【OCR理论】DBNet:任意形状文本检测模型1911.Real-time Scene Text Detection with Differentiable Binarization

【论文】基于可微分二值化的实时场景文字检测模型：1911.Real-time Scene Text Detection with Differentiable Binarization
【代码】官方代码pytorch | | 飞浆PaddleOCR

主要参考

• 唐宇迪视频讲解： OCR文字识别：迪哥带你从零详解DBNet+ABINet算法
• DBNet阅读笔记 - 周军的文章 - 知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/94677957

为什么要理解这篇论文？

主流的OCR框架都将其集成，作为基础经典实用算法，应对一般检测需求无压力

华为MindSpore 框架 ： MindOCR 集成
微信： WeChat OCR engine
OpenCV：DNN模块
百度 paddle框架：PaddleOCR
OpenMMLab : MMOCR集成

本文的核心思想 ？

基于实例分割的DBNet算法，
DBNet将二值化进行近似，使其可导，融入训练，从而获取更准确的边界，大大降低了后处理的耗时

标注、训练流程图

看不清楚见原论文或者后续

训练与推理细节

我们首先用SynthText数据集（由80万图片组成），对模型就行从零训练，进行100k次迭代
然后再用实际场景的数据，迭代1200 epochs
训练的batch_size=16
学习率策略 lr= 0.007 * (1- cur_iter/max_iter) ${}^{0.9}$

开源的数据集

• SynthText （合成的80万基础数据集）
• MSRA-TD500 dataset （300张中英文训练集，200张测试集，按行标注(text-line level.)）
• ICDAR 2015 dataset （1000张训练图片，500张测试，单词级标注 (labeled at the word level)）
• Total-Text dataset （1255 训练图片 and 300 测试图片）
  • 

数据增强策略

1. 随机旋转 -10度到10度
2. 随机裁剪 （random cropping）
3. 随机反转 (random flipping)
4. 图片resize到 640 x 640 （为了更好的训练效果）

推理

• 保持图片的长宽比后，再resize
• 基于1080ti 单张推理
• 后推理占整个处理时间的 30%

在推理阶段内，我们可以使用概率映射图（probability）或近似的二进制映射图（approximate binary map）来生成文本边界框 ，从而产生几乎相同的结果(2选一，因为训练好了，就能直接得到了)。
为了提高效率，我们使用概率映射，以便可以删除阈值分支（ threshold branch）

生成box的过程 (后处理)

1. 概率映射图（probability）或近似的二进制映射图（approximate binary map） 直接实用固定的阈值0.2 进行二值化
2. 得到的二值图，实际是收缩的文字区域（shrink）
3. 收缩的区域，根据公式向外扩展 D’

推理时文字边界的获取

文字形成过程包括三个步骤：
(1)首先对概率图/近似二值映射进行固定阈值（0.2）二值化，得到真实二值图；
(2) 连接区域（缩小文本区域 shrink ）；
(3) 再对区域放缩回去，D为曲线向外面扩的像素长度

其中：
A‘是收缩多边形的面积；L‘是收缩多边形的周长；根据经验，r’ 设置为1.5(经验值)

算法效果

在 MSRA-TD500 的 多语言检测结果（主要是中文）

实际检测效果 （原图画框，thresh图，probability map）

具体方法

首先，图片输入到 特征金字塔的骨干网络（ feature-pyramid backbone.）
第二步， 不同分辨率的 feature-pyramid backbone.，向上采样到同一尺度并级联（cascaded），合成产生总特征图F
然后，总的特征图 F ，用作预测文本框分割概率图（P，probability map） 以及 阈值图（T，threshold map ）
最后，用P和F计算出近似的（approximate）二进制映射（binary map）。

在训练期间，对概率图、阈值映射和近似二值映射进行监督训练（制作多个label）
推理时，通过一个box计算公式（box formulation）模块，可以很容易地从近似的二进制映射或概率映射中得到边界框

可微分二值化模块（可学习的参数）

原始的二值化过程
是对概率图（probability map）的输出结果，逐像素进行处理的，指定阈值t，像素值大于t，则为输出区域

自适应可微分的二值化过程 （Differentiable binarization）

输出结果就是估计的二值化图（binary map）
T是从网络中学习到的自适应阈值图；
k表示放大因子，根据经验设置为50
i,j 表示对应位置的map上的数据点

实质是根据sigmoid函数改的，可微可倒，且求导为自己

* 如何生成 Label ( 用于监督训练)

红色的线：标注的文本框区域
蓝色的线：收缩算法处理区域 ，见probability map
绿色的线：膨胀区域
threshmap 就是按D 收缩和膨胀后之间的区域

收缩算法求thresh map (Vatti裁剪算法)

D 表示图片收缩的距离
L 表示标注的多边形的周长（perimeter）
A 表示标注区域的面积
r 表示收缩率（shrink ratio），一般经验性的（empirically）设为 0.4

通过类似的过程，我们可以为阈值映射(threshold map)生成标签。首先将文本多边形G以相同的偏移D到Gd。我们将Gs和Gd之间的间隙作为文本区域的边界，其中阈值映射可以通过计算到G中最近段的距离来生成的标签。

优化函数相关

总的损失函数
Ls是收缩之后文本实例的loss
Lb是二值化阈值map的loss
Lt是threshold map的loss
α ，β 分别表示权重，设为经验值 1和10

其中 Ls和 Lb 使用都使用二值化交叉熵 （binary cross-entropy (BCE) loss）

Lt 的具体表达式为：
在膨胀后（dilated）文字多边形区域Gd内的预测和标签之间的距离

Ls和 Lb 梯度与反向传播分析

对于正样本 ，训练时，如果与lable接近，梯度很大，导数小。
对于负样本，训练时，如果与lable接近，否则倒数很小