Reconnaissance de l'écriture manuscrite en-ligne par approche combinant systèmes à vastes marges et modèles de Markov cachés

Handwriting recognition is one of the leading applications of pattern recognition and machine learning. Despite having some limitations, handwriting recognition systems have been used as an input method of many electronic devices and helps in the automation of many manual tasks requiring processing of handwriting images. In general, a handwriting recognition system comprises three functional components; preprocessing, recognition and post-processing. There have been improvements made within each component in the system. However, to further open the avenues of expanding its applications, specific improvements need to be made in the recognition capability of the system. Hidden Markov Model (HMM) has been the dominant methods of recognition in handwriting recognition in offline and online systems. However, the use of Gaussian observation densities in HMM and representational model for word modeling often does not lead to good classification. Hybrid of Neural Network (NN) and HMM later improves word recognition by taking advantage of NN discriminative property and HMM representational capability. However, the use of NN does not optimize recognition capability as the use of Empirical Risk minimization (ERM) principle in its training leads to poor generalization. In this thesis, we focus on improving the recognition capability of a cursive online handwritten word recognition system by using an emerging method in machine learning, the support vector machine (SVM). We first evaluated SVM in isolated character recognition environment using IRONOFF and UNIPEN character databases. SVM, by its use of principle of structural risk minimization (SRM) have allowed simultaneous optimization of representational and discriminative capability of the character recognizer. We finally demonstrate the various practical issues in using SVM within a hybrid setting with HMM. In addition, we tested the hybrid system on the IRONOFF word database and obtained favourable results.Nos travaux concernent la reconnaissance de l'écriture manuscrite qui est l'un des domaines de prédilection pour la reconnaissance des formes et les algorithmes d'apprentissage. Dans le domaine de l'écriture en-ligne, les applications concernent tous les dispositifs de saisie permettant à un usager de communiquer de façon transparente avec les systèmes d'information. Dans ce cadre, nos travaux apportent une contribution pour proposer une nouvelle architecture de reconnaissance de mots manuscrits sans contrainte de style. Celle-ci se situe dans la famille des approches hybrides locale/globale où le paradigme de la segmentation/reconnaissance va se trouver résolu par la complémentarité d'un système de reconnaissance de type discriminant agissant au niveau caractère et d'un système par approche modèle pour superviser le niveau global. Nos choix se sont portés sur des Séparateurs à Vastes Marges (SVM) pour le classifieur de caractères et sur des algorithmes de programmation dynamique, issus d'une modélisation par Modèles de Markov Cachés (HMM). Cette combinaison SVM/HMM est unique dans le domaine de la reconnaissance de l'écriture manuscrite. Des expérimentations ont été menées, d'abord dans un cadre de reconnaissance de caractères isolés puis sur la base IRONOFF de mots cursifs. Elles ont montré la supériorité des approches SVM par rapport aux solutions à bases de réseaux de neurones à convolutions (Time Delay Neural Network) que nous avions développées précédemment, et leur bon comportement en situation de reconnaissance de mots

Query-Driven Global Graph Attention Model for Visual Parsing: Recognizing Handwritten and Typeset Math Formulas

We present a new visual parsing method based on standard Convolutional Neural Networks (CNNs) for handwritten and typeset mathematical formulas. The Query-Driven Global Graph Attention (QD-GGA) parser employs multi-task learning, using a single feature representation for locating, classifying, and relating symbols. QD-GGA parses formulas by first constructing a Line-Of-Sight (LOS) graph over the input primitives (e.g handwritten strokes or connected components in images). Second, class distributions for LOS nodes and edges are obtained using query-specific feature filters (i.e., attention) in a single feed-forward pass. This allows end-to-end structure learning using a joint loss over primitive node and edge class distributions. Finally, a Maximum Spanning Tree (MST) is extracted from the weighted graph using Edmonds\u27 Arborescence Algorithm. The model may be run recurrently over the input graph, updating attention to focus on symbols detected in the previous iteration. QD-GGA does not require additional grammar rules and the language model is learned from the sets of symbols/relationships and the statistics over them in the training set. We benchmark our system against both handwritten and typeset state-of-the-art math recognition systems. Our preliminary results show that this is a promising new approach for visual parsing of math formulas. Using recurrent execution, symbol detection is near perfect for both handwritten and typeset formulas: we obtain a symbol f-measure of over 99.4% for both the CROHME (handwritten) and INFTYMCCDB-2 (typeset formula image) datasets. Our method is also much faster in both training and execution than state-of-the-art RNN-based formula parsers. The unlabeled structure detection of QDGGA is competitive with encoder-decoder models, but QD-GGA symbol and relationship classification is weaker. We believe this may be addressed through increased use of spatial features and global context

Conditional Random Fields as Recurrent Neural Networks

Pixel-level labelling tasks, such as semantic segmentation, play a central role in image understanding. Recent approaches have attempted to harness the capabilities of deep learning techniques for image recognition to tackle pixel-level labelling tasks. One central issue in this methodology is the limited capacity of deep learning techniques to delineate visual objects. To solve this problem, we introduce a new form of convolutional neural network that combines the strengths of Convolutional Neural Networks (CNNs) and Conditional Random Fields (CRFs)-based probabilistic graphical modelling. To this end, we formulate mean-field approximate inference for the Conditional Random Fields with Gaussian pairwise potentials as Recurrent Neural Networks. This network, called CRF-RNN, is then plugged in as a part of a CNN to obtain a deep network that has desirable properties of both CNNs and CRFs. Importantly, our system fully integrates CRF modelling with CNNs, making it possible to train the whole deep network end-to-end with the usual back-propagation algorithm, avoiding offline post-processing methods for object delineation. We apply the proposed method to the problem of semantic image segmentation, obtaining top results on the challenging Pascal VOC 2012 segmentation benchmark.Comment: This paper is published in IEEE ICCV 201

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

Hybrid modeling, HMM/NN architectures, and protein applications

We describe a hybrid modeling approach where the parameters of a model are calculated and modulated by another model, typically a neural network (NN), to avoid both overfitting and underfitting. We develop the approach for the case of Hidden Markov Models (HMMs), by deriving a class of hybrid HMM/NN architectures. These architectures can be trained with unified algorithms that blend HMM dynamic programming with NN backpropagation. In the case of complex data, mixtures of HMMs or modulated HMMs must be used. NNs can then be applied both to the parameters of each single HMM, and to the switching or modulation of the models, as a function of input or context. Hybrid HMM/NN architectures provide a flexible NN parameterization for the control of model structure and complexity. At the same time, they can capture distributions that, in practice, are inaccessible to single HMMs. The HMM/NN hybrid approach is tested, in its simplest form, by constructing a model of the immunoglobulin protein family. A hybrid model is trained, and a multiple alignment derived, with less than a fourth of the number of parameters used with previous single HMMs

Mathematical Expression Recognition based on Probabilistic Grammars

[EN] Mathematical notation is well-known and used all over the world. Humankind has evolved from simple methods representing countings to current well-defined math notation able to account for complex problems. Furthermore, mathematical expressions constitute a universal language in scientific fields, and many information resources containing mathematics have been created during the last decades. However, in order to efficiently access all that information, scientific documents have to be digitized or produced directly in electronic formats. Although most people is able to understand and produce mathematical information, introducing math expressions into electronic devices requires learning specific notations or using editors. Automatic recognition of mathematical expressions aims at filling this gap between the knowledge of a person and the input accepted by computers. This way, printed documents containing math expressions could be automatically digitized, and handwriting could be used for direct input of math notation into electronic devices. This thesis is devoted to develop an approach for mathematical expression recognition. In this document we propose an approach for recognizing any type of mathematical expression (printed or handwritten) based on probabilistic grammars. In order to do so, we develop the formal statistical framework such that derives several probability distributions. Along the document, we deal with the definition and estimation of all these probabilistic sources of information. Finally, we define the parsing algorithm that globally computes the most probable mathematical expression for a given input according to the statistical framework. An important point in this study is to provide objective performance evaluation and report results using public data and standard metrics. We inspected the problems of automatic evaluation in this field and looked for the best solutions. We also report several experiments using public databases and we participated in several international competitions. Furthermore, we have released most of the software developed in this thesis as open source. We also explore some of the applications of mathematical expression recognition. In addition to the direct applications of transcription and digitization, we report two important proposals. First, we developed mucaptcha, a method to tell humans and computers apart by means of math handwriting input, which represents a novel application of math expression recognition. Second, we tackled the problem of layout analysis of structured documents using the statistical framework developed in this thesis, because both are two-dimensional problems that can be modeled with probabilistic grammars. The approach developed in this thesis for mathematical expression recognition has obtained good results at different levels. It has produced several scientific publications in international conferences and journals, and has been awarded in international competitions.[ES] La notación matemática es bien conocida y se utiliza en todo el mundo. La humanidad ha evolucionado desde simples métodos para representar cuentas hasta la notación formal actual capaz de modelar problemas complejos. Además, las expresiones matemáticas constituyen un idioma universal en el mundo científico, y se han creado muchos recursos que contienen matemáticas durante las últimas décadas. Sin embargo, para acceder de forma eficiente a toda esa información, los documentos científicos han de ser digitalizados o producidos directamente en formatos electrónicos. Aunque la mayoría de personas es capaz de entender y producir información matemática, introducir expresiones matemáticas en dispositivos electrónicos requiere aprender notaciones especiales o usar editores. El reconocimiento automático de expresiones matemáticas tiene como objetivo llenar ese espacio existente entre el conocimiento de una persona y la entrada que aceptan los ordenadores. De este modo, documentos impresos que contienen fórmulas podrían digitalizarse automáticamente, y la escritura se podría utilizar para introducir directamente notación matemática en dispositivos electrónicos. Esta tesis está centrada en desarrollar un método para reconocer expresiones matemáticas. En este documento proponemos un método para reconocer cualquier tipo de fórmula (impresa o manuscrita) basado en gramáticas probabilísticas. Para ello, desarrollamos el marco estadístico formal que deriva varias distribuciones de probabilidad. A lo largo del documento, abordamos la definición y estimación de todas estas fuentes de información probabilística. Finalmente, definimos el algoritmo que, dada cierta entrada, calcula globalmente la expresión matemática más probable de acuerdo al marco estadístico. Un aspecto importante de este trabajo es proporcionar una evaluación objetiva de los resultados y presentarlos usando datos públicos y medidas estándar. Por ello, estudiamos los problemas de la evaluación automática en este campo y buscamos las mejores soluciones. Asimismo, presentamos diversos experimentos usando bases de datos públicas y hemos participado en varias competiciones internacionales. Además, hemos publicado como código abierto la mayoría del software desarrollado en esta tesis. También hemos explorado algunas de las aplicaciones del reconocimiento de expresiones matemáticas. Además de las aplicaciones directas de transcripción y digitalización, presentamos dos propuestas importantes. En primer lugar, desarrollamos mucaptcha, un método para discriminar entre humanos y ordenadores mediante la escritura de expresiones matemáticas, el cual representa una novedosa aplicación del reconocimiento de fórmulas. En segundo lugar, abordamos el problema de detectar y segmentar la estructura de documentos utilizando el marco estadístico formal desarrollado en esta tesis, dado que ambos son problemas bidimensionales que pueden modelarse con gramáticas probabilísticas. El método desarrollado en esta tesis para reconocer expresiones matemáticas ha obtenido buenos resultados a diferentes niveles. Este trabajo ha producido varias publicaciones en conferencias internacionales y revistas, y ha sido premiado en competiciones internacionales.[CA] La notació matemàtica és ben coneguda i s'utilitza a tot el món. La humanitat ha evolucionat des de simples mètodes per representar comptes fins a la notació formal actual capaç de modelar problemes complexos. A més, les expressions matemàtiques constitueixen un idioma universal al món científic, i s'han creat molts recursos que contenen matemàtiques durant les últimes dècades. No obstant això, per accedir de forma eficient a tota aquesta informació, els documents científics han de ser digitalitzats o produïts directament en formats electrònics. Encara que la majoria de persones és capaç d'entendre i produir informació matemàtica, introduir expressions matemàtiques en dispositius electrònics requereix aprendre notacions especials o usar editors. El reconeixement automàtic d'expressions matemàtiques té per objectiu omplir aquest espai existent entre el coneixement d'una persona i l'entrada que accepten els ordinadors. D'aquesta manera, documents impresos que contenen fórmules podrien digitalitzar-se automàticament, i l'escriptura es podria utilitzar per introduir directament notació matemàtica en dispositius electrònics. Aquesta tesi està centrada en desenvolupar un mètode per reconèixer expressions matemàtiques. En aquest document proposem un mètode per reconèixer qualsevol tipus de fórmula (impresa o manuscrita) basat en gramàtiques probabilístiques. Amb aquesta finalitat, desenvolupem el marc estadístic formal que deriva diverses distribucions de probabilitat. Al llarg del document, abordem la definició i estimació de totes aquestes fonts d'informació probabilística. Finalment, definim l'algorisme que, donada certa entrada, calcula globalment l'expressió matemàtica més probable d'acord al marc estadístic. Un aspecte important d'aquest treball és proporcionar una avaluació objectiva dels resultats i presentar-los usant dades públiques i mesures estàndard. Per això, estudiem els problemes de l'avaluació automàtica en aquest camp i busquem les millors solucions. Així mateix, presentem diversos experiments usant bases de dades públiques i hem participat en diverses competicions internacionals. A més, hem publicat com a codi obert la majoria del software desenvolupat en aquesta tesi. També hem explorat algunes de les aplicacions del reconeixement d'expressions matemàtiques. A més de les aplicacions directes de transcripció i digitalització, presentem dues propostes importants. En primer lloc, desenvolupem mucaptcha, un mètode per discriminar entre humans i ordinadors mitjançant l'escriptura d'expressions matemàtiques, el qual representa una nova aplicació del reconeixement de fórmules. En segon lloc, abordem el problema de detectar i segmentar l'estructura de documents utilitzant el marc estadístic formal desenvolupat en aquesta tesi, donat que ambdós són problemes bidimensionals que poden modelar-se amb gramàtiques probabilístiques. El mètode desenvolupat en aquesta tesi per reconèixer expressions matemàtiques ha obtingut bons resultats a diferents nivells. Aquest treball ha produït diverses publicacions en conferències internacionals i revistes, i ha sigut premiat en competicions internacionals.Álvaro Muñoz, F. (2015). Mathematical Expression Recognition based on Probabilistic Grammars [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/51665TESI