CC BY
9
УДК 621.374
МЕРЫ ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ КОМПЬЮТЕРОМ ДОРОЖНЫХ
И ПЕЧАТНЫХ ЗНАКОВ РАЗНЫХ ШРИФТОВ С ОПРЕДЕЛЕННЫМИ ДЕФЕКТАМИ ИЗОБРАЖЕНИЙ ЗНАКОВ
Э. М. Пинт, И. Н. Петровнина, И. И. Романенко, К. А. Еличев
MEASURES FOR RECOGNITION BY COMRUTER OF ROAD
AND PRINTED CHARACTERS OF DIFFERENT FONTS WITH DEFINITE DEFECTS OF PICTURES OF CHARACTERS
E. M. Pint, I. N. Petrovnina, 1.1. Romanenko, K. A. Elichev
Аннотация. Актуальность и цели. Существующие в настоящее время читающие устройства ориентированы на распознание только определенных или стилизованных печатных знаков. Цель настоящей работы заключается в разработке читающего устройства, способного с высокой степенью надежности и с высоким быстродействием распознавать дорожные и печатные знаки разных шрифтов, имеющие определенные дефекты печати. Материалы и методы. Для экспериментов была разработана фотоэлектронная система восприятия знаков с носителя информации, с помощью которой изображения знаков построчно преобразовывались в прямоугольные импульсы, поступающие в определенном порядке в запоминающее устройство компьютера. Для компьютера, распознающего знаки, была разработана программа, реализующая оригинальный метод распознавания знаков. Суть метода состоит в том, что компьютер, начиная с определенной концевой точки, обходит знак по определенным направлениям, соответствующим контуру знака. Образуется кодовая запись знака в виде номеров определенных направлений в порядке обхода по контуру. При этом ликвидируются возможные дефекты изображений знаков, знак масштабно преобразуется. Происходит идентификация типа знака. Результаты. В процессе проведения экспериментов определялось оптимальное количество ячеек запоминающего устройства компьютера, запоминающих изображение знака, оценивалась надежность распознавания знаков и принимались меры к ее увеличению. Разработана программа по самообучению компьютера для распознавания какого-либо незнакомого, не используемого во время тестирования печатного шрифта. Выводы. Разработано читающее устройство дорожных и печатных знаков с наличием разных дефектов изображения. Было установлено, какие ограничения накладывает разработанное читающее устройство на распознаваемость знаков.
Ключевые слова: программа, направление, дорожный и печатный знаки, оператор, матрица.
Abstract. Background. The reading devices existing now are focused on recognition only of the defined or stylized printed characters. The purpose of the real work consists in development of the reading device capable with high degree of reliability and with high speed to distinguish the road and printed characters of different fonts having certain defects of the press. Materials and methods. The photoelectronic system of perception of signs from a data carrier by means of which the image of signs were line by line transformed to the rectangular impulses coming in a certain order to a computer memory was developed for experiments. The program realizing an original method of recognition of signs was developed for the computer distinguishing signs. The essence of a method consists that the
computer, since a certain trailer point, bypasses a sign in the certain directions corresponding to a sign contour. Code record of a sign in the form of numbers of certain directions as round on a contour is formed. Thus, possible defects of images of signs are liquidated, the sign will on a substantial scale be transformed. There is an identification like a sign. Results. In the course of carrying out experiments the optimum quantity of the cells of a memory of the computer which are memorable the image of a sign was defined, were estimated reliability of recognition of signs and measures to its increase were taken. The program for self-training of the computer for recognition of any unfamiliar, not used during testing printing font is developed. Conclusions. The reading device of road and printed characters with existence of different defects of the image is developed. It was established what restrictions imposes the developed reading device on recognizability of signs.
Key words: program, direction, road and printed characters, operator, matrix.
Введение
До настоящего времени создание читающего устройства, способного с высокой степенью надежности и быстродействием распознавать дорожные и печатные знаки разных шрифтов и другие символы, является актуальной задачей.
Такое устройство может быть использовано для автоматического управления современными автомобилями, для обработки статистической печатной информации на различных предприятиях промышленности, в строительных и транспортных организациях, для автоматического поиска печатной информации в библиотеках и т.д. [1-3].
Рациональный метод распознавания компьютером дорожных и печатных знаков разных шрифтов и других символов
Было разработано оригинальное читающее устройство, реализующее предложенный авторами рациональный метод распознавания компьютером дорожных и печатных знаков разных шрифтов и других подобных символов. Это устройство состоит из фотоэлектронной системы считывания информации и компьютера, распознающего дорожные и печатные знаки.
Фотоэлектронная система считывания воспринимает дорожные и печатные знаки с носителя информации, развертывает построчно изображение знака, преобразуя его в электрические импульсы, которые поступают в определенном порядке в прямоугольную матрицу, состоящую из ячеек запоминающего устройства компьютера. В матрице находится дискретная информация о знаке, т. е. заполненные ячейки матрицы хранят информацию об элементах знака.
Фотоэлектронная система считывания дорожных и печатных знаков (рис. 1) содержит следующие основные элементы: передающую телевизионную трубку, генераторы строчной и кадровой разверток, усилитель, триггер Шмидта, пересчетное устройство, схему совпадений и генератор запуска. Пересчетное устройство состоит из счетчика импульсов, инверторов и дешифратора [4].
Была создана программа для компьютера, реализующая разработанный авторами рациональный метод распознавания компьютером дорожных и печатных знаков разных шрифтов [5-8].
Выход
Рис. 1. Структурная схема фотоэлектронной системы считывания знаков
На рис. 2 изображена структурная схема разработанной программы.
После проведенных исследований стало ясно, что наиболее характерными информативными признаками знаков являются направления элементов знака, составляющие для каждого знака определенную специфическую последовательность, получаемую в результате обхода знака по контуру, начиная с определенной концевой точки.
Рис. 2. Структурная схема разработанной программы
В результате проведенного анализа выяснилось, что для определенных восьми направлений, ориентированных под углом 45о относительно друг друга (рис. 3), все идеально напечатанные контуры знаков русского алфавита различных шрифтов распознаются относительно друг друга [5].
(-) 000111
I3
(+>001001
4
(■) 001000
5
(+) 001000
1
(-) 001001
(+) 000111
7
(->000001
Рис. 3. Выбранные восемь направлений
Представление каждого идеально напечатанного контура знака в виде специфической последовательности номеров направлений, получаемой в порядке обхода контура знака, позволило составить так называемые стандартные виды русского алфавита. Знаки одного смыслового символа отличаются друг от друга толщиной линий, наклоном определенных линий по отношению к вертикали, наличием или отсутствием декоративных украшений, дефектов, масштабом элементов знака. Но одинаковым, общим для знаков одного смыслового символа и стиля написания является стандартный вид, соответствующий этому смысловому символу.
В результате анализа для надежного распознавания дорожных и печатных знаков разных шрифтов была выбрана оптимальная матрица, состоящая из 31X 32 ячеек запоминающего устройства компьютера [9, 10].
В соответствии с разработанной программой компьютер, начиная с концевой точки, «обходит» дискретно представленный в матрице запоминающего устройства знак по так называемым главным направлениям, т.е. по контуру. Линии контура имеют толщину, которая может быть непостоянной для разных знаков. Поэтому необходимо выделять главные направления и совершать обход по ним, не принимая во внимание направления, возникающие от толщины линий, декоративных украшений, дефектов и т.д.
Главное направление выбиралось как направление, имеющее количество ячеек, большее или равное «весу». Вес - определенное количество ячеек -должен был быть хотя бы на одну ячейку больше количества ячеек, составляющих толщину линий знака.
При обходе по контуру встречались случаи, когда выявлялись лишь направления, где количество заполненных ячеек меньше веса (так называемой суммы). В таком случае обход совершался в сторону направления, имеющего наибольшую сумму ячеек.
Если при исследовании заполненной ячейки матрицы по восьми выбранным направлениям встречается несколько главных направлений или в
отсутствии главных направлений несколько одинаковых сумм, обход производится в сторону направления с наименьшим номером (см. рис. 3). Для оставшихся главных направлений заполненная ячейка запоминается как перекрестие. Если обход не дает больше главного направления, он либо заканчивается, либо при наличии перекрестий продолжается, начиная от перекрестия с наименьшим номером и т.д., до тех пор, пока не будут исследованы все главные направления, т. е. не будет обойден весь контур знака.
Перемещение из любой заполненной ячейки на соседние заполненные ячейки в любом из восьми направлений совершается путем прибавления (или вычитания) к адресу исследуемой ячейки соответствующих чисел (см. рис. 3).
Во время обхода контура по направлениям производится так называемое стирание по толщине. Максимальная толщина линий знака получается меньше веса. При обходе по контуру линия знака, например, стойка, имеющая толщину в две ячейки, будет обходиться по противоположным направлениям два раза, а при большей толщине - еще большее число раз. Приведение знака к стандартному виду становится затруднительным. Поэтому во время обхода по контуру производится стирание по толщине, т.е. ликвидация толщины линий знака. На рис. 4 показан обход по направлениям букв «Д» разных шрифтов, включая перекрестие, и показаны ячейки матрицы, составляющие толщину линий знака и стираемые при обходе знака по контуру.
XX - ячейки толщины, стираемые при обходе контура
а) б)
Рис. 4. Обход по направлениям букв «Д» разных шрифтов
Полученная после обхода по контуру кодовая запись знака в виде последовательности номеров направлений упрощается с целью ликвидации возможных дефектов в изображении знака и исключения нехарактерных наклонов вертикальных и горизонтальных линий, нехарактерных отклонений
наклонных линий. На методике упрощения записи знака по направлениям более подробно остановимся ниже.
Упрощенная запись знака по направлениям сравнивается со стандартными видами для определения типа знака. В стандартный вид входят номера главных направлений, а также номера некоторых сумм, так как эти суммы также являются характерными признаками знака. При сравнении записи знака по направлениям с любым стандартным видом подсчитывается количество несовпадений номеров направлений, а по окончании сравнения со всеми стандартными видами по меньшему количеству несовпадений определяется тип знака [1, 8, 11, 12].
Теперь остановимся на мерах, которые были предприняты для надежного распознавания компьютером дорожных и печатных знаков разных шрифтов, несмотря на возможные определенные дефекты в изображениях знаков.
После обхода изображения знака по контуру полученная кодовая запись знака в виде последовательности номеров направлений упрощается с целью исключения возможных дефектов: нехарактерных отклонений вертикальных, горизонтальных, наклонных линий знака, размывов, каверн в изображении знака.
С целью ликвидации перечисленных выше дефектов было выбрано следующее правило упрощения: одинаковые номера исключаются из кодовой записи знака по направлениям, если количество номеров, стоящих рядом, меньше веса, и если за этими номерами в порядке обхода по контуру следуют те же номера главного направления или суммы, которые предшествовали в записи знака стираемым номером.
Иначе говоря, в записи знака по направлениям т^ф;), т2(фс), т3(фг), если количество номеров т2: 1 < т2 < 5, то убираются номера т2 направления фс, где 5 - вес; ть т3 - количество номеров одинакового направления фг, следующего до и после направления фс.
Нехарактерные направления (с количеством ячеек меньше веса) исключаются из записи знака по направлениям, что ликвидирует определенные дефекты в изображении знака.
На рис. 5 показан обход по направлениям отклоненных линий знака: горизонтальной (а), наклонной (б), вертикальной (в).
При обходе отклоненной горизонтальной линии (см. рис. 5,а) запись по направлениям будет 118181118111 (вес равен 4, что соответствует трем номерам направления). После операции упрощения запись по направлениям будет выглядеть как 111111111, что соответствует идеальной горизонтальной линии.
После обхода отклоненной наклонной линии (см. рис. 5, б) запись по направлениям будет 221222121222, а после операции упрощения становится 222222222, что соответствует идеальной наклонной линии.
Наконец, после обхода отклоненной вертикальной линии запись по направлениям выглядит как 332332333233, а после операции упрощения -333333333, что соответствует идеальной вертикальной линии.
Вертикальные и горизонтальные линии знаков (стойки и перекладины в буквах «Н, П, Т, Г» и другое) описываются направлениями: «1, 3, 5, 7», наклонные линии знаков (например, в «И, Х») описываются направлениями: «2, 4, 6, 8».
Рис. 5. Обход по направлениям отклоненных линий знака
Согласно выбранным восьми направлениям (см. рис. 3), соседние направления располагаются относительно друг друга под углом в 45о, поэтому для того, чтобы при изменении ориентации всего знака или его отдельных линий могли выявляться стойки, перекладины, наклонные линии, необходимо следующее ограничение: отклонение знака в целом по отношению к вертикали, равно как отклонение стоек, перекладин, наклонных линий относительно характеризующих их направлений, должно быть меньше, чем на ± 22,5о.
Как уже говорилось выше, в изображениях знаков могут быть размывы, каверны из-за нечеткого изображения или некачественной печати. Рассмотрим ликвидацию этих дефектов.
На рис. 6 изображена буква «Г» с размывами в изображении.
Рис. 6. Обход по направлениям буквы «Г» с размывами линий
Обход изображенной буквы «Г» дает следующую кодовую запись номеров направлений: 332423433233334311218121117, а после операции упрощения запись по направлениям выглядит как 333333333311111117, которая после сравнения со своим стандартным видом «31» не дает несовпадений (направление 7 не учитывается при подсчете количества несовпадений, ибо количество его номеров меньше веса).
Следовательно, приведенные размывы линий знака не сказались на его распознавании.
Логическая схема части программы для компьютера, относящаяся к осуществлению операции упрощения, выглядит следующим образом:
^П 4 ^ А Р7 Л6 Р7Ц Хт; ^ Р9ЬЛ11Р12 Ь ^3 ^4 ^15П16 Пп П^П^ П 20 Ц В} В ^
6 122 3 2б3
{ ^22Р24 Ц { ^24П25^26П27 }Ц; В } В ^28 Ц 7 4 8 8 5 4 7 5 6
где Я„ - оператор, который заносит определенное число в индексный регистр;
{ - правый знак перехода (или В); ¥п - оператор переадресации по индексу;
к к
Пп - оператор переноса из одних ячеек оперативной памяти в другие; Фп -оператор формирования; Рп - логический оператор; Ап - арифметический
оператор; ь - левый знак перехода; } - оператор Р5+2; - оператор,
к к
изменяющий число, занесенное в индексный регистр; Р5+2 - оператор, проверяющий, достигло ли содержимое индексного регистра нуля. Пока это значение не достигнуто, Р5+2 передает управление оператору, с которого начинается очередной цикл; если содержимое индексного регистра станет равным нулю, то Р^+2 передает управление оператору, стоящему в логической схеме непосредственно после него; Хт - левый знак перехода, указывающий на передачу управления операторам, осуществляющим сравнение записи знака по направлениям со стандартными видами.
Таким образом, после введения в программу операций упрощения кодовой записи знака по номерам направлений дорожные и печатные знаки разных шрифтов распознавались компьютером, несмотря на наличие в изображениях знаков определенных дефектов: отклонений перекладин, стоек, наклонных линий, размывов, каверн.
Заключение
1. Разработано читающее устройство дорожных и печатных знаков с наличием разных дефектов изображения.
2. Разработана программа по самообучению компьютера для распознавания какого-либо незнакомого, не используемого во время тестирования печатного шрифта.
3. Установлено, какие ограничения накладывает читающее устройство на распознаваемость знаков.
Список литературы
1. Заключительный алгоритм рационального метода распознавания компьютером печатных знаков разных шрифтов и распространение метода на образцы, свя-
занные с автоматизацией работы дорожных машин и автомобилей / Э. М. Пинт, И. Н. Петровнина, И. И. Романенко, К. А. Еличев // Перспективные направления развития автотранспортного комплекса : материалы IV Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза : Изд-во ПГУАС, 2011. - С. 165.
2. Управление рабочими органами дорожных машин за счет устройства восприятия и распознавания печатных символов и знаков / Э. М. Пинт, И. Н. Петровнина, И. И. Романенко, К. А. Еличев // Новые дороги России : материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза : Изд-во ПГУАС, 2011. - С. 232.
3. Метод распознавания печатных знаков и распознавание его на образы, связанные с автоматизацией работы дорожных машин / Э. М. Пинт, И. И. Романенко, И. Н. Петровнина, В. С. Козицин, К. А. Еличев // Мир транспорта и технических машин : науч.-техн. журн. - Орел : Изд-во ОГУ, 2011. - № 36. - С. 259.
4. Восприятие печатной информации для функционирования, читающего устройства / Э. М. Пинт, И. И. Романенко, К. А. Еличев, М. Махаммад // Технологии, экономика, транспорт, экология, образование : сб. науч. тр. Междунар. науч. конф. - Пенза : Изд-во ПГУАС, 2012. - С. 215.
5. Оригинальный алгоритм распознавания компьютером кодовой записи направлений контура печатного знака / Э. М. Пинт, А. В. Яшин, К. А. Еличев, В. С. Козицин // Naukowa przestrec evropy - 2010 : материалы VI Междунар. науч.-практ. конф. - Przemys : Nauka I studia, 2010. - C. 104.
6. Пинт, Э. М. Новый метод распознавания компьютером печатных знаков разных шрифтов / Э. М. Пинт, М. А. Пугач, И. Н. Петровнина // Современные проблемы машиностроения : тр. Междунар. науч.-практ. конф. - Томск : Изд-во ТГУАС, 2011. - С. 120.
7. Пинт, Э. М. Основные особенности читающей системы / Э. М. Пинт, И. И. Романенко, К. А. Еличев // Найновите научни достижения, 2012 : материали за 8 Междунар. науч.-практ. конф. - София : БЯЛ ГРАД-БТ, 2012. - Т. 32. - С. 88.
8. Полный алгоритм рационального метода распознавания компьютером печатных знаков разных шрифтов и других символов / Э. М. Пинт, И. Н. Петровнина, И. И. Романенко, К. А. Еличев // Вестник БГТУ : науч.-теорет. журн. им. В. Г. Шухова. - 2013. - № 1. - С. 210.
9. Пинт, Э. М. Оценка надежности распознавания компьютером печатных знаков / Э. М. Пинт, А. В. Яшин, К. А. Еличев // Aktalne problem nowioczesnych nauk-2009 : materiay V medzynarodowey naukowi koferencdi. - Prezemys : Nauka I studia, 2009. - С. 103.
10. Пинт, Э. М. Оптимальная работа читающей системы / Э. М. Пинт, И. Н. Петров-нина, А. О. Федосеева // Актуальные проблемы науки и образования: прошлое, настоящее, будущее : сб. науч. тр. по материалам Междунар. науч.-практ. конф. -Тамбов : Изд-во ТГУ, 2012. - Ч. 5. - С. 203.
11. Пинт, Э. М. Критерий оценки читающего устройства / Э. М. Пинт, И. И. Рома-ненко, К. А. Еличев // Бъдещите изследования : материалы за 9 Междунар. науч.-практ. конф. - София : БЯЛ ГРАД-БГООД, 2013. - Т. 28. - С. 80.
12. Пинт, Э. М. Результаты исследования читающего устройства / Э. М. Пинт, И. И. Романенко, К. А. Еличев // Вестник : науч.-теорет. журн. - Белгород : Изд-во БГТУ им. В. Г. Шухова, 2014. - № 1. - С. 182.
Пинт Эдуард Михайлович
кандидат технических наук, профессор, кафедра механизации и автоматизации производства,
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства E-mail: [email protected]
Pint Eduard Michailovich candidate of technical sciences, professor, sub-department of mechanization and automatization of production, Penza State University of Architecture and Construction
Петровнина Ирина Николаевна
кандидат технических наук, доцент, кафедра механизации и автоматизации производства,
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства E-mail: [email protected]
Романенко Игорь Иванович
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой механизации и автоматизации производства, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства E-mail: [email protected]
Еличев Константин Александрович
кандидат технических наук, доцент, кафедра механизации и автоматизации производства,
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства E-mail: [email protected]
Petrovnina Irina Nikolaevna candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of mechanization and automatization of production, Penza State University of Architecture and Construction
Romanenko Igor Ivanovich candidate of technical sciences, associate professor,
head of sub-department of mechanization and automatization of production, Penza State University of Architecture and Construction
Yelichev Konstantin Alexandrovich candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of mechanization and automatization of production, Penza State University of Architecture and Construction
УДК 621.374 Пинт, Э. М.
Меры для распознавания компьютером дорожных и печатных знаков разных шрифтов с определенными дефектами изображений знаков / Э. М. Пинт, И. Н. Петровнина, И. И. Романенко, К. А. Еличев // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2016. - № 1 (17). - С. 308-317.
