OCR：慧眼读世界

作者：微软亚洲研究院首席研究员 霍强

 

把手机摄像头对准菜单上的法语菜名，屏幕上实时显示出翻译好的中文菜名；将全世界图书馆的藏书转化为电子书；街景车游走于大街小巷，拍摄街景的同时也从街景图像中自动提取文字标识，让地图信息更丰富更准确……这些场景的背后有一个共同的关键技术——OCR (Optical Character Recognition)，光学字符识别。

 

OCR让电脑“读”懂世界

鼠标发明人Doug Engelbart曾经针对人工智能的简称AI提出了另一个理念——Augmented Intelligence，增强智能。在他看来，人已经足够聪明，我们无需再去复制人类，而是可以从更加实用的角度，将人类的智能进一步延伸，让机器去增强人的智能。

 

智能眼镜就是这样的产品，去超市的时候带上一副，看到心仪商品上的文字，自动搜索出详细信息：生产商情况、在不同电商平台的价格等等。让智能眼镜读懂文字的正是OCR技术。OCR本质上是利用光学设备去捕获图像，今天可以是手机、照相机，未来可以是智能眼镜、可穿戴设备等，就像人的眼睛一样，只要有文字，就去认出来。

 

我们也可以设想一下OCR在未来工作中的应用场景：每次工作会议后，无需再把白板上的讨论内容捎写下来，然后群发邮件布置任务，只要将白板用手机等智能设备拍照留存，系统便能自动识别并分检出相关人员的后续工作，并将待办事项自动存放到各自的电子日历中。

 

事实上，我们已经向这个场景迈进了一步，微软前不久推出的 Office Lens应用，已经可以通过视觉计算技术自动对图像进行清理并把它保存到OneNote，而OneNote中基于云端的OCR技术将对图片进行文字识别，随后你就可以拥有一个可编辑、可搜索的数字文件，为上述未来应用场景打下基础。微软几年前推出的手机应用 Translator，除了支持文本和语音翻译外，还能用手机拍摄不同语言的菜单或指示牌，翻译结果立即浮现于原文之上。Office Lens和Translator这两款产品的OCR核心组件就来自微软亚洲研究院的语音团队。

 

 

 

从平板扫描仪到前端手机后端云

回过头来看，OCR技术经历了怎样的发展历程呢？早在20世纪50年代，IBM就开始利用OCR技术实现各类文档的数字化，早期的OCR设备庞大而复杂，只能处理干净背景下的某种印刷字体。20世纪80年代，平板扫描仪的诞生让OCR进入商用阶段，设备更为轻便灵巧，可以处理的字体数量也增多，但对文字的背景要求仍然很高，需要很好的成像质量。

 

平板扫描仪对印刷体文本的识别率在20世纪90年代就已经达到99%以上，可谓OCR应用迎来的第一个高潮。当时最著名事件是谷歌数字图书馆，谷歌还申请了图书扫描专利，实现了批量化的高速扫描。在此期间，手写字体的识别也在并行发展，被广泛用于邮件分拣、支票分类、手写表格数字化等领域。

 

这样的成就一度让大家误以为OCR技术已经登峰造极，但从21世纪开始，准确地说是自从2004年300万像素的智能手机诞生之日起，这一情况发生了根本改变。越来越多的人随手拿起手机拍摄所看到的事物和场景，而此类自然场景中的文字识别难度远远高于平板扫描仪时期，即便是印刷字体，也只能达到60%-70%的识别率，更别说手写体了。学术界因此将自然场景中的文字识别作为全新的课题来对待。

 

与此同时，云计算、大数据以及通讯网络的快速发展，实现了智能手机的24小时在线，前端采用手机摄像头进行文字捕捉，后端可以对其进行实时分析和处理，二者的结合让OCR的未来应用模式充满想象。因此，对OCR的研究再度成为学术界的焦点，无论是前端识别技术还是后端的关联应用领域，都有着无限可能。微软亚洲研究院的研究员们，也非常有幸加入了这个大潮。

 

 

自然场景下的文字识别获突破性进展

自然场景图像中的文字识别大大难于扫描仪识别，因为它具有极大的多样性和明显的不确定性。如文字中包含多种语言，每种语言含有多种字母，每个字母又可以有不同的大小、字体、颜色、亮度、对比度等；文字通常以文本行的形式存在，但文本行可能有不同的排列和对齐方式，横向、竖向、弯曲都有可能；因拍摄图像的随意性，图像中的文字区域还可能会产生变形（透视、变换）、残缺、模糊断裂等现象。

 

自然场景图片中的文字多样性示例

 

与传统 OCR 技术中的扫描文档图像相比，自然场景图像的背景更为复杂。如文字可能不是写在平面上而是在曲面上；文字区域附近有非常复杂的纹理和噪声；图像中的非文字区域有着跟文字区域非常相似的纹理，比如窗户、树叶、栅栏、砖墙等。这些复杂背景一方面会进一步增大文字的多样性，另外一方面会极大增加误检率。

由于自然场景下的文字识别难度大，微软亚洲研究院团队对相关技术和算法进行了针对性的优化和创新，从三个方面对文本监测技术进行了改进，并取得突破。通常，OCR识别的步骤可以分为两步：首先是文本检测（Text detection），将文字从图片中提取出来；然后，对文本进行识别（Recognition），此次的突破主要是在文本检测环节的三个子阶段。

 

阶段 ①：采用新算法，检测更高效

一个字母或文字通常可以分为若干个连通区域，如o就拥有一个连通区域，i则拥有两个连通区域，文本检测首先要从图像中切割出可能存在的文字，即候选连通区域，然后再对其进行文字/非文字分类。

 

在确定候选连通区域阶段，微软亚洲研究院团队在传统检测方法ER（Extremal Region，极值区域）和MSER（Maximally Stable Extremal Region，最大平稳极值区域）基础之上创新地采用了对比极值区域CER（Contrasting Extremal Region），CER是跟周围的背景有一定对比度的极值区域，这个对比度至少要强到能够被人眼感知到，在低对比度的图像上比MSER效果更好，而且获得的候选连通区域数量远小于ER，候选范围大大缩小，提高了算法的效率。

 

阶段 ②：过滤噪音，检测更准确

为了提高所获得的候选连通区域的质量，微软亚洲研究院团队决定增加一个算法环节去增强CER。尤其在图像模糊、分辨率低或者噪声较多时，提取出来的CER有可能会含有冗余像素或者噪声，这些冗余像素或者噪声的存在会使得后面的文字/非文字分类问题变得更为复杂。

 

采用Munsell颜色空间颜色去增强CER可算是此次算法优化的另一个创新之举，利用颜色信息尽可能滤除CER中的冗余像素或者噪声，从而得到Color-enhanced CER。该颜色空间具有视觉感知一致性，而且对光照敏感，更接近人眼对颜色的判断。

受噪声影响的 CER示例

 

在实际操作中，并不是每个CER都需要通过颜色信息来增强，因为有很多CER本身颜色均匀，没有噪声，尤其是在图片质量很高的时候。因此，在对CER进行增强操作之前我们会先判断该CER是否需要增强操作，以减少不必要的计算复杂度。

对 CER的颜色增强效果示例

算法提取出来的候选连通区域结果示例

 

阶段③：创新分类，检测更高质

当获得了高质量的候选连通区域，就需要对其中的字符进行分辨，确定其是否为文字或非文字，微软亚洲研究院团队创新地提出了一套基于浅层神经网络的文字/非文字分类算法，比以往的算法更加有效。

 

该算法根据文字本身的特性采用分治策略将原始问题空间划分为5个子空间，每个子空间对应一类文字样本，分别命名为Long类，Thin类，Fill类，Square-large类和 Square-small类（如下图所示），于是每个候选连通区域被划分到这5类中的一种。

 

文字类问题空间划分示例

 

在每个子空间中，该算法会分别训练一个相应的浅层神经网络，作为该子空间的文字/非文字分类器，我们可以将该神经网络看作是一个黑盒子，在经过大量学习之后，它便能较为准确的将文字与非文字分类。

 

每次分类动作包括两个阶段——预剪枝（Pre-pruning）阶段和验证（Verification）阶段。在预剪枝阶段，分类器的任务是尽可能滤除非文字候选连通区域；在验证阶段，则通过引入更多信息来消除孤立连通区域的歧义性，从而进一步滤除有歧义的非文字候选连通区域。

 

2014年8月在瑞典首都斯德哥尔摩举办的国际模式识别大会（ICPR）上，微软亚洲研究院团队将自然场景下的文字识别精度提升到92.12%，召回率提升至92.32%。此前业界的识别精度是80%，而召回率只有67%，多年来这些数字每年增长只有1%-2%，微软的技术突破让OCR的发展缩短了近十年。

 

人类需求牵引科技发展走到今天，智慧的无限延伸决定了世界的无限潜能。10年前的简单通讯工具手机如今已成为智慧生活的伴侣，曾经只被扫描仪应用的OCR技术业已焕发新机。随着研究工作的不断突破和智能设备的推陈出新，OCR的应用也将充满无限机会、无限可能性。

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