напряжений, - выпадение части строки текста из пределов считываемой полосы на экране электронно-лучевой трубки. Дело в том, что вследствие флуктуацитт питающих наттряжений отклонлющее напряжение может значительно изменяться, и фактическое положение луча может отличаться от заданного числами, хранящимися в счетчиках положения луча по координатам Х и У блока 3 сканирования и управления считыванием. Если не ввести обратной связи по положению луча, ошибка может накапливатьсл по мере перемещения луча по экрану электронно-лучевой трубки. Длл борьбы с этим явлением служит система расщепления светового потока. Основной луц от светящегося пятна ЭЛТ проходит через объектив 12, светоделительные призмыкубьт 18 - 1 б, пленку, конденсор 21, попадает в ФЭУ 22 узла видеосигнала 4 и формирует видеосигнал, ппопорциональцый оптической плотности в каждой точке кадра. Луч расщепляется на четыре части: помимо основного потока, два служат для измерения координат светового пятна Х и У, один - для обратной связи по яркости. На протяжении некоторого периода развертки запоминается средний уровень яркости и, если яркость свечения люминофора в данной точке отклоняется от среднего уровня, на управляющий электпод трубки 11 подаетсл напряжение обратной связи, изменяющее ток луча, а следовательно, и яркость свечения данной площадки экрана трубки, приближал ее к спеднему мровню.Точное измерение фактических координатлуча на плентте в данный момент ппоисходит при помощи реперных решеток 1 б, 17 при прохождении через ьптх части светового потока от ЭЛТ, ответвленного светоделительными призмамтт-кубами 18, 1 б.Рассмотрим работу системы измерения координат.После занесения начальных координат Х иУо в счетчик, управляющий положениет .чуча, начинается первая строка развертки. По мере движения лчча по экрану ЭЛТ 11 часть светового потока. ответвленная призхтатттт-кубами 18, 1 б, через пеперньте решетки 1 б и 17 и конденсорьт 20, 18 воздействует на ФЭУ, формируя видеоимпульсы, повторяющие чередование темных и светл:-тх полос на реперных 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 решетках. Видеоимпульсы поступают на усилители-формирователи 28, 29 и далее на счетчики 30, И, которые определяют истинные координаты луча,Видеоимпульсы, возцикающце при движении луча по решетке в пределах одной строки развертки, используются для стробпровацця сигнала с видеоусплцтеля 2 б основного канала, пропорционального оптической плотности микрофильма, в квацтователе 27. Ицьтмц словами, отсчеты изображения берутся тогча, огда луч пересекает черные полосы реперных решеток. Благодаря этому обеспечивается равномерность шага развертки.Строки документа считываются последовательно одна за другой, причем каждый раз происходит корректцровта по обоим маркерам. После считывания последней строки блок уппавлеттттл счцтьтвагттем выдаст сигнал в .зел фиксации ц перемещения микрофильма, по которому устанавливается следующий качр. Видеосигнал с ФЭУ 22 основного канала поступает на вичеоусилителт 2 б, гче квантуется по двум уровням. Сигнал, квантоваццый по уровню, поступает в квантователь 27, в котором преобразуетсл в ццФровой код и поступает на входной триггер счвпгового регистра блока динамического храненттл изображения,Сдвиговый регистр содепжттт ЛтМ запоминающих элементов, гче ттт - число дискретных точек в очной строке пазвертки, а М - максимальная ширина объекта, выраженная в элементах растпа, Регистр служит фактически для того, чтобы получить изгбраженце сигнала в паралчельнот вттче в форме двлтерттого полл электрических сигцалов. Необхочтттость в пегистре обусловливаетсл тем, что цзображеттие считываетсл после.товательно точка за точкой, а для пространственной фильтрации ттзображения необхочимо ттметь возможность одновременно с 5 ммировать сигналт,т от различных его участков.Признаки обнаружттваются при помощи анцзотропньтх фильтпов 32, образуютцих Е-сцстеттту, которая позволяет выделять топологцчесттие особенности изображений различных типов, а также чуги окружности в качестве самостоятельных ппизнаков, 1 аждый Фильтр содержит четыре набора весовых сопротивлений п схему выбопа максимума. Каждьттт набор весовых сопротивлений наилучшим образом коррелттрован с одним цз четырех направлений. Входы весовых соппотивленийт подключены к регистру блока динамического храненил изображения, храттяшему изображение, такцхт образом, что образуют окно пазмером 7 Х 7 элементов изображения. В завттсцмосттт от наппавленностц изображения в данно.т месте сумма сигналов очного цз наборов весовых сопротив.ченцй б дет наибочьшей. Дпугтттттт Гловами Фцчьтп состояшцтт цз весовыт спппо тттвчентттт, схемы выбора тятсттмтма тт регист. па блока динаттттческого хпанснцл ттзображе. нця, определяет ориентацию в центральной точке участка изображения, заключенного в45 50 55 60 65 пределах окна из 7)(7 элементов. При движении изображения по сдвиговому регистру центр окна последовательно совмещается с каждой точкой изображения, и таким образом каждой точке присваивается определенное направление.Е-система представляет собой совокупность анизотропных фильтров, расположенных на концентрических окружностях с равными интервалами в л/4 или л/8, как показано на фиг. 4.Благодаря тому, что имеется возможность определять одновременно направленность элементов изображения в различных его точках, Е-система позволяет выделять не только элементы различных направлений, но также концевые, узловые точки и дуги, измеряя одновременно кривизну, ориентацию и длину дуги, Так, например, объединяя при помощи схемы И выходы фильтров 1, 111 и У (фиг. 4), реагирующие соответственно на напряжения О, + - , -- , можно выделить узел вида , - . Объединив выходы фильтров 11, 1 У, УП с наДправлениями + - , О и --соответственно,4 4можно получить в результате выделения узел вида - (,Е-система позволяет обнаружить на изображении полную систему признаков, состоящих из отрезков прямых, узлов различной кратности и дуг различной кривизны, Эта система признаков дает возможность распознавать как типографские, так и рукописные знаки, а также анализировать и раскладывать на компоненты более сложные штриховые изображения.По мере движения изображения по регистру блока динамического хранения изображения центральный анизотропный фильтр 32 Е-системы обнаруживает ориентированные линии, концы и точки разветвлений, а фильтры, связанные с ним, обнаруживают узлы и дуги. Координатная Е-система обнаруживает структурный элемент как сочетание определенных направлений и в то же время проверяет наличие фактической связи между объединяемыми элементами изображения.Признаки букв, выделяемые при помощи Е-системы, служат для опознавания, Предполагается, что между буквами имеется зазор достаточной величины, чтобы можно было определить начало и конец каждого знака, Каждый знак обрабатывается два раза, причем вначале производится определение размеров знака, а затем анализ, Изображение знака считывается и поступает в регистр блока динамического хранения изображения, где измеряются его высота и ширина.Для данного ансамбля знаков выбирается К различных типов признаков, к числу которых могут относиться ориентированные концы, ориентированные линии, узлы различной кратности и ориентации и дуги, фиксируетая на 5 10 15 го 25 30 35 40 личие признака данного типа у знака и его местонахождение.Местонахождение признака фиксируется путем разделения поля растра на Ь зон, которое осуществляется схемой деления на зоны 33 (фиг. 3), Наличие признака в зоне определяется с помощью пороговых счетчиков 34 - 37, которые фиксируют наличие признака только в том случае, если количество сигналов, соответствующих данному признаку, в данной зоне превышает некоторый порог, Сигналы с Е-системы на соответствующие счетчики распределяются коммутатором 33, работой которого управляет схема деления знака на зоны,Таким образом, после анализа изображения на выходах счетчиков 34 - 37 получается Кр,1.-разрядное описание этого изображения. Это описание сравнивается на схеме сравнения 39 с эталонными описаниями знаков в оперативном заполняющем устройстве 40 блока составления кодовых описаний 9.В результате сравнения выдается код знака, с которым максимально совпал считываемый знак.После того как знак распознан, его код через блок 10 согласования с ЭВМ записывается в память электронно-вычислительной машины.Рассмотрим работу устройства в режиме считывания изображений.Для записи структурных формул используют документы специального вида. На бланках нанесены краской, не проявляющейся на фотопленке при съемке с определенным светофильтром, клетки и их центры, Структурные формулы и другие изображения рисуют таким образом, чтобы точки разветвления контура совпали с центром клетки, а все эле. менты, такие, как знаки и буквы, поместились в пределах одной клетки. Благодаря тому, что каждой ячейке кадра последовательно и обязательно соответствует какой-нибудь код, нет необходимости выдавать координаты объекта, последовательность их обусловлена заранее, Координаты объектов можно измерить в режиме, когда изображение также считывается полосами, но положение объекта в пределах полосы может быть произвольным, В момент обнаружения объекта из заданного списка в памяти автомата мгновенно отсчитываются его координаты. Эти значения через блок согласования с ЭВМ одновременно с кодом объекта записываются в память электронно-вычислительной машины. Вместо точного адреса объекта может выдаваться адрес клеточки, в которой он обнаружен.Таким образом, устройство считывает изображение по частям, анализирует его, выделяет на изображении структурные элементы, составляет описание объекта и сравнивает его с эталонными описаниями, определяет их координаты и записывает в ЭВМ номер объекта и его координаты.1. Устройство для считывания и опознавания изображений, содержащее оптически связанные узел расщепления светового потока, узел фиксации и перемещения микрофильма, узел формирования видеосигнала, узел сканирования и управления считыванием, выход которого соединен со входом узла фиксации и перемещения микрофильма, а входы - с выходами узла отсчета координат н узла обратной связи по яркости, оптически связанных с узлом расщепления светового потока, и блок динамического хранения изображения, отличаюи 1 ееся тем, что, с целью упрощения устройства и ускорения ввода в ЭВМ сложных изображений, распознавания печатных и рукописных знаков, а также измерения и записи в ЭВМ координат объектов, в устройство введены последовательно соединенные блок выделения структурных признаков и блок составления кодовых описаний, причем входы блока выделения структурных признаков соединены с соответствующими выходами блока динамического хранения изображения, выход блокасоставления кодовых описаний подключен ковходу блока согласования, а соответствующие5 входы его - к выходам узла отсчета координат.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем,что в нем блок выделения структурных признаков состоит нз набора анпзотропных филь 10 тров, выходы которых соединены с соответствующими входами схем совпадений.3. Устройство по п, 1, огличаюи 1 ееся тем,что в нем блок составления кодовых описанийсодержит коммутатор, счетчики, схему сравне 15 ния, оперативное запоминающее устройство нсхему деления знака на зоны, причем входыкоммутатора подключены ко входам блока,выходы - через счетчики к одной группе входов схемы сравнения, к другой группе входов20 которой подсое;пн ны вы;оды очер .тнвногозапоминающего устройства, а выход схемыделення знака на зоны соединен с управляющим входом коммутатора,,l ОгСоставитель В, Кудрявцев актор Б, федотов Техред Т, Курилко Корректоры: И. Божки Н, Прокуратоваказ 728/13 Изд.175 Тираж 647 Подписное ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5пография, пр. Сапунова,