Apprentissage profond de formes manuscrites pour la reconnaissance et le repérage efficace de l'écriture dans les documents numérisés

Malgré les efforts importants de la communauté d’analyse de documents, définir une representation robuste pour les formes manuscrites demeure un défi de taille. Une telle representation ne peut pas être définie explicitement par un ensemble de règles, et doit plutôt être obtenue avec une extraction intelligente de caractéristiques de haut niveau à partir d’images de documents. Dans cette thèse, les modèles d’apprentissage profond sont investigués pour la representation automatique de formes manuscrites. Les représentations proposées par ces modèles sont utilisées pour définir un système de reconnaissance et de repérage de mots individuels dans les documents. Le choix de traiter les mots individuellement est motivé par le fait que n’importe quel texte peut être segmenté en un ensemble de mots séparés. Dans une première contribution, une représentation non supervisée profonde est proposée pour la tâche de repérage de mots manuscrits. Cette représentation se base sur l’algorithme de regroupement spherical k-means, qui est employé pour construire une hiérarchie de fonctions paramétriques encodant les images de documents. Les avantages de cette représentation sont multiples. Tout d’abord, elle est définie de manière non supervisée, ce qui évite la nécessité d’avoir des données annotées pour l’entraînement. Ensuite, elle se calcule rapidement et est de taille compacte, permettant ainsi de repérer des mots efficacement. Dans une deuxième contribution, un modèle de bout en bout est développé pour la reconnaissance de mots manuscrits. Ce modèle est composé d’un réseau de neurones convolutifs qui prend en entrée l’image d’un mot et produit en sortie une représentation du texte reconnu. Ce texte est représenté sous la forme d’un ensemble de sous-sequences bidirectionnelles de caractères formant une hiérarchie. Cette représentation se distingue des approches existantes dans la littérature et offre plusieurs avantages par rapport à celles-ci. Notamment, elle est binaire et a une taille fixe, ce qui la rend robuste à la taille du texte. Par ailleurs, elle capture la distribution des sous-séquences de caractères dans le corpus d’entraînement, et permet donc au modèle entraîné de transférer cette connaissance à de nouveaux mots contenant les memes sous-séquences. Dans une troisième et dernière contribution, un modèle de bout en bout est proposé pour résoudre simultanément les tâches de repérage et de reconnaissance. Ce modèle intègre conjointement les textes et les images de mots dans un seul espace vectoriel. Une image est projetée dans cet espace via un réseau de neurones convolutifs entraîné à détecter les différentes forms de caractères. De même, un mot est projeté dans cet espace via un réseau de neurones récurrents. Le modèle proposé est entraîné de manière à ce que l’image d’un mot et son texte soient projetés au même point. Dans l’espace vectoriel appris, les tâches de repérage et de reconnaissance peuvent être traitées efficacement comme un problème de recherche des plus proches voisins

Keyword spotting in historical handwritten documents based on graph matching

In the last decades historical handwritten documents have become increasingly available in digital form. Yet, the accessibility to these documents with respect to browsing and searching remained limited as full automatic transcription is often not possible or not sufficiently accurate. This paper proposes a novel reliable approach for template-based keyword spotting in historical handwritten documents. In particular, our framework makes use of different graph representations for segmented word images and a sophisticated matching procedure. Moreover, we extend our method to a spotting ensemble. In an exhaustive experimental evaluation on four widely used benchmark datasets we show that the proposed approach is able to keep up or even outperform several state-of-the-art methods for template- and learning-based keyword spotting.The Hasler Foundation Switzerlandhttp://www.elsevier.com/locate/patcog2019-09-01hj2018Informatic

Low-resource speech translation

We explore the task of speech-to-text translation (ST), where speech in one language (source) is converted to text in a different one (target). Traditional ST systems go through an intermediate step where the source language speech is first converted to source language text using an automatic speech recognition (ASR) system, which is then converted to target language text using a machine translation (MT) system. However, this pipeline based approach is impractical for unwritten languages spoken by millions of people around the world, leaving them without access to free and automated translation services such as Google Translate. The lack of such translation services can have important real-world consequences. For example, in the aftermath of a disaster scenario, easily available translation services can help better co-ordinate relief efforts. How can we expand the coverage of automated ST systems to include scenarios which lack source language text? In this thesis we investigate one possible solution: we build ST systems to directly translate source language speech into target language text, thereby forgoing the dependency on source language text. To build such a system, we use only speech data paired with text translations as training data. We also specifically focus on low-resource settings, where we expect at most tens of hours of training data to be available for unwritten or endangered languages. Our work can be broadly divided into three parts. First we explore how we can leverage prior work to build ST systems. We find that neural sequence-to-sequence models are an effective and convenient method for ST, but produce poor quality translations when trained in low-resource settings. In the second part of this thesis, we explore methods to improve the translation performance of our neural ST systems which do not require labeling additional speech data in the low-resource language, a potentially tedious and expensive process. Instead we exploit labeled speech data for high-resource languages which is widely available and relatively easier to obtain. We show that pretraining a neural model with ASR data from a high-resource language, different from both the source and target ST languages, improves ST performance. In the final part of our thesis, we study whether ST systems can be used to build applications which have traditionally relied on the availability of ASR systems, such as information retrieval, clustering audio documents, or question/answering. We build proof-of-concept systems for two downstream applications: topic prediction for speech and cross-lingual keyword spotting. Our results indicate that low-resource ST systems can still outperform simple baselines for these tasks, leaving the door open for further exploratory work. This thesis provides, for the first time, an in-depth study of neural models for the task of direct ST across a range of training data settings on a realistic multi-speaker speech corpus. Our contributions include a set of open-source tools to encourage further research