Handwritten Digit Recognition and Classification Using Machine Learning

In this paper, multiple learning techniques based on Optical character recognition (OCR) for the handwritten digit recognition are examined, and a new accuracy level for recognition of the MNIST dataset is reported. The proposed framework involves three primary parts, image pre-processing, feature extraction and classification. This study strives to improve the recognition accuracy by more than 99% in handwritten digit recognition. As will be seen, pre-processing and feature extraction play crucial roles in this experiment to reach the highest accuracy

Character Recognition

Character recognition is one of the pattern recognition technologies that are most widely used in practical applications. This book presents recent advances that are relevant to character recognition, from technical topics such as image processing, feature extraction or classification, to new applications including human-computer interfaces. The goal of this book is to provide a reference source for academic research and for professionals working in the character recognition field

Comparing natural and synthetic training data for off-line cursive handwriting recognition

Abstrac

Neural Networks for Document Image and Text Processing

Nowadays, the main libraries and document archives are investing a considerable effort on digitizing their collections. Indeed, most of them are scanning the documents and publishing the resulting images without their corresponding transcriptions. This seriously limits the document exploitation possibilities. When the transcription is necessary, it is manually performed by human experts, which is a very expensive and error-prone task. Obtaining transcriptions to the level of required quality demands the intervention of human experts to review and correct the resulting output of the recognition engines. To this end, it is extremely useful to provide interactive tools to obtain and edit the transcription. Although text recognition is the final goal, several previous steps (known as preprocessing) are necessary in order to get a fine transcription from a digitized image. Document cleaning, enhancement, and binarization (if they are needed) are the first stages of the recognition pipeline. Historical Handwritten Documents, in addition, show several degradations, stains, ink-trough and other artifacts. Therefore, more sophisticated and elaborate methods are required when dealing with these kind of documents, even expert supervision in some cases is needed. Once images have been cleaned, main zones of the image have to be detected: those that contain text and other parts such as images, decorations, versal letters. Moreover, the relations among them and the final text have to be detected. Those preprocessing steps are critical for the final performance of the system since an error at this point will be propagated during the rest of the transcription process. The ultimate goal of the Document Image Analysis pipeline is to receive the transcription of the text (Optical Character Recognition and Handwritten Text Recognition). During this thesis we aimed to improve the main stages of the recognition pipeline, from the scanned documents as input to the final transcription. We focused our effort on applying Neural Networks and deep learning techniques directly on the document images to extract suitable features that will be used by the different tasks dealt during the following work: Image Cleaning and Enhancement (Document Image Binarization), Layout Extraction, Text Line Extraction, Text Line Normalization and finally decoding (or text line recognition). As one can see, the following work focuses on small improvements through the several Document Image Analysis stages, but also deals with some of the real challenges: historical manuscripts and documents without clear layouts or very degraded documents. Neural Networks are a central topic for the whole work collected in this document. Different convolutional models have been applied for document image cleaning and enhancement. Connectionist models have been used, as well, for text line extraction: first, for detecting interest points and combining them in text segments and, finally, extracting the lines by means of aggregation techniques; and second, for pixel labeling to extract the main body area of the text and then the limits of the lines. For text line preprocessing, i.e., to normalize the text lines before recognizing them, similar models have been used to detect the main body area and then to height-normalize the images giving more importance to the central area of the text. Finally, Convolutional Neural Networks and deep multilayer perceptrons have been combined with hidden Markov models to improve our transcription engine significantly. The suitability of all these approaches has been tested with different corpora for any of the stages dealt, giving competitive results for most of the methodologies presented.Hoy en día, las principales librerías y archivos está invirtiendo un esfuerzo considerable en la digitalización de sus colecciones. De hecho, la mayoría están escaneando estos documentos y publicando únicamente las imágenes sin transcripciones, limitando seriamente la posibilidad de explotar estos documentos. Cuando la transcripción es necesaria, esta se realiza normalmente por expertos de forma manual, lo cual es una tarea costosa y propensa a errores. Si se utilizan sistemas de reconocimiento automático se necesita la intervención de expertos humanos para revisar y corregir la salida de estos motores de reconocimiento. Por ello, es extremadamente útil para proporcionar herramientas interactivas con el fin de generar y corregir la transcripciones. Aunque el reconocimiento de texto es el objetivo final del Análisis de Documentos, varios pasos previos (preprocesamiento) son necesarios para conseguir una buena transcripción a partir de una imagen digitalizada. La limpieza, mejora y binarización de las imágenes son las primeras etapas del proceso de reconocimiento. Además, los manuscritos históricos tienen una mayor dificultad en el preprocesamiento, puesto que pueden mostrar varios tipos de degradaciones, manchas, tinta a través del papel y demás dificultades. Por lo tanto, este tipo de documentos requiere métodos de preprocesamiento más sofisticados. En algunos casos, incluso, se precisa de la supervisión de expertos para garantizar buenos resultados en esta etapa. Una vez que las imágenes han sido limpiadas, las diferentes zonas de la imagen deben de ser localizadas: texto, gráficos, dibujos, decoraciones, letras versales, etc. Por otra parte, también es importante conocer las relaciones entre estas entidades. Estas etapas del pre-procesamiento son críticas para el rendimiento final del sistema, ya que los errores cometidos en aquí se propagarán al resto del proceso de transcripción. El objetivo principal del trabajo presentado en este documento es mejorar las principales etapas del proceso de reconocimiento completo: desde las imágenes escaneadas hasta la transcripción final. Nuestros esfuerzos se centran en aplicar técnicas de Redes Neuronales (ANNs) y aprendizaje profundo directamente sobre las imágenes de los documentos, con la intención de extraer características adecuadas para las diferentes tareas: Limpieza y Mejora de Documentos, Extracción de Líneas, Normalización de Líneas de Texto y, finalmente, transcripción del texto. Como se puede apreciar, el trabajo se centra en pequeñas mejoras en diferentes etapas del Análisis y Procesamiento de Documentos, pero también trata de abordar tareas más complejas: manuscritos históricos, o documentos que presentan degradaciones. Las ANNs y el aprendizaje profundo son uno de los temas centrales de esta tesis. Diferentes modelos neuronales convolucionales se han desarrollado para la limpieza y mejora de imágenes de documentos. También se han utilizado modelos conexionistas para la extracción de líneas: primero, para detectar puntos de interés y segmentos de texto y, agregarlos para extraer las líneas del documento; y en segundo lugar, etiquetando directamente los píxeles de la imagen para extraer la zona central del texto y así definir los límites de las líneas. Para el preproceso de las líneas de texto, es decir, la normalización del texto antes del reconocimiento final, se han utilizado modelos similares a los mencionados para detectar la zona central del texto. Las imagenes se rescalan a una altura fija dando más importancia a esta zona central. Por último, en cuanto a reconocimiento de escritura manuscrita, se han combinado técnicas de ANNs y aprendizaje profundo con Modelos Ocultos de Markov, mejorando significativamente los resultados obtenidos previamente por nuestro motor de reconocimiento. La idoneidad de todos estos enfoques han sido testeados con diferentes corpus en cada una de las tareas tratadas., obtenieAvui en dia, les principals llibreries i arxius històrics estan invertint un esforç considerable en la digitalització de les seues col·leccions de documents. De fet, la majoria estan escanejant aquests documents i publicant únicament les imatges sense les seues transcripcions, fet que limita seriosament la possibilitat d'explotació d'aquests documents. Quan la transcripció del text és necessària, normalment aquesta és realitzada per experts de forma manual, la qual cosa és una tasca costosa i pot provocar errors. Si s'utilitzen sistemes de reconeixement automàtic es necessita la intervenció d'experts humans per a revisar i corregir l'eixida d'aquests motors de reconeixement. Per aquest motiu, és extremadament útil proporcionar eines interactives amb la finalitat de generar i corregir les transcripcions generades pels motors de reconeixement. Tot i que el reconeixement del text és l'objectiu final de l'Anàlisi de Documents, diversos passos previs (coneguts com preprocessament) són necessaris per a l'obtenció de transcripcions acurades a partir d'imatges digitalitzades. La neteja, millora i binarització de les imatges (si calen) són les primeres etapes prèvies al reconeixement. A més a més, els manuscrits històrics presenten una major dificultat d'analisi i preprocessament, perquè poden mostrar diversos tipus de degradacions, taques, tinta a través del paper i altres peculiaritats. Per tant, aquest tipus de documents requereixen mètodes de preprocessament més sofisticats. En alguns casos, fins i tot, es precisa de la supervisió d'experts per a garantir bons resultats en aquesta etapa. Una vegada que les imatges han sigut netejades, les diferents zones de la imatge han de ser localitzades: text, gràfics, dibuixos, decoracions, versals, etc. D'altra banda, també és important conéixer les relacions entre aquestes entitats i el text que contenen. Aquestes etapes del preprocessament són crítiques per al rendiment final del sistema, ja que els errors comesos en aquest moment es propagaran a la resta del procés de transcripció. L'objectiu principal del treball que estem presentant és millorar les principals etapes del procés de reconeixement, és a dir, des de les imatges escanejades fins a l'obtenció final de la transcripció del text. Els nostres esforços se centren en aplicar tècniques de Xarxes Neuronals (ANNs) i aprenentatge profund directament sobre les imatges de documents, amb la intenció d'extraure característiques adequades per a les diferents tasques analitzades: neteja i millora de documents, extracció de línies, normalització de línies de text i, finalment, transcripció. Com es pot apreciar, el treball realitzat aplica xicotetes millores en diferents etapes de l'Anàlisi de Documents, però també tracta d'abordar tasques més complexes: manuscrits històrics, o documents que presenten degradacions. Les ANNs i l'aprenentatge profund són un dels temes centrals d'aquesta tesi. Diferents models neuronals convolucionals s'han desenvolupat per a la neteja i millora de les dels documents. També s'han utilitzat models connexionistes per a la tasca d'extracció de línies: primer, per a detectar punts d'interés i segments de text i, agregar-los per a extraure les línies del document; i en segon lloc, etiquetant directament els pixels de la imatge per a extraure la zona central del text i així definir els límits de les línies. Per al preprocés de les línies de text, és a dir, la normalització del text abans del reconeixement final, s'han utilitzat models similars als utilitzats per a l'extracció de línies. Finalment, quant al reconeixement d'escriptura manuscrita, s'han combinat tècniques de ANNs i aprenentatge profund amb Models Ocults de Markov, que han millorat significativament els resultats obtinguts prèviament pel nostre motor de reconeixement. La idoneïtat de tots aquests enfocaments han sigut testejats amb diferents corpus en cadascuna de les tasques tractadPastor Pellicer, J. (2017). Neural Networks for Document Image and Text Processing [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90443TESI

Deep Sparse Auto-Encoder Features Learning for Arabic Text Recognition

One of the most recent challenging issues of pattern recognition and artificial intelligence is Arabic text recognition. This research topic is still a pervasive and unaddressed research field, because of several factors. Complications arise due to the cursive nature of the Arabic writing, character similarities, unlimited vocabulary, use of multi-size and mixed-fonts, etc. To handle these challenges, an automatic Arabic text recognition requires building a robust system by computing discriminative features and applying a rigorous classifier together to achieve an improved performance. In this work, we introduce a new deep learning based system that recognizes Arabic text contained in images. We propose a novel hybrid network, combining a Bag-of-Feature (BoF) framework for feature extraction based on a deep Sparse Auto-Encoder (SAE), and Hidden Markov Models (HMMs), for sequence recognition. Our proposed system, termed BoF-deep SAE-HMM, is tested on four datasets, namely the printed Arabic line images Printed KHATT (P-KHATT), the benchmark printed word images Arabic Printed Text Image (APTI), the benchmark handwritten Arabic word images IFN/ENIT, and the benchmark handwritten digits images Modified National Institute of Standards and Technology (MNIST)

Information Preserving Processing of Noisy Handwritten Document Images

Many pre-processing techniques that normalize artifacts and clean noise induce anomalies due to discretization of the document image. Important information that could be used at later stages may be lost. A proposed composite-model framework takes into account pre-printed information, user-added data, and digitization characteristics. Its benefits are demonstrated by experiments with statistically significant results. Separating pre-printed ruling lines from user-added handwriting shows how ruling lines impact people\u27s handwriting and how they can be exploited for identifying writers. Ruling line detection based on multi-line linear regression reduces the mean error of counting them from 0.10 to 0.03, 6.70 to 0.06, and 0.13 to 0.02, com- pared to an HMM-based approach on three standard test datasets, thereby reducing human correction time by 50%, 83%, and 72% on average. On 61 page images from 16 rule-form templates, the precision and recall of form cell recognition are increased by 2.7% and 3.7%, compared to a cross-matrix approach. Compensating for and exploiting ruling lines during feature extraction rather than pre-processing raises the writer identification accuracy from 61.2% to 67.7% on a 61-writer noisy Arabic dataset. Similarly, counteracting page-wise skew by subtracting it or transforming contours in a continuous coordinate system during feature extraction improves the writer identification accuracy. An implementation study of contour-hinge features reveals that utilizing the full probabilistic probability distribution function matrix improves the writer identification accuracy from 74.9% to 79.5%

Multimodal Interactive Transcription of Handwritten Text Images

En esta tesis se presenta un nuevo marco interactivo y multimodal para la transcripción de Documentos manuscritos. Esta aproximación, lejos de proporcionar la transcripción completa pretende asistir al experto en la dura tarea de transcribir. Hasta la fecha, los sistemas de reconocimiento de texto manuscrito disponibles no proporcionan transcripciones aceptables por los usuarios y, generalmente, se requiere la intervención del humano para corregir las transcripciones obtenidas. Estos sistemas han demostrado ser realmente útiles en aplicaciones restringidas y con vocabularios limitados (como es el caso del reconocimiento de direcciones postales o de cantidades numéricas en cheques bancarios), consiguiendo en este tipo de tareas resultados aceptables. Sin embargo, cuando se trabaja con documentos manuscritos sin ningún tipo de restricción (como documentos manuscritos antiguos o texto espontáneo), la tecnología actual solo consigue resultados inaceptables. El escenario interactivo estudiado en esta tesis permite una solución más efectiva. En este escenario, el sistema de reconocimiento y el usuario cooperan para generar la transcripción final de la imagen de texto. El sistema utiliza la imagen de texto y una parte de la transcripción previamente validada (prefijo) para proponer una posible continuación. Despues, el usuario encuentra y corrige el siguente error producido por el sistema, generando así un nuevo prefijo mas largo. Este nuevo prefijo, es utilizado por el sistema para sugerir una nueva hipótesis. La tecnología utilizada se basa en modelos ocultos de Markov y n-gramas. Estos modelos son utilizados aquí de la misma manera que en el reconocimiento automático del habla. Algunas modificaciones en la definición convencional de los n-gramas han sido necesarias para tener en cuenta la retroalimentación del usuario en este sistema.Romero Gómez, V. (2010). Multimodal Interactive Transcription of Handwritten Text Images [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8541Palanci