卷积深度置信网络的场景文本检测①

王 林,张晓锋

(西安理工大学 自动化与信息工程学院,西安 710048)

随着智能硬件的普及,通过手机、平板和数码相机等移动可穿戴设备的终端摄像头获取、处理和分享信息己经逐渐成为客观的发展趋势.自然场景中的文本检测是检测图像中是否含有文本信息,并确定文本信息的位置.通过文本信息来对场景进行理解,将有助于我们对日夜增加的视频、图像和图片等海量信息的检索管理等.因此,本文主要集中在检测自然场景中的文本信息.

目前,自然场景中的文本检测有两种经典模型：卷积神经网络[1]和深度置信网络[2],卷积神经网络(Convolution Neural Network,CNN)是一个多层的神经网络,每层由个二维平面组成,而每个平面又由多个独立的神经元组成.卷积神经网络可以看成是卷积层和子采样层两种结构交替连接而成的.卷积神经网络对图像的位移、缩放及其他旋转等变化具有良好的适应性,但是忽略了图像中的高阶统计特征.相应地,深度置信网络(Deep Belief Network,DBN)是一种由多个受限玻尔兹曼机(Restricted Boltzmann Machine,RBM)叠加而成的深度学习结构,两者的区别在与卷积的使用.对于深度置信网络模型而言,虽然它在提取图像高阶特征方面具有很好的性能,但忽略了图像的局部不变性,对外部变化较为敏感.

Lee等人[3]提出了卷积深度置信网络(Convolutional Deep Belief Network,CDBN),该网络由卷积受限玻尔兹曼机(Restricted Boltzmann Machine,CRBM)为基础堆叠而成的,是一个分层的概率生成模型.该网络结合了深度置信网络在图像高阶特征方面具有的良好性能和卷积神经网络对图像的位移、缩放及其他旋转等变化具有很好的适应性,解决了对于扩展图像到原尺寸,以及图像特征会因输入局部变换而变换的问题.Huang[4]利用卷积深度置信网络模型CDBN和局部二进制模式LBP相结合所形成的深度学习方法,更好的学习到高分辨率图像中的特征,实验结果表明该方法在真实世界的人脸验证数据库上实现了最新的结果.Wicht[5]利用卷积深度置信网络模型CDBN识别包含手写和打印数字的数独拼图,实验结果表明当考虑检测误差时,识别精确率达到92%;当不考虑检测误差时,识别精确率提高到97.7%.何灼彬[6]利用卷积深度置信网络模型CDBN进行歌手识别,实验结果表明该模型在声音识别分类表现上具有一定的优势.Ren等[7]提出利用卷积深度置信网络模型CDBN对脑电信号特征提取,与其他提取方法相比,利用卷积深度置信网络学习的特征具有更好的性能.祝军[8]利用卷积深度置信网络模型CDBN进行场景图像分类识别,实验结果表明该模型在场景图像分类识别中取得较好的效果.

综上所说,卷积深度置信网络因结合了深度置信网络在图像高阶特征方面具有的良好性能和卷积神经网络对图像的位移、缩放及其他旋转等变化具有很好的适应性,已广泛应用于图像分类、语音识别和人脸识别[9]等领域,但是目前尚未发现有研究将卷积深度置信网络应用于自然场景中的文本检测领域.因此,本文考虑将卷积深度置信网络模型应用到自然场景中文本检测中,旨在解决图像背景复杂、分辨率低和文本分布随意的问题,从而提高文本检测的精确率以及召回率.

1 卷积深度置信网络

2011年,Lee提出了卷积深度置信网络CDBN,该卷积深度置信网络有多个卷积受限玻尔兹曼机CRBM堆叠而成,这种结构的层与层之间引入了一种最新的操作,即概率型最大池化(Probabilistic Max-pooling)[3],如图1所示.一般而言,要获取高层的特征描述需要更多的区域信息,通过用最大值池化特征表示,能够使得高层特征描述对输入的微小变化具有良好的不变性,同时能够减少计算复杂度.

在本文中CDBN模型的输入层设置为28×28×3大小(即将输入可以看成3个大小为28×28的映射层),第一隐含层中的卷积层包含6个特征映射,卷积核大小均为7×7,池化层的池化区域为2×2,第二个隐含层的卷积层包含8个特征映射,卷积核的大小为5×5,池化层的池化区域为2×2,最后将模型的输出单元组合成长度为一维的向量.学习速率为0.05,模型的激活函数采用sigmoid函数,第一层的稀疏系数为0.02,第二层为0.03.采用Dropout方法对隐含层以50%的概率进行随机丢取.最后的分类器采用Softmax.

图1 一个概率max-pooling卷积CRBM结构示意图

2 自然场景文本检测方法

一个典型的自然场景文本检测主要流程如图2所示,简单描述自然场景文本检测的主要步骤[10-12]：

1) 最大稳定极值区域(Maximally Stable Extremal Regions,MSERs)[13]文本定位：假定同一个区域成分的某些相似特征(颜色、亮度和笔划宽度的特征)差别较大,并且与背景的特征也存在较大区别的前提下,采用自底向上的方法在图像中把连通成分作提取处理,获取文本候选区域.

2) 预处理：对最大稳定极值区域MSER提取的文本候选区域进行裁剪分割,过滤掉一些很长很细的MSER区域(很长很细的MSER区域不可能是文本区域),把不规整的MSER区域统一规范成28×28的输入图像如图3所示,并在整理好的28×28输入图像上添加Ground truth矩形框.

图2 MSER区域统一规范成28×28的输入图像

图3 自然场景文本检测主要流程

3) CDBN特征提取：将从最大稳定极值区域MSER中提取出来的候选文本区域经过预处理后输入到卷积深度置信网络中进行训练,从训练最大稳定极值区域数据中进行学习更多隐藏特征,对候选文本区域进行验证,进而过滤掉大量的非文本的MSER区域.

3 结果与分析

下面通过数值实验来验证本文所提出的场景文本检测方法性能,将本文的方法和其他方法进行比较.本文使用一些公开的自然场景文本检测的数据集,包括ICDAR2011鲁棒阅读竞赛(Robust Reading Competition)数据集[14],和街景(Street View Text,SVT)数据集[15].数据集中的图片是彩色的,尺寸在307×93到1280×960内.本实验的文本检测输出结果为单词级别的矩形框,与数据集的Ground truth匹配.对于文本检测任务而言,有两个重要的评价指标[1]：精确率(使用p表示)和召回率(使用r表示).其中p用来反映检测出的单词在Ground truth被标记的比例,而r则用来表示Ground truth里标记的单词被检测出的比例p和r通过计算Ground truth矩形框和检测到的矩形框之间的差异得到.

3.1 开发与实验环境

硬件环境：64位Intel(R)Core(TM)i7-4790 3.6 GHz CPU,4 G RAM.

软件环境：Windows 8.1旗舰版,Matlab R2016b.

本文实验在Visual Studio 2013和Opencv 2.4.8环境中进行了数据准备和在Matlab R2016b环境中进行了基于稀疏自动编码的文本检测.

3.2 数据集和评估方法

① ICDAR2011数据集

ICDAR 2011数据集包含484张图片,其中训练集包229张(848个单词),测试集包含255张(1189个单词,6393个字符).ICDAR 2011数据集的评价协议考虑三种匹配情况：一对一、一对多和没有匹配.相应地,其精确率和召回率的计算方式如下：

其中,N是数据集中图像的总数,分别是第i个图像中的检测到矩形数和真实矩形数.分别是检测矩形Dj和真实矩形Gi的匹配分数.对于一对一匹配,它们的值设置为1,对于一对多的匹配,它们的值为0.8,不匹配的值为0.当它们的重叠比率高于定义的阈值时,两个矩形认为是匹配的,即重叠率越高,检测率越高.

② SVT数据集

SVT数据集从Google街景中搜集的,图像背景多为街道,其中包含的文本信息主要是商业名称,建筑名称等.由于其图像是通过移动的车辆拍摄获得,所以不可避免地会产生运动模糊以及形变,而且图像的分辨率较低,文本字体差异明显[16].共包含350张,其中101张用作训练集(257个单词),249张用作测试集(674个单词,3796个字符).对于SVT数据集,使用与ICDAR2011数据集相同的评价协议.

3.3 实验和结果

① ICDAR数据集实验结果

为了评价本文两个方法的有效性,首先在ICDAR数据集上与其它较好的方法进行比较.表1是在ICDAR2011数据集上的文本检测对比结果.可以看到,MSER-CDBN方法的精确率和召回率都取得改善,提高了1.45%-2.18%并且F-measure分数超过了78.63%.由于MSER-CDBN使用了对复杂图像更加鲁棒的候选字符提取算法MSER和可以更好学习特征的CDBN模型,因此识别精确率和召回率都得到提高.

表1 ICDAR2011数据集上实验对比结果

为了提高模型检测精确率,一个非常重要的策略就是引入随机噪声.为了验证随机噪声引入与否的影响,在其他条件不变的情况下,引入随机噪声和不引入随机噪声的实验结果对比,如表2所示.

表2 ICDAR2011数据集上引入随机噪声和不引入随机噪声的实验结果对比

由表2可知加入了噪声后的CDBN学习到的特征比较好,ICDAR2011数据集上的精确率提高到了89.49%,可以看出随着训练次数的增加,文本检测的精确率也在提高,对于那些误判的文本进行归类发现很大一部分是由于复杂的背景造成的,为此,本文给输入数据加入噪声,利用污染后的数据进行特征学习,和原先的数据进行对比发现,精确率有所提高.图4显示了MSER-CDBN方法在ICDAR2011数据集上的部分检测结果.

② SVT数据集实验结果

SVT数据集比ICDAR2011数据集更为复杂,拥有更多的字体变化,而且图像常常包含大量的噪声信息.在SVT数据集上对比方法比较少,本文选择了两个代表性的方法用于对比实验.这里需要注意的是下列方法均采用ICDAR 2011官方的评价协议.

图4 MSER-CDBN在ICDAR2011数据集上实验示例

可以从表3看到,本文的方法相比MSERCNN和SWT-DBN的方法,精确率提高了2.53%,召回率与SWT-DBN方法相比提高了9.24%,主要得益于本文方法使用了深度学习模型,将从最大稳定极值区域中提取出来的候选文本区域经过预处理后输入到卷积深度置信网络中进行训练,从训练最大稳定极值区域数据中学习更多隐藏特征,进而过滤掉大量的非文本的MSER区域.图5显示了MSER-CDBN方法在SVT数据集上的部分识别结果.

表3 SVT数据集上实验对比结果

4 结论与展望

由于卷积深度置信网络结合了深度置信网络在图像高阶特征方面具有的良好性能和卷积神经网络对图像的位移、缩放及其他旋转等变化具有很好的适应性,本文将该模型和最大稳定极值区域算法相结合用于场景文本检测解决了图像背景复杂、分辨率低和分布随意的问题.本文在ICADR和SVT数据集上进行实验,结果表明与其它场景文本检测算法相比本文的算法在检测精确率和召回率上有了提高.

图5 MSER-CDBN在SVT数据集上的实验示例

1 Huang WL,Qiao Y,Tang XO.Robust scene text detection with convolution neural network induced MSER trees.Computer Vision(ECCV 2014).Cham：Springer,2014.497-511.

2 Epshtein B,Ofek E,Wexler Y.Detecting text in natural scenes with stroke width transform.Proceedings of Computer Vision and Pattern Recognition.San Francisco,CA,USA.2010.2963-2970.

3 Lee H,Grosse R,Ranganath R,et al.Convolutional deep belief networks for scalable unsupervised learning of hierarchical representations.Proceedings of the 26th Annual International Conference on Machine Learning.Montreal,QC,Canada.2009.609-616.

4 Huang GB,Lee H,Learned-Miller E.Learning hierarchical representations for face verification with convolutional deep belief networks.Proceedings of IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition.Providence,RI,USA.2012.2518-2525.

5 Wicht B,Henneberty J.Mixed handwritten and printed digit recognition in Sudoku with Convolutional Deep Belief Network.Proceedings of the 13th International Conference on Document Analysis and Recognition.Tunis,Tunisia.2015.861-865.

6 何灼彬.基于卷积深度置信网络的歌手识别[硕士学位论文].广州：华南理工大学,2015.38-48.

7 Ren YF,Wu Y.Convolutional deep belief networks for feature extraction of EEG signal.Proceedings of International Joint Conference on Neural Networks.Beijing,China.2014.2850-2853.

8 祝军,赵杰煜,董振宇.融合显著信息的层次特征学习图像分类.计算机研究与发展,2014,51(9)：1919-1928.[doi：10.7544/issn1000-1239.2014.20140138]

9 Shao H,Chen S,Zhao JY,et al.Face recognition based on subset selection via metric learning on manifold.Frontiers of Information Technology &Electronic Engineering,2015,16(12)：1046-1058.

10 Yin XC,Yin XW,Huang KZ,et al.Robust text detection in natural scene images.IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,2014,36(5)：970-983.

11 Xu HL,Xue LK,Su F.Scene text detection based on robust stroke width transform and deep belief network.Computer Vision-ACCV 2014.Cham：Springer,2014.195-209.

12 Wang K,Babenko B,Belongie S.End-to-end scene text recognition.Proceedings of International Conference on Computer Vision.Barcelona,Spain.2012.1457-1464.

13 Chen HZ,Tsai SS,Schroth G,et al.Robust text detection in natural images with edge-enhanced maximally stable extremal regions.Proceedings of IEEE International Conference on Image Processing.Brussels,Belgium.2011.2609-2612.

14 Shahab A,Shafait F,Dengel A.ICDAR 2011 robust reading competition challenge 2：Reading text in scene images.Proceedings of International Conference on Document Analysis and Recognition.Beijing,China.2011.1491-1496.

15 Minetto R,Thome N,Cord M,et al.Text detection and recognition in urban scenes.Proceedings of IEEE International Conference on Computer Vision Workshops.Barcelona,Spain.2012.227-234.

16 Yu TS,Wang RS.Scene parsing using graph matching on street-view data.Computer Vision and Image Understanding,2016,145：70-80.[doi：10.1016/j.cviu.2016.01.004]