基于Faster-rcnn及FCN的中文OCR文本定位

启发

光学字符识别（Optical Character Recognition, OCR）是指对文本资料的图像文件进行分析识别处理，获取文字及版面信息的过程。一般分为两个步骤：文字定位，即找到文字在图片中的位置；文字识别，即识别出找到的文字。文字定位也可能包含一些二值化，矫正的步骤。

文字定位常见的算法MSER +SVM或者MSER + CNN，是一种自底向上的方法：首先产出大量MSER区域，进而用SVM或者CNN进行二分类过滤掉非文字区域，最后合并文字区域产生文字区域。这种方法一方面产生大量候选MSER区域，另一方面，文字合并中考虑到中文特殊的左右，上下结构，过程会非常复杂，结果难以把控。

受启发于ImageNet比赛中的Image Classification任务，能否将Faster-rcnn 以及FCN 算法应用于OCR*的文本定位过程中。答案应该时肯定的。现在相当于进行一个只有两类的Image Classification，一类是图片背景，另一类则是文本行。不在像MSER那样把字切碎了，在合并起来。而是直接找到一整行文字。这就是它的优势所在。

之所以选择Faster-rcnn和FCN算法，一方面它们是目前效果比较好的算法，另一方面它们代表了两种不同的思路：Faster-rcnn是以 bounding box为训练目标，FCN则是一种逐像素labelling的方法。在给出实验结果之前，比较一下这两种算法。

Faster-rcnn

Faster-rcnn的思想在于利用神经网络中conv + pooling并没有改变特征在图像中的相对位置。真正改变是在fc层。如下图：

可以清晰的看到左侧图片，在中间卷积核的作用下，最终得到数值19（观察图片中矩阵带有颜色的的部分）。也就是19这个特征值对应图片中的左上角，这个值在图片中有明显的位置关系。同样，特征值25对应图片中的右上角，即值为1， 2， 4， 5的部分。

pooling也有同样的效果：

实际上这也是rpn网络的原理，rpn网络在全卷积网络，即只有conv + pooling，的输出上，每一个特征值产生9个anchor，对应原图中的相应位置。

rpn网络的巧妙应该有三点：1）rpn利用了conv + pooling不改变相对位置关系的特性。2) cnn特征不仅用来做分类，即特征产生标签，还用来做bounding box的回归，即特征产生bounding box坐标。3) rpn突破了我们对标签的理解，在bounding box回归上，判断网络优良的标准是生成的box和ground truth的IOU到底有多大。

但是，rpn网络也有它的缺点：rpn生成的anchor，有位置关系以及一定的长宽比例，整个训练过程通过调节anchor的坐标来达到与ground truth的最大IOU。如果anchor长宽比例设置不合理的话，对一个长宽比例失调的物体就会很难找到一个将它整个包围的bounding box。以瓶子为例，因为它比较高，所以瓶子上端和下端特征距离比较远，这样很可能产生下面两个anchor，都不能把瓶子包围住。或许瓶子中间特征产生的anchor，通过调节是可以的，或者还是有误差。这里只是个例子，为了说明情况而已。

另外一个问题就是，Faster-rcnn采用了nms，这样会导致互相有遮盖的物体不能同时被检查出来，如果发现有问题可以尝试把nms去掉试试。

FCN

FCN（fully convolutional network），全卷积网络，没有fc层。所以它在整个网络中是不会丢失位置信息的，与Faster-rcnn不同的是FCN对每一个像素分类，在OCR里面每个像素分成两类：文字行和非文字行（背景）。比如一张300*400的图片，最后FCN会对所有300*400个像素做分类。

FCN问题的关键是如何将卷积后的特征还原成原始图片大小，这个过程在许多深度学习框架里叫做deconvolution（参加），许多人认为并不准确，因为整个过程并不是真正的deconvolution（参见wikipedia)，而是应该称为transposed convolutional network。这是一个什么样的过程呢？

如果将图片reshape成一个一维矩阵，然后在convolution ，情况是这样的：

deconvolution是这样的：

可以看到deconvolution实际是convolution的一个反过程，熟悉caffe的同学可以看下deconv_layer,实际是改变了forward和backward的调换位置。细心的同学也会发现，虽然过程相反，但实际上值不一样。其实，deconvolution并不是要还原成原来一模一样的图片，而是将特征值恢复到相应的位置。而且，在实际应用中，deconvolution也可以利用bilinear卷积核，也就是双线性插值的一个resize的过程。

相对于convolution来说，恢复max pooling容易的多，只需要在做max的时候记录下最大值的位置，在unpooling的时候根据相应规则赋值相应位置即可。

FCN的优势在于利用deconvolution，unpooling等操作，将特征矩阵恢复到原图大小，然后对每一个位置上的像素做预测，形成一个heat map，整个过程并没有fc的出现。可想而知，不会出现Faster-rcnn的情况，对一些比列失调的物体鲁棒性差。当然，它也有自身的问题，就是计算时间复杂度大。

实验对比

这里仅给出FCN在人工数据集上的效果，该数据集来自于vgg的《SynthText in the Wild Dataset》，参见这里。效果如下图：

图中用红色描出了FCN识别出的区域，总结起来大概有两个问题：
1) 对大号字的识别效果不佳，原因可能是因为字号太大，卷积窗口太小，所以找到整个字的特征，解决方法可以添加多尺度，但是这样做的结果是带来更大的时间复杂度。
2)当行与行间距过小的话，很难将行分开，就是图中看到的连成一片的区域。一些论文中针对这个问题都会进行两阶段处理：第一阶段找出图中文字区域，大概就是现在这个样子；第二阶段对找到的区域继续fine tuning。有兴趣的读者可以参考《Multi-Oriented Text Detection with Fully Convolutional Networks
》，《Accurate Text Localization in Natural Image with Cascaded Convolutional Text Network》。
我本人采用的事另一种方式：针对每一个文本行，我只取中间部分作为训练标签。这个中间部分占整个文本行高度的0.4到0.8不等，分别实验。最后虽然取得了一定效果，但是相对小号字上的定位效果就差了些。希望有思路的同学也能分享下。

引用

1. A guide to convolution arithmetic for deep learning