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導讀

OCR中的研究，工具和挑戰(zhàn)，都在這兒了。

介紹

我喜歡OCR(光學字符識別)。對我來說，它代表了數(shù)據(jù)科學，尤其是計算機視覺的真正挑戰(zhàn)。這是一個現(xiàn)實世界的問題，它有很多方法，包括計算機視覺，pipeline調整，甚至一些自然語言處理。它也需要大量的工程設計。它概括了數(shù)據(jù)科學中的許多問題：破壞了強大的基準，過分強調方法的復雜性和“新穎性”，而不是關注現(xiàn)實世界的進步。

兩年前，我發(fā)表了一篇關于OCR的文章。像我的大多數(shù)文章一樣，這篇文章意在回顧這個領域的研究和實踐，闡明你能做什么，不能做什么，如何做，為什么做，并提供實用的例子。

它的本質是，當時的深度學習OCR是好的，但還不夠好?，F(xiàn)在，OCR要好得多。但還是不太好。

但是，考慮到深度學習領域的活力，在我看來，它需要一個更新，甚至是完全重寫。就是這樣。如果你來到這里，你可能對OCR感興趣。你要么是一名學生，要么是一名想要研究這個領域的研究員，要么你有商業(yè)興趣。不管怎樣，這篇文章應該能讓你跟上進度。

開始

首先，讓我們理清我們的概念:

OCR- 光學字符識別。這是一個常見的術語，主要指文檔上的結構化文本。

STR- 場景文本識別。大多指的是在野外場景中更具有挑戰(zhàn)性的文本。為了簡單起見，我們將它們都稱為OCR。

如前所述，OCR描述了深度學習和一般數(shù)據(jù)科學領域的許多成就，但也面臨著挑戰(zhàn)。一方面，這是我們之前的巨大進步。同樣是令人印象深刻的同比進步。然而，OCR仍然沒有解決。

還有一些非常惱人的失敗案例，原因各不相同，大部分都是源于標準深度學習的根本原因 —— 缺乏泛化、易受噪聲影響等。因此，即使模型可以處理許多情況(不同的字體、方向、角度、曲線、背景)，也有一些偏差是不能工作的(只要它們不是手動引入到訓練集中)：不流行的字體、符號、背景等等。

任意形狀的文本 — 來自ICDAR 2019數(shù)據(jù)集

此外，還出現(xiàn)了一個偉大而有用的庫Easy OCR：https://github.com/JaidedAI/EasyOCR，它的目標是使最先進的OCR方法在開源中易于訪問和使用。作為額外的好處，這個庫還解決了OCR中的多語言問題(目前包括大約80種語言和更多的語言)和模型的速度(仍處于早期階段)。這個庫并不完美，但它確實是一個很好的解決方案。稍后再詳細介紹。

因此，廢話不多說，讓我們看一下OCR當前的狀態(tài)。

值得注意的研究

一如既往，數(shù)據(jù)科學任務的邊界被研究擴展，而實踐在創(chuàng)新方面落后，但在穩(wěn)健性方面領先。

在我之前的文章中，我回顧了3種方：

當時流行的經(jīng)典計算機視覺方法

一般深度學習方法，檢測和識別，效率高，易于使用。

特定的深度學習方法，如CRNN和STN能取得良好的結果，但“太新，不能信任”。

在這篇文章中，我們可以說，特定的深度學習方法已經(jīng)成熟，并且在研究和實踐中都占據(jù)主導地位。

任務

在上一篇文章中，我們使用了一些例子，它們在當前狀態(tài)下看起來可能很簡單：車牌識別，驗證碼識別等等。今天的模型更有效，我們可以討論更困難的任務，例如：

解析截圖

解析商業(yè)手冊

數(shù)字媒體解析

街道文本檢測

Pipeline

在OCR上應用標準的目標檢測和分割方法后，方法開始變得更加具體，并針對文本屬性：

文本是同構的，文本的每個子部分仍然是文本

文本可能在不同的層次上被檢測到，字符，單詞，句子，段落等。

因此，現(xiàn)代的OCR方法“隔離”特定的文本特征，并使用不同模型的“pipeline”來處理它們。

在這里，我們將專注于一個特定的設置，實際上是一個模型pipeline，除了視覺模型(特征提取器)，還有一些更有用的組件：

Pipeline的圖

Pipeline的第一個部分是文本檢測。顯然，如果要使用不同的部分的文本，在識別實際字符之前檢測文本的位置可能是個好主意。這部分是與其他部分分開訓練的。

Pipeline的第二個部分是可選的：轉換層。它的目標是處理各種扭曲的文本，并將其轉換為更“常規(guī)”的格式(參見pipeline圖)。

第三部分是視覺特征提取器，它可以是你最喜歡的深度模型。

Pipeline的第四個部分是RNN，它的目的是學習重復的文本序列。

第五部分也就是最后一部分是CTC的損失。最近的文章用注意機制取代了它。

該pipeline除了檢測部分外，大多是端到端訓練，以減少復雜性。

Pipeline的問題

Pipeline中有不同的組件是很好的，但是它有一些缺點。每個組件都有它自己的偏差和超參數(shù)集，這導致了另一個層次的復雜性。

數(shù)據(jù)集

眾所周知，所有好的數(shù)據(jù)科學工作的基礎都是數(shù)據(jù)集，而在OCR中，數(shù)據(jù)集是至關重要的：選擇的訓練和測試數(shù)據(jù)集對結果有重要的影響。多年來，OCR任務在十幾種不同的數(shù)據(jù)集中進行了磨礪。然而，它們中的大多數(shù)并沒有包含超過幾千張帶標注的圖像，這對于擴展來說似乎不夠。另一方面，OCR任務是最容易使用合成數(shù)據(jù)的任務之一。

讓我們看看有哪些重要的數(shù)據(jù)集可用：

“真實” 數(shù)據(jù)集

一些數(shù)據(jù)集利用了谷歌街景。這些數(shù)據(jù)集可以被劃分為規(guī)則或不規(guī)則(扭曲的、有角度的、圓角的)文本。

SVHN— 街景編號，我們在上一篇文章的例子中使用過。

SVT— 街景文字，文字圖像來自谷歌街景。

ICDAR(2003, 2013,2015, 2019) — 為ICDAR和競賽創(chuàng)建的一些數(shù)據(jù)集，具有不同的重點。例如，2019年的數(shù)據(jù)集被稱為“任意形狀的文本”，這意味著，無論它變得多么不規(guī)則都有可能。

生成數(shù)據(jù)集

目前流行的合成數(shù)據(jù)集有兩種，它們在大多數(shù)OCR工作中被使用。不一致的使用使得作品之間的比較具有挑戰(zhàn)性。

MJ Synth— 包括相對簡單的單詞組成。數(shù)據(jù)集本身包括~9M的圖像。

Synthtext— 具有更復雜的機制，它在第一階段應用分割和圖像深度估計，然后在推斷的表面上“種出”文本。數(shù)據(jù)集本身包含約5.5M的圖像。

DALL-E — 這有點不確定，但是文本圖像生成(可能還有OCR)的未來似乎更加趨向于無監(jiān)督。

這些合成數(shù)據(jù)集還擅長生成不同的語言，甚至是比較難的語言，比如漢語、希伯來語和阿拉伯語。

度量

在討論具體的研究論文之前，我們需要確定成功的標準。顯然有不止一種選擇。

首先，讓我們考慮一下文本檢測的方式，它可以使用標準的目標檢測指標，如平均平均精度，甚至標準精度和召回。

現(xiàn)在到了有趣的部分：識別。有兩個主要的指標：單詞級別的準確性和字符級別的準確性。特定的任務可能需要更高的準確性(例如文本塊的準確性)。目前最先進的方法在具有挑戰(zhàn)性的數(shù)據(jù)集上顯示了80%的準確性(我們將在后面討論)。

字符級別本身用“歸一化編輯距離”來封裝，該距離度量單詞之間相似字符的比例。

研究論文

在這篇文章中，我們關注的是最佳實踐，而不是構想。我建議你去看看篇綜述：https://arxiv.org/pdf/1811.04256.pdf，你會發(fā)現(xiàn)有很多方法讓你很難做出選擇。

場景文本識別的問題是什么？

這個工作名字很不一樣，文章https://arxiv.org/abs/1904.01906本身也很出色。這是一種前瞻性的調研，內(nèi)容有：

定義統(tǒng)一的訓練和測試集(經(jīng)過一些優(yōu)化后)。

在數(shù)據(jù)集上測試基準的最佳實踐。

對方法進行邏輯結構的整理，并“幫助”讀者理解使用什么方法。

固定測試集上OCR pipeline的分類

所以本文的重點是：

對于OCR來說，訓練數(shù)據(jù)集(可能被認為是“最好的”)是兩個合成數(shù)據(jù)集：MJ和Synthtext。此外，重要的特征不是數(shù)量而是多樣性(減少數(shù)據(jù)量不會對模型的性能造成太大的影響，但刪除一個數(shù)據(jù)集卻會造成太大的影響)

測試數(shù)據(jù)集約為5個真實世界數(shù)據(jù)集。

論文論證了隨著每次pipeline的更新，結果逐漸改善。最顯著的改進是從VGG到ResNet特征提取器的改動，精度從60%提高到80%。RNN和歸一化的補充將模型推高到了83%。CTC到注意力更新增加了1%的準確性，但推理時間增加了三倍。

文本檢測

在本文的大部分內(nèi)容中，我們將討論文本識別，但你可能還記得，pipeline的第一部分是文本檢測。實現(xiàn)當前這一代的文本檢測模型有點棘手。以前，文本檢測作為目標檢測的一個分支。然而，目標檢測有一些設置是通用的目標，如汽車，人臉等。當引入文本檢測時，需要進行一些重要的更新。

其實質是文本既具有同質性，又具有局部性。這意味著，一方面，文本的每個部分都是文本本身，另一方面，文本的子集應該統(tǒng)一到更大的類別上(如把字符統(tǒng)一為單詞)。因此，基于分割的方法比基于目標檢測的方法更適合于文本檢測。

CRAFT

我們最喜歡的目標檢測方法被稱為CRAFT — Character Region Awareness for Text Detection，它也被集成到easy OCR中。該方法應用了一個簡單的分割網(wǎng)絡，很好地使用了真實圖像和合成圖像，以及字符級和單詞級的標注。

CRAFT模型概要

該模型在P和R上的h均值約為80%，在大多數(shù)數(shù)據(jù)集上也有很好的分詞效果，使模型的識別更加容易。

實際的例子

我們已經(jīng)到了實際應用的階段。你應該用什么?所以我們已經(jīng)在前面回答了這個問題(Easy OCR…)，但是讓我們查看一些流行的解決方案。

開源

需要注意的一件非常重要的事情是，盡管OCR受到學術界缺乏健壯性的影響，但它卻享受著開源軟件的繁榮，它允許研究人員和實踐者在彼此的工作基礎上進行構建。以前的開源工具(如Tesseract，見下文)在數(shù)據(jù)收集和從頭開始的開發(fā)中遇到了困難。最近的庫，比如Easy OCR，通過一組構建塊，從數(shù)據(jù)生成到所有pipeline模型上可以有更多的調整。

工具

Tesseract

在很長一段時間里，Tesseract OCR是領先的開源OCR工具(不考慮偶爾與論文相關的庫)。然而，這個工具是作為一個經(jīng)典的計算機視覺工具構建的，并沒有很好地過渡到深度學習。

APIs

OCR是大型云提供商谷歌、亞馬遜和微軟的一些早期計算機視覺API。這些API并不共享它們的能力基準，所以測試成為了我們的責任。

Easy OCR

在某種程度上，Easy OCR包是這篇文章的驅動。從不同的構建塊構建一個開源的、最先進的工具的能力是很厲害的。

下面是它的工作原理：

使用MJ-Synth包生成數(shù)據(jù)。

用于檢測的CRAFT模型(見上圖)。

根據(jù)“what is wrong”的論文(見上文)訓練一個調整后的pipeline，用于文本識別。

其他優(yōu)化。

多語言：如上所述，OCR包含一些NLP元素。因此，處理不同的語言有不同之處，但我們也可以從工藝模型(可能還有其他檢測模型)的多語言中受益。識別模型是特定于語言的，但訓練過程是相同的。

最后一個問題是性能，這使得它在這個階段成為“go to OCR tech” 。你可以從下面看到，它們甚至比付費API結果還要好。

在Easy OCR中需要改進的一點是調整能力：雖然語言選擇很容易，但是可以根據(jù)不同的目的改變模型和再訓練。在下一篇文章中，我們將展示如何做到這一點。

運行時間怎么樣？

OCR的推斷可能會很慢，這并不奇怪。檢測模型是一個標準的深度學習模型，在GPU上運行約1秒(每張圖像)，而識別模型需要一遍又一遍的運行檢測。在GPU上，一個包含許多目標的圖像可能需要幾十秒，更不用說CPU了。如果你想在你的手機或PC應用程序上運行OCR，使用較弱的硬件呢?

Easy OCR可以讓你學到：首先，這個庫引入了一些技巧，使推理更快(例如更緊湊的圖像切片形狀用于目標識別)。此外，由于是模塊化的，你可以(目前需要一些代碼調整)集成你自己的模型，這樣就可以更小更快。

代碼樣例

因此，在討論了不同的包和模型之后，是時候見證實際的結果了。這個notebook：https://colab.research.google.com/drive/1kNwHLmAtvwQjesqNZ9BenzRzXT9_S80W嘗試了Easy OCR vs Google OCR vs Tesseract的對比，我選擇了2張圖像：