一个悄然崛起的国产 OCR 开源项目

2022-05-22 14:53:40 浏览数 (1)

OCR 方向的工程师，之前一定听说过 PaddleOCR 这个开源项目吧。

经过多年累计后，该项目 GitHub Star 数量已超过 20000 ，并频频登上 GitHub Trending 和 Paperswithcode 日榜月榜第一。

不仅如此，该项目还在 Medium 与 Papers with Code 联合评选的《Top Trending Libraries of 2021》，从百万量级项目中脱颖而出，荣登 Top10！在《2021 中国开源年度报告》中被评为活跃度 Top5！

称它为 OCR 方向目前最火的 repo 绝对不为过。

PaddleOCR 影响力

PP-OCRv3 效果

本次 PaddleOCR 最新发版，带来四大重磅升级，包括：

  1. 发布超轻量 OCR 系统 PP-OCRv3：中英文、纯英文以及多语言场景精度再提升 5% - 11%！
  2. 发布半自动标注工具 PPOCRLabelv2：新增表格文字图像、图像关键信息抽取任务和不规则文字图像的标注功能。
  3. 发布 OCR 产业落地工具集：打通 22 种训练部署软硬件环境与方式，覆盖企业 90% 的训练部署环境需求。
  4. 发布业界首个交互式 OCR 开源电子书《动手学 OCR》，覆盖 OCR 全栈技术的前沿理论与代码实践，并配套教学视频。

传送门：https://github.com/PaddlePaddle/PaddleOCR

下面我们就对上述升级依次进行说明：

01

PP-OCRv3 优化策略详细解读

PP-OCR 是 PaddleOCR 团队自研的超轻量 OCR 系统，面向 OCR 产业应用，权衡精度与速度。

近期，PaddleOCR 团队针对 PP-OCRv2 的检测模块和识别模块，进行共计 9 个方面的升级，打造出一款全新的、效果更优的超轻量 OCR 系统：PP-OCRv3。

从效果上看，速度可比情况下，多种场景精度均有大幅提升：

1. 中文场景，相比于 PP-OCRv2 中文模型提升超 5%；

2. 英文数字场景，相比于 PP-OCRv2 英文数字模型提升 11%；

3. 多语言场景，优化 80 语种识别效果，平均准确率提升超 5%。

全新升级的 PP-OCRv3 的整体框架图（粉色框中为 PP-OCRv3 新增策略）如下图。

检测模块仍基于 DB 算法优化，而识别模块不再采用 CRNN，更新为 IJCAI 2022 最新收录的文本识别算法 SVTR (论文名称：SVTR: Scene Text Recognition with a Single Visual Model)，并对其进行产业适配。

具体的优化策略包括：

1. 检测模块

● LK-PAN：大感受野的 PAN 结构

● DML：教师模型互学习策略

● RSE-FPN：残差注意力机制的 FPN 结构

2. 识别模块

● SVTR_LCNet：轻量级文本识别网络

● GTC：Attention 指导 CTC 训练策略

● TextConAug：挖掘文字上下文信息的数据增广策略

● TextRotNet：自监督的预训练模型

● UDML：联合互学习策略

● UIM：无标注数据挖掘方案

优化策略解读详见第六节。

02

PPOCRLabelv2 多项重磅更新

PPOCRLabel 是首款开源的 OCR 半自动数据标注工具，大幅减少开发者标注 OCR 数据的时间。

2021 年，项目获得 Wave Summit 2021 优秀开源项目奖、启智社区优秀项目奖。经过一年的更新迭代，PPOCRLabel 结合产业实际落地需求，正式发布 PPOCRLabelv2，更新内容如下：

  • 新增标注类型：表格标注、关键信息标注、不规则文字图像的标注（印章、弯曲文本等）
  • 新增功能：锁定框、图像旋转、数据集划分、批量处理等
  • 易用性提升：新增 whl 包安装、以及优化多处标注体验

表格标注动图、KIE 标注（横向拉动）

03

OCR 产业落地工具集

考虑到真实产业应用面对的各种软硬件环境和不同的场景需求，基于飞桨训推一体的功能完备，本次升级发布 OCR 产业落地工具集，打通 22 种训练部署软硬件环境与方式，包括 3 种训练方式、6 种训练环境、3 种模型压缩策略、和 10 种推理部署方式，如下表所示：

其中特色能力如下：

1. 分布式训练：飞桨分布式训练架构具备 4D 混合并行、端到端自适应分布式训练等多项特色技术。在 PP-OCRv3 识别模型训练中，4 机加速比达到 3.52 倍，精度几乎无损。

2. 模型压缩：飞桨模型压缩工具 PaddleSlim 功能完备，覆盖模型裁剪、量化、蒸馏和 NAS。PP-OCR 模型经过裁剪量化后，模型大小从 8.1M 压缩至 3.5M，移动端平均预测耗时减少 36%。

3. 服务化部署：飞桨服务化部署引擎 Paddle Serving，提供性能优越、功能可靠的模型即服务能力。针对 PP-OCR 模型的服务化部署，采用全异步的 Pipeline Serving，可将吞吐量提升 2 倍以上。

4. 移动端 / 边缘端部署：飞桨轻量化推理引擎 Paddle Lite 适配了 20 AI 加速芯片，可以快速实现 OCR 模型在移动设备、嵌入式设备和 IOT 设备等高效设备的部署。

5. 云上飞桨：面向飞桨框架及其模型套件的部署工具箱，支持 Docker 化部署和 Kubernetes 集群部署两种方式，满足不同场景与环境下 OCR 模型的训练部署需求。

04

《动手学 OCR》电子书

《动手学 OCR》是 PaddleOCR 团队携手华中科技大学博导 / 教授，IAPR Fellow 白翔、复旦大学青年研究员陈智能、中国移动研究院视觉领域资深专家黄文辉、中国工商银行大数据人工智能实验室研究员等产学研同仁，以及 OCR 开发者共同打造的结合 OCR 前沿理论与代码实践的教材。

主要特色如下：

  • 覆盖从文本检测识别到文档分析的 OCR 全栈技术
  • 紧密结合理论实践，跨越代码实现鸿沟，并配套教学视频
  • Notebook 交互式学习，灵活修改代码，即刻获得结果

05

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https://github.com/PaddlePaddle/PaddleOCR

官网地址：https://www.paddlepaddle.org.cn

PaddleOCR 项目地址：

GitHub: https://github.com/PaddlePaddle/PaddleOCR

Gitee: https://gitee.com/paddlepaddle/PaddleOCR

注：[1] 测试样例图片源于网络

06

PP-OCRv3 优化策略详解

1. 检测模块优化策略

PP-OCRv3 检测模块对 PP-OCRv2 中的 CML（Collaborative Mutual Learning) 协同互学习文本检测蒸馏策略进行了升级。

如下图所示，CML 的核心思想结合了①传统的 Teacher 指导 Student 的标准蒸馏与 ②Students 网络之间的 DML 互学习，可以让 Students 网络互学习的同时，Teacher 网络予以指导。

PP-OCRv3 分别针对教师模型和学生模型进行进一步效果优化。其中，在对教师模型优化时，提出了大感受野的 PAN 结构 LK-PAN 和引入了 DML（Deep Mutual Learning）蒸馏策略；在对学生模型优化时，提出了残差注意力机制的 FPN 结构 RSE-FPN。

消融实验如下表所示。

测试环境：Intel Gold 6148 CPU，预测时开启 MKLDNN 加速。

01

LK-PAN：大感受野的 PAN 结构

LK-PAN (Large Kernel PAN) 是一个具有更大感受野的轻量级 PAN 结构，核心是将 PAN 结构的 path augmentation 中卷积核从 3*3 改为 9*9。通过增大卷积核，提升特征图每个位置覆盖的感受野，更容易检测大字体的文字以及极端长宽比的文字。使用 LK-PAN 结构，可以将教师模型的 hmean 从 83.2% 提升到 85.0%。

02

DML：教师模型互学习策略

DML 互学习蒸馏方法，通过两个结构相同的模型互相学习，可以有效提升文本检测模型的精度。教师模型采用 DML 策略， hmean 从 85% 提升到 86%。将 PP-OCRv2 中 CML 的教师模型更新为上述更高精度的教师模型，学生模型的 hmean 可以进一步从 83.2% 提升到 84.3%。

03

RSE-FPN：残差注意力机制的 FPN 结构

RSE-FPN（Residual Squeeze-and-Excitation FPN）引入残差结构和通道注意力结构，将 FPN 中的卷积层更换为带有残差结构的通道注意力结构的 RSEConv 层，进一步提升特征图的表征能力。进一步将 PP-OCRv2 中 CML 的学生模型的 FPN 结构更新为 RSE-FPN，学生模型的 hmean 可以进一步从 84.3% 提升到 85.4%。

2. 识别模块优化策略

PP-OCRv3 的识别模块是基于文本识别算法 SVTR 优化。SVTR 不再采用 RNN 结构，通过引入 Transformers 结构更加有效地挖掘文本行图像的上下文信息，从而提升文本识别能力。

直接将 PP-OCRv2 的识别模型，替换成 SVTR_Tiny，识别准确率从 74.8% 提升到 80.1%（ 5.3%），但是预测速度慢了将近 11 倍，CPU 上预测一条文本行，将近 100ms。

因此，如下图所示，PP-OCRv3 采用如下 6 个优化策略进行识别模型加速，消融实验如下表所示。

注：测试速度时，实验 01-03 输入图片尺寸均为 (3,32,320)，04-08 输入图片尺寸均为 (3,48,320)。在实际预测时，图像为变长输入，速度会有所变化。测试环境：Intel Gold 6148 CPU，预测时开启 MKLDNN 加速。

01

SVTR_LCNet：轻量级文本识别网络

SVTR_LCNet 是针对文本识别任务，将 Transformer 网络和轻量级 CNN 网络 PP-LCNet 融合的一种轻量级文本识别网络。使用该网络，并且将输入图片规范化高度从 32 提升到 48，预测速度可比情况下，识别准确率达到 73.98%，接近 PP-OCRv2 采用蒸馏策略的识别模型效果。

02

GTC：Attention 指导 CTC 训练策略

GTC（Guided Training of CTC），利用 Attention 指导 CTC 训练，融合多种文本特征的表达，是一种有效的提升文本识别的策略。使用该策略，识别模型的准确率进一步提升到 75.8%（ 1.82%）。

03

TextConAug：挖掘文字上下文信息的数据增广策略

TextConAug 是一种挖掘文字上下文信息的数据增广策略，可以丰富训练数据上下文信息，提升训练数据多样性。使用该策略，识别模型的准确率进一步提升到 76.3%（ 0.5%）。

04

TextRotNet：自监督的预训练模型

TextRotNet 是使用大量无标注的文本行数据，通过自监督方式训练的预训练模型。该模型可以初始化 SVTR_LCNet 的初始权重，从而帮助文本识别模型收敛到更佳位置。使用该策略，识别模型的准确率进一步提升到 76.9%（ 0.6%）。

05

联合互学习策略

UDML（Unified-Deep Mutual Learning）联合互学习是 PP-OCRv2 中就采用的对于文本识别非常有效的提升模型效果的策略。在 PP-OCRv3 中，针对两个不同的 SVTR_LCNet 和 Attention 结构，对他们之间的 PP-LCNet 的特征图、SVTR 模块的输出和 Attention 模块的输出同时进行监督训练。使用该策略，识别模型的准确率进一步提升到 78.4%（ 1.5%）。

06

无标注数据挖掘方案

UIM（Unlabeled Images Mining）是一种非常简单的无标注数据挖掘方案。核心思想是利用高精度的文本识别大模型对无标注数据进行预测，获取伪标签，并且选择预测置信度高的样本作为训练数据，用于训练小模型。使用该策略，识别模型的准确率进一步提升到 79.4%（ 1%）。

经过上述文本检测和文本识别 9 个方面的优化，最终 PP-OCRv3 在速度可比情况下，在中文场景端到端 Hmean 指标相比于 PP-OCRv2 提升 5%，效果大幅提升。具体指标如下表所示：

在英文数字场景，基于 PP-OCRv3 单独训练的英文数字模型，相比于 PP-OCRv2 的英文数字模型提升 11%，如下表所示。

在多语言场景，基于 PP-OCRv3 训练的模型，在有评估集的四种语系，相比于 PP-OCRv2，识别准确率平均提升 5% 以上，如下表所示。同时，PaddleOCR 团队基于 PP-OCRv3 更新了已支持的 80 余种语言识别模型。

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