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02.04.1993 - 

OCR UND SCANNER

OCR-Programme brauchen intelligente Scanner

Wie komplex allein die Erfassung von Bilddaten ist, kann daraus geschlossen werden, dass eine Vielzahl unterschiedlicher CCD- Sensoren am Markt erhaeltlich ist. Dabei zeigt sich sehr rasch, dass die meisten Sensoren durchaus leistungsstark sind, jedoch die Ansteuerung und die Aufbereitung der vom Sensor abgegebenen Signale schaltungstechnisch wohlueberlegt sein muss, um die CCD- Sensoren optimal zu nutzen. Optimal heisst dabei grob formuliert, Datenmenge und Beleuchtungsstaerke zu minimieren, weil alle anderen Punkte vorgegeben sind, etwa Trennschaerfe und Graustufenaufloesung, die Erfassungszeit, die physikalische Messmethode, den Kontrast innerhalb des Objektes, die Datenstruktur zur Bildverarbeitung, die Erkennungssicherheit und das Flaechenmass.

Seit langem wird der Massenmarkt der Flachbett-Scanner von vielen Firmen bedient. Eine immer wichtigere Rolle spielen aber auch Loesungen im Bereich Industrie und GroSo wuerden die Banken die Belegerfassung gerne rationalisieren. Dazu muessen in einer moeglichst kurzen Zeit grosse Mengen an Einzahlungsbelegen erfasst und fuer die datentechnische Weiterverarbeitung aufbereitet werden. Nach den Vorgaben legt dabei die Anwendung eines Kunden die Eingangsparameter fest.

Die Daten werden minimiert, indem zunaechst mit hoher Aufloesung gescannt wird, damit sich die relevanten Objekte sicher erfassen lassen In einem zweiten Schritt trennt das Programm diese Informationen von den Daten uninteressanter Bildausschnitte. Dieses Verfahren verringert die Datenmengen enorm, so dass betraechtliche Vorteile entstehen: Die Bilddaten belasten die Uebertragungskanaele weniger, die Uebertragungssicherheit waechst, Speicher und Prozessor des Rechners werden frei fuer andere Aufgaben, und schliesslich lassen sich bestehende Rechenkapazitaeten mit begrenzten Mitteln erweitern.

Hoehere Trennschaerfe und Graustufenaufloesung erzwingen diese Vorgehensweise, denn ein Bild mit 5000 x 5000 Bildpunkten ergibt bereits 25 Millionen Pixel, fuer die Grauwert- oder Farbinformation abgespeichert und/oder verarbeitet werden muessen.

Bei Zeilensensoren verdeckt die Abtasteinheit mindestens eine Zeile auf dem Papier - bei sonst gleicher Beleuchtung erreicht also weniger Licht die CCD-Zelle als bei einem Punktsensor. Der Sensor erzeugt folglich nur schwache elektrische Signale, so dass die Gefahr waechst, dass die verarbeitende Elektronik die Information aus dem vorhandenen "Rauschen" nicht mehr herausfiltern kann.

Der Gewinnung des Nutzsignales aus dem Gesamtsignal muss daher besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden, um hinreichend hohe Lichtempfindlichkeit und die geforderte Grauwertaufloesung zu erzielen. Diese Aufgabe fordert bei ihrer Realisierung neben dem obligatorischen Know-how in Sachen Schaltungstechnik und Bauteilewahl auch viel Erfahrung bei der Umsetzung in konkrete Schaltungen.

Da die Einsatzmoeglichkeiten von Bilderfassungssystemen mit CCD- Zeilensensoren in viele Anwendungsbereiche aufgefaechert sind und innerhalb der Anwendungsbereiche aeusserst vielfaeltige Applikationsvarianten vorhanden sind, ist eine kunden- beziehungsweise applikationsspezifisch konfigurierbare und projektierbare Elektronik erforderlich. Dazu kommt, dass jede Applikation sehr spezifische Funktionen erfordert. Zwei vereinfachte Beispiele zeigen schnell, was gemeint ist.

In einer Anwendung ist die Erfassung von Formularen und deren Umsetzung in einen Datensatz innerhalb einer Datenbank erforderlich. Zur Erhoehung der Erkennungssicherheit soll ein DIN- A4-Formular mit 600 dpi erfasst werden. Dies ergibt zirka 35 Millionen Bildpunkte.

Die Zahl der Bildpunkte wird drastisch reduziert

Gluecklicherweise haben Formulare groessere Flaechen, die keine relevanten Informationen enthalten. Damit lassen sich die zu erfassenden Zeilen festlegen. Die nicht interessierenden Zeilen koennen uebersprungen werden. Die Zeile eines Sensors muss technisch bedingt immer vollstaendig ausgelegt werden, das heisst auch die nicht benoetigen Spalten sind dabei. Diese ueberfluessigen Spalten sind also in einem nachfolgenden Schritt zu eliminieren. Hier zeigt sich der Vorteil einer programmierbaren Vorverarbeitung innerhalb der Erfassungseinheit. Programmgesteuert werden nur diejenigen Spalten einer Zeile weitergegeben, die tatsaechlich relevant sind. Diese Vorgehensweise setzt wiederum voraus, dass die Daten mit ihrer Zeilen- und Spaltennummer vorliegen. Da Grauwerte fuer diese Anwendung nicht erforderlich sind, wird kein Analog/Digitalwandler benoetigt, ein Komparatormodul fuer die Digitalisierung ist ausreichend. Die Daten der einzelnen Bildpunkte werden zum Beispiel in Gruppen zu jeweils acht Bit zusammengefasst und uebertragen.

In einer anderen Anwendung wird eine Oberflaeche auf kleine in etwa kreisfoermige Stoerungen hin untersucht, die sich in einem deutlich abweichenden Grauwert von einer intakten Oberflaeche unterscheiden. Im Gegensatz zum vorherigen Beispiel sind jetzt die interessierenden Bildausschnitte nicht mehr a priori festgelegt. Sie sind statistisch verteilt. Da aber ein Kriterium gefunden werden kann, das auf eine Stoerung hinweist, laesst sich von der Vorverarbeitungseinheit innerhalb des Erfassungssystems eine programmierbare Umgebung angeben, die diese potentielle Stoerung enthaelt. Die Daten dieser Umgebung werden der Verarbeitungseinheit zur Klassifizierung uebergeben. Die Stoerungen lassen sich mittels Schwellwertdedektion ermitteln. Der Analog/Digitalwandler wird nur in der Umgebung der Zeile aktiv, in der eine Stoerung detektiert wurde. Die Koordinaten der potentiellen Stoerung werden festgehalten und zusaetzlich zur Verarbeitungseinheit uebertragen.

Fuer kontrastarme Vorlagen ist eine hohe Dynamik des Systems erforderlich. Es genuegt nicht, die vom Sensor gelieferten Signale zu verstaerken und den relevanten Ausschnitt aus dem gesamten Spannungs- beziehungsweise Grauwertebereich zu digitalisieren. Nur mit entsprechender Dynamik des Gesamtsystems, das heisst Sensor, Ansteuerung und Signalaufbereitung, lassen sich fuer Vorlagen mit nahezu gleichmaessiger Helligkeitsverteilung noch Grauwerteunterschiede ermitteln. Optimale Grenzwerte fuer Hell- Dunkel-Klassifizierungen lassen sich wesentlich feiner einstellen und deshalb sind Stoerungen, beispielsweise die 100-Hertz- Schwingung der Umgebungsbeleuchtung und Ungleichmaessigkeiten in der Uebertragungsfunktion des Strahlenganges, mit geringerem Aufwand auszugleichen.

Die Elektronik fuer die Datenerfassung sollte also in der Lage sein, neben den wesentlichen Bausteinen wie Sensoransteuerung, Treiberschaltungen und Signalaufbereitung Schnittstellen zum Verarbeitungssystem unterschiedlicher Komponenten fuer die Digitalisierung und Vorverarbeitung aufzunehmen. Zudem sollte die Schnittstelle zur Verarbeitungseinheit hin programmierbar sein.

*Gerald Ballschmidt ist Projektleiter und fuer den technischen Bereich der Firma Anagramm Systems GmbH in Schlagenhofen geschaeftsfuehrend taetig.