Распознавание текста на изображении
Распознавание текста на изображениях (оптическое распознавание символом (англ. optical character recognition, OCR[1])) — одно из направлений распознавания образов, задача которого заключается в переводе изображений рукописного, машинописного или печатного текста в текстовые данные, использующиеся для представления символов в компьютере (например, в текстовом редакторе).
Общая информация
Распознавание текста на изображениях является важной задачей машинного обучения, так как это позволяет удобное взаимодействие с данными: редактирование, анализ, поиск слов или фраз и т.д.
В последние десятилетия, благодаря использованию современных достижений компьютерных технологий, были развиты новые методы обработки изображений и распознавания образов, благодаря чему стало возможным создание таких промышленных систем распознавания печатного текста, как, например, FineReader[2], которые удовлетворяют основным требованиям систем автоматизации документооборота.
Тем не менее, создание каждого нового приложения в данной области по-прежнему остается творческой задачей и требует дополнительных исследований в связи со специфическими требованиями по разрешению, быстродействию, надежности распознавания и объему памяти, которыми характеризуется каждая конкретная задача.
История
Разработка OCR-систем берет начало из технологий, связанных с телеграфией и созданием считывающих устройств для слепых. В 1914 году Эммануэль Гольдберг разработал устройство, которое считывало символы и преобразовывало их в стандартный телеграфный код. Одновременно Эдмунд Фурнье д'Альбе разработал «Оптофон», ручной сканер, который, при перемещении по напечатанной странице, вырабатывал тональные сигналы, соответствующие определенным буквам или символам.
В 1974 году Рэй Курцвейл создал компанию «Kurzweil Computer Products, Inc» и начал работать над развитием первой системы оптического распознавания символов, способной распознавать текст, напечатанный любым шрифтом. Курцвейл считал, что лучшее применение этой технологии — создание машины чтения для слепых, которая позволила бы слепым людям иметь компьютер, умеющий читать текст вслух. Данное устройство требовало изобретения сразу двух технологий — ПЗС (прибор с зарядовой связью[3]) планшетного сканера и синтезатора, преобразующего текст в речь.
Первой коммерчески успешной программой, распознающей кириллицу, стала программа «AutoR» российской компании «ОКРУС». Алгоритм «AutoR» был компактный, быстрый и в полной мере «интеллектуальный», то есть по-настоящему шрифтонезависимый. Этот алгоритм разработали и испытали ещё в конце 60-х два молодых биофизика, выпускники МФТИ — Г. М. Зенкин и А. П. Петров. В настоящее время алгоритм Зенкина-Петрова применяется в нескольких прикладных системах, решающих задачу распознавания графических символов.
В 1993 году вышла технология распознавания текстов российской компании ABBYY. На её основе создан ряд корпоративных решений и программ для массовых пользователей. Технологии распознавания текстов ABBYY OCR лицензируют международные ИТ-компании, такие как Fujitsu, Panasonic, Xerox, Samsung, EMC и другие.
В 2000-х годах производительность и компактность OCR-системы позволила представить на рынок онлайн-сервисы по переводу текста с одного языка на другой. Со временем такие программы получили возможность обрабатывать изображения как печатного, так и рукописного текста.
С развитием технологий производства мобильных устройств и упрощения процесса разработки мобильных приложений, OCR-системы стали неотъемлемой частью разнообразных программ: от развлекательных до обучающих, от мобильных помощников до систем управления.
Применение систем распознавания текстов
Системы OCR применяются во многих областях. Вот некоторые из задач, которые решают системы распознавания текстов:
- Считывание данных с бланков и анкет;
- Автоматическое распознавание номерного знака;
- Распознавание паспортных данных;
- Извлечение информации из визитных карточек в список контактов;
- Создание цифровых версий печатных и рукописных документов, например, сканирование книг для проекта "Гутенберг"[4];
- Технология для помощи слепым и слабовидящим;
Типовые проблемы, связанные с системами OCR
С задачей распознавания символов связаны следующие проблемы:
- Разнообразие форм начертания символов: документ может содержать несколько шрифтов сразу: как распространенных, так и нестандартных;
$\;\;\;\;\;\,$символы могут быть схожи по начертанию (например, “G” и “6”, “S” и “5”, “U” и “V” и тд.);
- Искажение изображения, содержащего текст:
- Шумы при печати;
- Плохое качество изображения (засвеченность, размытость);
- Вариации размеров, масштаба и положения символов на странице;
- Влияние исходного масштаба печати: система оптического распознавания текста должна быть нечувствительной (устойчивой)
$\;\;\;\;\;\,$по отношению к способу верстки, расстоянию между строками и другим параметрам печати.
Процесс распознавания текста
Система распознавания текста предполагает наличие на входе изображения с текстом (в формате данных графического файла). На выходе система должна выдать текст, выделенный из входных данных. Весь процесс распознавания текста состоит из нескольких задач.
Обработка изображения
Перед началом распознавания текста изображение должно быть очищено от шума и приведено к виду, позволяющему эффективно выделять символы и распознавать их. Обычно у изображения повышают резкость, контрастность, выравнивают его и преобразовывают в в используемый системой формат (например, 8-битное изображение в градациях серого).
Распознавание символов
Для распознавания символа существуют 2 основных алгоритма.
Распознавание при помощи метрик
Этой способ лучше всего работает с машинописным текстом, но при обработке новых шрифтов точность распознавания падает. Метрика по сути является признаком символа, поэтому иногда в контексте данного способа говорят о процессе выявления признаков. В качестве метрики используют расстояние Хэмминга, которое показывает, на сколько пикселей различаются изображения. Если признаки двух символов максимально похожи, то разность между их метриками (то есть расстояние между ними) стремится к нулю. Дальнейшая классификация символа происходит по методу ближайшего соседа
Однако одной метрики недостаточно для распознавания символа, так как некоторые символы очень похожи между собой (например, “j” и “i”, “Z” и “2”) и это может привести к ошибке. Чтобы избежать этого, есть несколько способов:
- группировка символов
Например, некоторые символы (“O”, “H”, “I”) обладают суперсимметрией (полностью совпадают со своими отражениями и значимые пиксели распределены равномерно по всему изображению) и их можно выделить в отдельный класс. Это сокращает перебор метрик в несколько раз.
- контекстное распознавание
В качестве помощи алгоритмам распознавания в систему включают словари. Словари предоставляют справки во многих случаях, но быстро отказывают, когда, например, имеют дело с именами собственными, которые не находятся в словаре.
Распознавание с применением нейронных сетей
Нейронные сети – это структура связанных элементов, на которых заданы функции преобразования сигнала, а также коэффициенты, которые могут быть настроены на определенный характер работы.
Часть элементов структуры выделены как входные: на них поступают сигналы извне, таким образом, они описывают значения пикселя изображения. То есть, если имеется изображение 16х16, входов у сети должно быть 256. Другая часть – выходные: они формируют результирующие сигналы.
Сигнал, который проходит через нейронную сеть, преобразуется согласно формулам на элементах сети, и на выходе формируется ответ. Так как все нейроны поименованы значениями букв, следовательно, среагировавший нейрон и несет ответ распознавания.
Нейронная сеть может служить в системе распознавания текста в качестве классификатора. Этот классификатор сначала обучают, настраивая коэффициенты на элементах сети. При обучении сеть получает на вход изображения, анализирует все позиции черных пикселей и выравнивает коэффициенты, минимизируя ошибку. Таким образом, достигается лучший результат распознавания.
Пример нейронной сети
На картинке в качестве примера схематически показана нейронная сеть, которая включает в себя 35 входов (каждый символ — матрица 7x5, соответственно, вектор, описывающий матрицу, состоит из 35 элементов) и 26 выходов (количество букв). Данная НС является двухслойной сетью. Функцией активации поставим логарифмическую сигмоидную функцию, которую удобно использовать, потому что выходные векторы содержат элементы со значениями в диапазоне от 0 до 1, что потом удобно перевести в булеву алгебру. На скрытый уровень выделим 10 нейронов (это число можно регулировать).
Пример на синтаксисе скриптового языка MATLAB
S1 = 10; % количество нейронов на скрытом слое
[S2,Q] = size(targets); % количество нейронов на втором слое (количество выходов сети)
P = alphabet; % входная матрица, содержащая информацию о буквах
% создаем новую сеть с использованием диалогового окна
net = newff(minmax(P), % матрица минимальных и максимальных значений строк входной матрицы
[S1 S2], % количество нейронов на слоях
{’logsig’ ’logsig’}, % функция активации
’traingdx’ % алгоритм подстройки весов и смещений (обучающий алгоритм)
);
Недостатки нейронных сетей
Нейронные сети с успехом могут применяться в системах распознавания текста, но существует большое число недостатков, которые препятствуют их широкому применению.
- Затраты — для построения сети, обеспечивающей распознавание каждого символа текста, необходимо построить достаточно большую сеть элементов, что приводит к большим затратам памяти.
- Затраты ресурсов системы — помимо памяти, еще сильнее тратятся ресурсы системы в процессе распознавания, так как функции на элементах сети работают с числами с плавающей точкой.
- Необходимость в обучение — для достижения более точного результата нейронную сеть необходимо обучать на все случаи, однако и это не гарантирует 100% результат.
- Зависимость от конфигураций сети — так как работа нейронной сети по распознаванию текста во многом зависит от конфигурации сети и функций, заданных в элементах, требуется больше усилий для построения эффективно работающей сети.
