Text Detection in Natural Scenes and Technical Diagrams with Convolutional Feature Learning and Cascaded Classification

An enormous amount of digital images are being generated and stored every day. Understanding text in these images is an important challenge with large impacts for academic, industrial and domestic applications. Recent studies address the difficulty of separating text targets from noise and background, all of which vary greatly in natural scenes. To tackle this problem, we develop a text detection system to analyze and utilize visual information in a data driven, automatic and intelligent way. The proposed method incorporates features learned from data, including patch-based coarse-to-fine detection (Text-Conv), connected component extraction using region growing, and graph-based word segmentation (Word-Graph). Text-Conv is a sliding window-based detector, with convolution masks learned using the Convolutional k-means algorithm (Coates et. al, 2011). Unlike convolutional neural networks (CNNs), a single vector/layer of convolution mask responses are used to classify patches. An initial coarse detection considers both local and neighboring patch responses, followed by refinement using varying aspect ratios and rotations for a smaller local detection window. Different levels of visual detail from ground truth are utilized in each step, first using constraints on bounding box intersections, and then a combination of bounding box and pixel intersections. Combining masks from different Convolutional k-means initializations, e.g., seeded using random vectors and then support vectors improves performance. The Word-Graph algorithm uses contextual information to improve word segmentation and prune false character detections based on visual features and spatial context. Our system obtains pixel, character, and word detection f-measures of 93.14%, 90.26%, and 86.77% respectively for the ICDAR 2015 Robust Reading Focused Scene Text dataset, out-performing state-of-the-art systems, and producing highly accurate text detection masks at the pixel level. To investigate the utility of our feature learning approach for other image types, we perform tests on 8- bit greyscale USPTO patent drawing diagram images. An ensemble of Ada-Boost classifiers with different convolutional features (MetaBoost) is used to classify patches as text or background. The Tesseract OCR system is used to recognize characters in detected labels and enhance performance. With appropriate pre-processing and post-processing, f-measures of 82% for part label location, and 73% for valid part label locations and strings are obtained, which are the best obtained to-date for the USPTO patent diagram data set used in our experiments. To sum up, an intelligent refinement of convolutional k-means-based feature learning and novel automatic classification methods are proposed for text detection, which obtain state-of-the-art results without the need for strong prior knowledge. Different ground truth representations along with features including edges, color, shape and spatial relationships are used coherently to improve accuracy. Different variations of feature learning are explored, e.g. support vector-seeded clustering and MetaBoost, with results suggesting that increased diversity in learned features benefit convolution-based text detectors

Boosting bonsai trees for handwritten/printed text discrimination

International audienceBoosting over decision-stumps proved its e ciency in Natural Language Processing essentially with symbolic features, and its good properties (fast, few and not critical parameters, not sensitive to overfitting) could be of great interest in the numeric world of pixel images. In this article we investigated the use of boosting over small decision trees, in image classification processing, for the discrimination of handwritten/printed text. Then, we conducted experiments to compare it to usual SVM-based classification revealing convincing results with very close performance, but with faster predictions and behaving far less as a black-box. Those promising results tend to make use of this classifier in more complex recognition tasks like multiclass problems

Scene text localization and recognition in images and videos

Scene Text Localization and Recognition methods nd all areas in an image or a video that would be considered as text by a human, mark boundaries of the areas and output a sequence of characters associated with its content. They are used to process images and videos taken by a digital camera or a mobile phone and to \read" the content of each text area into a digital format, typically a list of Unicode character sequences, that can be processed in further applications. Three di erent methods for Scene Text Localization and Recognition were proposed in the course of the research, each one advancing the state of the art and improving the accuracy. The rst method detects individual characters as Extremal Regions (ER), where the probability of each ER being a character is estimated using novel features with O(1) complexity and only ERs with locally maximal probability are selected across several image projections for the second stage, where the classi cation is improved using more computationally expensive features. The method was the rst published method to address the complete problem of scene text localization and recognition as a whole - all previous work in the literature focused solely on di erent subproblems. Secondly, a novel easy-to-implement stroke detector was proposed. The detector is signi cantly faster and produces signi cantly less false detections than the commonly used ER detector. The detector e ciently produces character strokes segmentations, which are exploited in a subsequent classi cation phase based on features e ectively calculated as part of the segmentation process. Additionally, an e cient text clustering algorithm based on text direction voting is proposed, which as well as the previous stages is scale- and rotation- invariant and supports wide variety of scripts and fonts. The third method exploits a deep-learning model, which is trained for both text detection and recognition in a single trainable pipeline. The method localizes and recognizes text in an image in a single feed-forward pass, it is trained purely on synthetic data so it does not require obtaining expensive human annotations for training and it achieves state-of-the-art accuracy in the end-to-end text recognition on two standard datasets, whilst being an order of magnitude faster than the previous methods - the whole pipeline runs at 10 frames per second.Katedra kybernetik

Text detection and recognition in natural images using computer vision techniques

El reconocimiento de texto en imágenes reales ha centrado la atención de muchos investigadores en todo el mundo en los últimos años. El motivo es el incremento de productos de bajo coste como teléfonos móviles o Tablet PCs que incorporan dispositivos de captura de imágenes y altas capacidades de procesamiento. Con estos antecedentes, esta tesis presenta un método robusto para detectar, localizar y reconocer texto horizontal en imágenes diurnas tomadas en escenarios reales. El reto es complejo dada la enorme variabilidad de los textos existentes y de las condiciones de captura en entornos reales. Inicialmente se presenta una revisión de los principales trabajos de los últimos años en el campo del reconocimiento de texto en imágenes naturales. Seguidamente, se lleva a cabo un estudio de las características más adecuadas para describir texto respecto de objetos no correspondientes con texto. Típicamente, un sistema de reconocimiento de texto en imágenes está formado por dos grandes etapas. La primera consiste en detectar si existe texto en la imagen y de localizarlo con la mayor precisión posible, minimizando la cantidad de texto no detectado así como el número de falsos positivos. La segunda etapa consiste en reconocer el texto extraído. El método de detección aquí propuesto está basado en análisis de componentes conexos tras aplicar una segmentación que combina un método global como MSER con un método local, de forma que se mejoran las propuestas del estado del arte al segmentar texto incluso en situaciones complejas como imágenes borrosas o de muy baja resolución. El proceso de análisis de los componentes conexos extraídos se optimiza mediante algoritmos genéticos. Al contrario que otros sistemas, nosotros proponemos un método recursivo que permite restaurar aquellos objetos correspondientes con texto y que inicialmente son erróneamente descartados. De esta forma, se consigue mejorar en gran medida la fiabilidad de la detección. Aunque el método propuesto está basado en análisis de componentes conexos, en esta tesis se utiliza también la idea de los métodos basados en texturas para validar las áreas de texto detectadas. Por otro lado, nuestro método para reconocer texto se basa en identificar cada caracter y aplicar posteriormente un modelo de lenguaje para corregir las palabras mal reconocidas, al restringir la solución a un diccionario que contiene el conjunto de posibles términos. Se propone una nueva característica para reconocer los caracteres, a la que hemos dado el nombre de Direction Histogram (DH). Se basa en calcular el histograma de las direcciones del gradiente en los pixeles de borde. Esta característica se compara con otras del estado del arte y los resultados experimentales obtenidos sobre una base de datos compleja muestran que nuestra propuesta es adecuada ya que supera otros trabajos del estado del arte. Presentamos también un método de clasificación borrosa de letras basado en KNN, el cual permite separar caracteres erróneamente conectados durante la etapa de segmentación. El método de reconocimiento de texto propuesto no es solo capaz de reconocer palabras, sino también números y signos de puntuación. El reconocimiento de palabras se lleva a cabo mediante un modelo de lenguaje basado en inferencia probabilística y el British National Corpus, un completo diccionario del inglés británico moderno, si bien el algoritmo puede ser fácilmente adaptado para ser usado con cualquier otro diccionario. El modelo de lenguaje utiliza una modificación del algoritmo forward usando en Modelos Ocultos de Markov. Para comprobar el rendimiento del sistema propuesto, se han obtenido resultados experimentales con distintas bases de datos, las cuales incluyen imágenes en diferentes escenarios y situaciones. Estas bases de datos han sido usadas como banco de pruebas en la última década por la mayoría de investigadores en el área de reconocimiento de texto en imágenes naturales. Los resultados muestran que el sistema propuesto logra un rendimiento similar al del estado del arte en términos de localización, mientras que lo supera en términos de reconocimiento. Con objeto de mostrar la aplicabilidad del método propuesto en esta tesis, se presenta también un sistema de detección y reconocimiento de la información contenida en paneles de tráfico basado en el algoritmo desarrollado. El objetivo de esta aplicación es la creación automática de inventarios de paneles de tráfico de países o regiones que faciliten el mantenimiento de la señalización vertical de las carreteras, usando imágenes disponibles en el servicio Street View de Google. Se ha creado una base de datos para esta aplicación. Proponemos modelar los paneles de tráfico usando apariencia visual en lugar de las clásicas soluciones que utilizan bordes o características geométricas, con objeto de detectar aquellas imágenes en las que existen paneles de tráfico. Los resultados experimentales muestran la viabilidad del sistema propuesto

Text detection and recognition in natural images using computer vision techniques

El reconocimiento de texto en imágenes reales ha centrado la atención de muchos investigadores en todo el mundo en los últimos años. El motivo es el incremento de productos de bajo coste como teléfonos móviles o Tablet PCs que incorporan dispositivos de captura de imágenes y altas capacidades de procesamiento. Con estos antecedentes, esta tesis presenta un método robusto para detectar, localizar y reconocer texto horizontal en imágenes diurnas tomadas en escenarios reales. El reto es complejo dada la enorme variabilidad de los textos existentes y de las condiciones de captura en entornos reales. Inicialmente se presenta una revisión de los principales trabajos de los últimos años en el campo del reconocimiento de texto en imágenes naturales. Seguidamente, se lleva a cabo un estudio de las características más adecuadas para describir texto respecto de objetos no correspondientes con texto. Típicamente, un sistema de reconocimiento de texto en imágenes está formado por dos grandes etapas. La primera consiste en detectar si existe texto en la imagen y de localizarlo con la mayor precisión posible, minimizando la cantidad de texto no detectado así como el número de falsos positivos. La segunda etapa consiste en reconocer el texto extraído. El método de detección aquí propuesto está basado en análisis de componentes conexos tras aplicar una segmentación que combina un método global como MSER con un método local, de forma que se mejoran las propuestas del estado del arte al segmentar texto incluso en situaciones complejas como imágenes borrosas o de muy baja resolución. El proceso de análisis de los componentes conexos extraídos se optimiza mediante algoritmos genéticos. Al contrario que otros sistemas, nosotros proponemos un método recursivo que permite restaurar aquellos objetos correspondientes con texto y que inicialmente son erróneamente descartados. De esta forma, se consigue mejorar en gran medida la fiabilidad de la detección. Aunque el método propuesto está basado en análisis de componentes conexos, en esta tesis se utiliza también la idea de los métodos basados en texturas para validar las áreas de texto detectadas. Por otro lado, nuestro método para reconocer texto se basa en identificar cada caracter y aplicar posteriormente un modelo de lenguaje para corregir las palabras mal reconocidas, al restringir la solución a un diccionario que contiene el conjunto de posibles términos. Se propone una nueva característica para reconocer los caracteres, a la que hemos dado el nombre de Direction Histogram (DH). Se basa en calcular el histograma de las direcciones del gradiente en los pixeles de borde. Esta característica se compara con otras del estado del arte y los resultados experimentales obtenidos sobre una base de datos compleja muestran que nuestra propuesta es adecuada ya que supera otros trabajos del estado del arte. Presentamos también un método de clasificación borrosa de letras basado en KNN, el cual permite separar caracteres erróneamente conectados durante la etapa de segmentación. El método de reconocimiento de texto propuesto no es solo capaz de reconocer palabras, sino también números y signos de puntuación. El reconocimiento de palabras se lleva a cabo mediante un modelo de lenguaje basado en inferencia probabilística y el British National Corpus, un completo diccionario del inglés británico moderno, si bien el algoritmo puede ser fácilmente adaptado para ser usado con cualquier otro diccionario. El modelo de lenguaje utiliza una modificación del algoritmo forward usando en Modelos Ocultos de Markov. Para comprobar el rendimiento del sistema propuesto, se han obtenido resultados experimentales con distintas bases de datos, las cuales incluyen imágenes en diferentes escenarios y situaciones. Estas bases de datos han sido usadas como banco de pruebas en la última década por la mayoría de investigadores en el área de reconocimiento de texto en imágenes naturales. Los resultados muestran que el sistema propuesto logra un rendimiento similar al del estado del arte en términos de localización, mientras que lo supera en términos de reconocimiento. Con objeto de mostrar la aplicabilidad del método propuesto en esta tesis, se presenta también un sistema de detección y reconocimiento de la información contenida en paneles de tráfico basado en el algoritmo desarrollado. El objetivo de esta aplicación es la creación automática de inventarios de paneles de tráfico de países o regiones que faciliten el mantenimiento de la señalización vertical de las carreteras, usando imágenes disponibles en el servicio Street View de Google. Se ha creado una base de datos para esta aplicación. Proponemos modelar los paneles de tráfico usando apariencia visual en lugar de las clásicas soluciones que utilizan bordes o características geométricas, con objeto de detectar aquellas imágenes en las que existen paneles de tráfico. Los resultados experimentales muestran la viabilidad del sistema propuesto

Content Recognition and Context Modeling for Document Analysis and Retrieval

The nature and scope of available documents are changing significantly in many areas of document analysis and retrieval as complex, heterogeneous collections become accessible to virtually everyone via the web. The increasing level of diversity presents a great challenge for document image content categorization, indexing, and retrieval. Meanwhile, the processing of documents with unconstrained layouts and complex formatting often requires effective leveraging of broad contextual knowledge. In this dissertation, we first present a novel approach for document image content categorization, using a lexicon of shape features. Each lexical word corresponds to a scale and rotation invariant local shape feature that is generic enough to be detected repeatably and is segmentation free. A concise, structurally indexed shape lexicon is learned by clustering and partitioning feature types through graph cuts. Our idea finds successful application in several challenging tasks, including content recognition of diverse web images and language identification on documents composed of mixed machine printed text and handwriting. Second, we address two fundamental problems in signature-based document image retrieval. Facing continually increasing volumes of documents, detecting and recognizing unique, evidentiary visual entities (\eg, signatures and logos) provides a practical and reliable supplement to the OCR recognition of printed text. We propose a novel multi-scale framework to detect and segment signatures jointly from document images, based on the structural saliency under a signature production model. We formulate the problem of signature retrieval in the unconstrained setting of geometry-invariant deformable shape matching and demonstrate state-of-the-art performance in signature matching and verification. Third, we present a model-based approach for extracting relevant named entities from unstructured documents. In a wide range of applications that require structured information from diverse, unstructured document images, processing OCR text does not give satisfactory results due to the absence of linguistic context. Our approach enables learning of inference rules collectively based on contextual information from both page layout and text features. Finally, we demonstrate the importance of mining general web user behavior data for improving document ranking and other web search experience. The context of web user activities reveals their preferences and intents, and we emphasize the analysis of individual user sessions for creating aggregate models. We introduce a novel algorithm for estimating web page and web site importance, and discuss its theoretical foundation based on an intentional surfer model. We demonstrate that our approach significantly improves large-scale document retrieval performance

Weed/Plant Classification Using Evolutionary Optimised Ensemble Based On Local Binary Patterns

This thesis presents a novel pixel-level weed classification through rotation-invariant uniform local binary pattern (LBP) features for precision weed control. Based on two-level optimisation structure; First, Genetic Algorithm (GA) optimisation to select the best rotation-invariant uniform LBP configurations; Second, Covariance Matrix Adaptation Evolution Strategy (CMA-ES) in the Neural Network (NN) ensemble to select the best combinations of voting weights of the predicted outcome for each classifier. The model obtained 87.9% accuracy in CWFID public benchmark