Хабрахабр

Находим текст на вывесках и упаковках с помощью смартфона

Проблема автоматического поиска текста на изображениях существует достаточно давно, как минимум с начала девяностых годов прошлого века. Они могли запомниться старожилам повсеместным распространением ABBYY FineReader, умеющим переводить сканы документов в их редактируемые варианты.

Круг задач работы с текстом тоже поменялся. Сканеры, подключённые к персональным компьютерам, отлично работают в компаниях, но прогресс не стоит на месте, и мир захватили мобильные устройства. Теперь текст нужно искать не на идеально прямых листах А4 с чёрным текстом на белом фоне, а на различных визитках, красочных меню, вывесках магазинов и много ещё на чём, что человек может встретить в джунглях современного города.

Картинка кликабельна.
Реальный пример работы нашей нейросети.

Основные требования и ограничения

При таком разнообразии условий представления текста рукописные алгоритмы уже не справляются. Здесь на помощь нам приходят нейронные сети с их способностью обобщения. В этом посте мы расскажем о нашем подходе к созданию архитектуры нейросети, которая с хорошим качеством и высокой скоростью детектирует текст на сложных изображениях.
Мобильные устройства накладывают к выбору подхода дополнительные ограничения:

  1. Не всегда у пользователей есть возможность использовать мобильную сеть для связи с сервером по причине дорогого трафика в роуминге или вопросов секретности. Значит, решения вроде Google Lens здесь не помогут.
  2. Раз мы ориентируемся на локальную обработку данных, то было бы неплохо, чтобы наше решение:
    • Занимало мало памяти;
    • Работало быстро, используя технические возможности смартфона.
  3. Текст может быть повёрнут и находиться на случайном фоне.
  4. Слова могут быть сильно вытянутыми. У свёрточных нейронных сетей область видимости ядра свёртки обычно не покрывает вытянутое слово целиком, поэтому потребуется какая-то хитрость, чтобы это ограничение обойти.

    image

  5. Размеры текста на одной фотографии могут быть разными:

    image

Решение

Самое простое решение задачи поиска текста, которое приходит в голову, – это взять самую лучшую сеть со специализирующихся на этой задаче соревнований по ICDAR (International Conference on Document Analysis and Recognition) и делов-то! К сожалению, такие сети добиваются качества за счёт своей громоздкости и сложности вычислений, и годятся только в качестве облачного решения, что не отвечает пунктам 1 и 2 наших требований. А что, если взять большую сеть, работающую хорошо в сценариях, которые нам требуется покрыть, и попробовать её уменьшить? Этот подход уже более интересен.

Baoguang Shi и соавторы в своей нейронной сети SegLink [1] предложили следующее:

  1. Находить не целые слова сразу (зелёные области на изображении a), а их части, названные сегментами, с предсказанием их поворота, наклона и сдвига. Позаимствуем эту идею.
  2. Искать сегменты слов нужно сразу на нескольких масштабах, чтобы соответствовать требованию 5. Сегменты показаны зелёными прямоугольниками на изображении b.
  3. Дабы избавить человека от придумывания, как же эти сегменты объединить, мы просто заставим нейронную сеть предсказывать связи (линки) между относящимися к одному слову сегментами

    в пределах одного масштаба (красные линии на изображении c) а.

    и между масштабами (красные линии на изображении d), решая проблему пункта 4 требований. b.

Синими квадратами на изображении ниже показаны области видимости пикселей выходных слоёв нейронной сети разных масштабов, которые «видят» хотя бы часть слова.

image
Примеры сегментов и линков

Предсказание сегментов и линков в ней ведётся на 6 масштабах. SegLink в качестве своей основы использует известную архитектуру VGG-16. Оказалось, что сеть содержит 23 миллиона параметров (весов), которые нужно хранить в файле размером 88 мегабайт. В качестве первого эксперимента мы начали с реализации оригинальной архитектуры. Если создавать приложение на основе VGG, то оно станет одним и первых кандидатов на удаление при нехватке места, да и сам поиск текста работать будет очень медленно, поэтому сети нужно срочно худеть.

image
Архитектура сети SegLink

Секрет нашей диеты

Уменьшать размер сети можно просто изменяя в ней количество слоёв и каналов или меняя сами свёртки и связи между ними. Mark Sandler и сотоварищи как раз вовремя подобрали архитектуру в своей сети MobileNetV2 [2] так, что она быстро работает на мобильных устройствах, занимает мало места, да ещё особо не отстаёт по качеству работы от той же VGG. Секрет скорости работы и уменьшения потребления памяти заключается в трёх основных шагах:

  1. Количество каналов с картами признаков на входе в блок уменьшается точечной свёрткой на всю глубину (т. н. bottleneck) без функции активации.
  2. Классическая свёртка заменена на поканальную сепарабельную свёртку. Для такой свёртки требуется и меньше весов, и меньше вычислений.
  3. Карты признаков после bottleneck пробрасываются ко входу следующего блока для суммирования без дополнительных свёрток.

image
Базовый блок MobileNetV2

Итоговая нейронная сеть

Используя вышеобозначенные подходы, мы пришли к следующей структуре сети:

  • Используем сегменты и линки из SegLink
  • Заменяем VGG на менее прожорливую MobileNetV2
  • Уменьшаем количество масштабов поиска текста с 6 до 5 ради скорости работы

image
Итоговая сеть поиска текста

Расшифровка значений в блоках архитектуры сети

Шаг свёртки (stride) и базовое количество каналов в слоях (channels) указаны в виде sc соответственно. Например, s2c32 означает 32 канала со сдвигом 2. Действительное количество каналов в слоях свёртки получается путём умножения их базового количества на масштабирующий коэффициент α, позволяющий быстро симулировать разную «толщину» сети. Ниже представлена таблица с количеством параметров в сети в зависимости от α.

image

Тип блока:

  • Conv2D – полноценная операция свёртки;
  • D-wise Conv — поканальная сепарабельная свёртка;
  • Blocks – группа блоков MobileNetV2;
  • Output – свёртка для получения выходного слоя. Численные значения типа NxN указывают на размер рецептивного поля пикселя.

В качестве функции активации в блоках используется ReLU6.

image

Выходной слой имеет 31 канал:

image

Следующие пять каналов содержат информацию для точного воссоздания геометрии сегмента: сдвиги в вертикальном и горизонтальном направлениях относительно положения пикселя, множители для ширины и высоты (так как сегмент обычно не квадратный) и угол поворота. Первые два канала выходного слоя голосуют за принадлежность пикселя к тексту и не тексту. Последние 8 каналов говорят нам о наличии линков к четырём пикселям предыдущего масштаба (предыдущий масштаб всегда в 2 раза больше). 16 значений внутриканальных линков указывают, есть ли связь между восемью соседними пикселями в том же масштабе. Выход к самому первому масштабу не имеет кросс-масштабных линков. Каждые 2 значения сегментов, внутри- и кросс-масштабных линков нормализованы softmax функцией.

Сборка слов

Сеть предсказывает, принадлежат ли конкретный сегмент и его соседи к тексту. Осталось собрать их в слова.

Для этого составим граф, где вершины — все сегменты на всех масштабах, а ребра – линки. Для начала объединим все сегменты, которые связаны линками. Для каждой компоненты теперь можно вычислить охватывающий прямоугольник слова следующим образом: Затем найдём связные компоненты графа.

  1. Посчитаем угол поворота слова θ
    • Или как среднее значение предсказаний угла поворота сегментов, если их достаточно много,
    • Или как угол поворота линии, полученной регрессией по точкам центров сегментов, если сегментов мало.
  2. Центр слова выбирается как центр масс центральных точек сегментов.
  3. Развернём все сегменты на -θ, чтобы расположить их горизонтально. Найдём границы слова.
    • Левая и правая границы слова выбираются как границы самых левого и правого сегментов соответственно.
    • Для получения верхней границы слова сегменты сортируются по высоте расположения верхней грани, отсекаются 20% самых высоких из них, и выбирается значение первого сегмента из списка, оставшегося после фильтрации.
    • Нижняя граница получается из самых низких сегментов с отсечением 20% самых низких по аналогии с верхней границей.
  4. Повернём получившийся прямоугольник обратно на θ.

Итоговое решение получило название FaSTExt: Fast and Small Text Extractor [3]

Время экспериментов!

Детали обучения

Сама сеть и её параметры выбирались для хорошей работы на большой внутренней выборке, которая отражает основной сценарий использования приложения на телефоне – навёл камеру на объект с текстом и сделал фото. Оказалось, что большая сеть с α=1 обходит по качеству вариант с α=0,5 всего на 2%. Данной выборки в открытом доступе нет, поэтому для наглядности пришлось обучить сеть на публичной выборке ICDAR2013, в которой условия съёмки схожи с нашими. Выборка очень маленькая, поэтому сеть предварительно обучили на огромном количестве синтетических данных из SynthText in the Wild Dataset. Процесс предобучения занял около 20 дней вычислений для каждого эксперимента на GTX 1080 Ti, поэтому работу сети на публичных данных проверили только для вариантов α=0,75, 1 и 2.

В качестве оптимизатора была использована AMSGrad версия Adam.

Функции ошибки:

  • Кросс-энтропия для классификации сегментов и линков;
  • Функция потерь Хьюбера для геометрии сегментов.

Результаты

По качеству работы сети на целевом сценарии можно сказать, что она не сильно отстаёт от конкурентов по качеству, даже некоторых обгоняет. MS – это тяжелые многомасштабные варианты сетей конкурентов.

image
* В статье по EAST не было результатов на нужной нам выборке, поэтому эксперимент мы провели сами.

В первой строке видно, что засвеченные буквы слова ESPMOTO не были размечены, но при этом сеть смогла их найти. На изображении снизу представлен пример работы FaSTExt на изображениях из ICDAR2013. На нижней строке снова видны огрехи разметки в выборке с потерянным текстом в отражении. Менее ёмкий вариант с α=0,75 справился с мелким текстом хуже, чем более «толстые» версии. FaSTExt при этом такой текст видит.

image

Осталось проверить, а можно ли её на самом деле применять в телефонах? Итак, сеть свои задачи выполняет. к. Модели запускались на цветных изображениях 512х512 на Huawei P20, используя CPU, и на iPhone SE и iPhone XS, используя GPU, т. Значения получены усреднением 100 запусков. наша система машинного обучения пока позволяет задействовать GPU только на iOS. На iPhone XS проявился интересный эффект с уменьшением среднего времени, необходимого для вычислений при усложнении сети. На Android получилось добиться приемлемой для нашей задачи скорости в 5 кадров в секунду. Современный iPhone детектирует текст с минимальной задержкой, что можно назвать победой.

image

Список литературы

​[1] B. Shi, X. Bai и S. Belongie, «Detecting Oriented Text in Natural Images by Linking Segments,» Hawaii, 2017. link

Sandler, A. ​[2] M. Zhu, A. Howard, M. -C. Zhmoginov и L. link Chen, «MobileNetV2: Inverted Residuals and Linear Bottlenecks,» Salt Lake City, 2018.

Filonenko, K. ​[3] A. Lebedev, N. Gudkov, A. Zagaynov, «FaSTExt: Fast and Small Text Extractor,» в 8th International Workshop on Camera-Based Document Analysis & Recognition, Sydney, 2019. Orlov и I. link

Zhang, C. ​[4] Z. Shen, C. Zhang, W. Liu и X. Yao, W. link Bai, «Multi-oriented text detection with fully convolutional networks,» Las Vegas, 2016.

Zhou, C. ​[5] X. Wen, Y. Yao, H. Zhou, W. Wang, S. Liang, «EAST: An Efficient and Accurate Scene Text Detector,» в 2017 IEEE Conference on Computer Vision and Pattern, Honolulu, 2017. He и J. link

Liao, Z. ​[6] M. Shi, G. Zhu, B. Xia и X. -s. link Bai, «Rotation-Sensitive Regression for Oriented Scene Text Detection,» в 2018 IEEE/CVF Conference on Computer Vision and Pattern, Salt Lake City, 2018.

Liu, D. [7] X. Yan, D. Liang, S. Qiao и J. Chen, Y. link Yan, «Fots: Fast oriented text spotting with a unified network,» в 2018 IEEE/CVF Conference on Computer Vision and Pattern, Salt Lake City, 2018.

Computer Vision Group

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть