Advances on the Transcription of Historical Manuscripts based on Multimodality, Interactivity and Crowdsourcing

Natural Language Processing (NLP) is an interdisciplinary research field of Computer Science, Linguistics, and Pattern Recognition that studies, among others, the use of human natural languages in Human-Computer Interaction (HCI). Most of NLP research tasks can be applied for solving real-world problems. This is the case of natural language recognition and natural language translation, that can be used for building automatic systems for document transcription and document translation. Regarding digitalised handwritten text documents, transcription is used to obtain an easy digital access to the contents, since simple image digitalisation only provides, in most cases, search by image and not by linguistic contents (keywords, expressions, syntactic or semantic categories). Transcription is even more important in historical manuscripts, since most of these documents are unique and the preservation of their contents is crucial for cultural and historical reasons. The transcription of historical manuscripts is usually done by paleographers, who are experts on ancient script and vocabulary. Recently, Handwritten Text Recognition (HTR) has become a common tool for assisting paleographers in their task, by providing a draft transcription that they may amend with more or less sophisticated methods. This draft transcription is useful when it presents an error rate low enough to make the amending process more comfortable than a complete transcription from scratch. Thus, obtaining a draft transcription with an acceptable low error rate is crucial to have this NLP technology incorporated into the transcription process. The work described in this thesis is focused on the improvement of the draft transcription offered by an HTR system, with the aim of reducing the effort made by paleographers for obtaining the actual transcription on digitalised historical manuscripts. This problem is faced from three different, but complementary, scenarios: · Multimodality: The use of HTR systems allow paleographers to speed up the manual transcription process, since they are able to correct on a draft transcription. Another alternative is to obtain the draft transcription by dictating the contents to an Automatic Speech Recognition (ASR) system. When both sources (image and speech) are available, a multimodal combination is possible and an iterative process can be used in order to refine the final hypothesis. · Interactivity: The use of assistive technologies in the transcription process allows one to reduce the time and human effort required for obtaining the actual transcription, given that the assistive system and the palaeographer cooperate to generate a perfect transcription. Multimodal feedback can be used to provide the assistive system with additional sources of information by using signals that represent the whole same sequence of words to transcribe (e.g. a text image, and the speech of the dictation of the contents of this text image), or that represent just a word or character to correct (e.g. an on-line handwritten word). · Crowdsourcing: Open distributed collaboration emerges as a powerful tool for massive transcription at a relatively low cost, since the paleographer supervision effort may be dramatically reduced. Multimodal combination allows one to use the speech dictation of handwritten text lines in a multimodal crowdsourcing platform, where collaborators may provide their speech by using their own mobile device instead of using desktop or laptop computers, which makes it possible to recruit more collaborators.El Procesamiento del Lenguaje Natural (PLN) es un campo de investigación interdisciplinar de las Ciencias de la Computación, Lingüística y Reconocimiento de Patrones que estudia, entre otros, el uso del lenguaje natural humano en la interacción Hombre-Máquina. La mayoría de las tareas de investigación del PLN se pueden aplicar para resolver problemas del mundo real. Este es el caso del reconocimiento y la traducción del lenguaje natural, que se pueden utilizar para construir sistemas automáticos para la transcripción y traducción de documentos. En cuanto a los documentos manuscritos digitalizados, la transcripción se utiliza para facilitar el acceso digital a los contenidos, ya que la simple digitalización de imágenes sólo proporciona, en la mayoría de los casos, la búsqueda por imagen y no por contenidos lingüísticos. La transcripción es aún más importante en el caso de los manuscritos históricos, ya que la mayoría de estos documentos son únicos y la preservación de su contenido es crucial por razones culturales e históricas. La transcripción de manuscritos históricos suele ser realizada por paleógrafos, que son personas expertas en escritura y vocabulario antiguos. Recientemente, los sistemas de Reconocimiento de Escritura (RES) se han convertido en una herramienta común para ayudar a los paleógrafos en su tarea, la cual proporciona un borrador de la transcripción que los paleógrafos pueden corregir con métodos más o menos sofisticados. Este borrador de transcripción es útil cuando presenta una tasa de error suficientemente reducida para que el proceso de corrección sea más cómodo que una completa transcripción desde cero. Por lo tanto, la obtención de un borrador de transcripción con una baja tasa de error es crucial para que esta tecnología de PLN sea incorporada en el proceso de transcripción. El trabajo descrito en esta tesis se centra en la mejora del borrador de transcripción ofrecido por un sistema RES, con el objetivo de reducir el esfuerzo realizado por los paleógrafos para obtener la transcripción de manuscritos históricos digitalizados. Este problema se enfrenta a partir de tres escenarios diferentes, pero complementarios: · Multimodalidad: El uso de sistemas RES permite a los paleógrafos acelerar el proceso de transcripción manual, ya que son capaces de corregir en un borrador de la transcripción. Otra alternativa es obtener el borrador de la transcripción dictando el contenido a un sistema de Reconocimiento Automático de Habla. Cuando ambas fuentes están disponibles, una combinación multimodal de las mismas es posible y se puede realizar un proceso iterativo para refinar la hipótesis final. · Interactividad: El uso de tecnologías asistenciales en el proceso de transcripción permite reducir el tiempo y el esfuerzo humano requeridos para obtener la transcripción correcta, gracias a la cooperación entre el sistema asistencial y el paleógrafo para obtener la transcripción perfecta. La realimentación multimodal se puede utilizar en el sistema asistencial para proporcionar otras fuentes de información adicionales con señales que representen la misma secuencia de palabras a transcribir (por ejemplo, una imagen de texto, o la señal de habla del dictado del contenido de dicha imagen de texto), o señales que representen sólo una palabra o carácter a corregir (por ejemplo, una palabra manuscrita mediante una pantalla táctil). · Crowdsourcing: La colaboración distribuida y abierta surge como una poderosa herramienta para la transcripción masiva a un costo relativamente bajo, ya que el esfuerzo de supervisión de los paleógrafos puede ser drásticamente reducido. La combinación multimodal permite utilizar el dictado del contenido de líneas de texto manuscrito en una plataforma de crowdsourcing multimodal, donde los colaboradores pueden proporcionar las muestras de habla utilizando su propio dispositivo móvil en lugar de usar ordenadores,El Processament del Llenguatge Natural (PLN) és un camp de recerca interdisciplinar de les Ciències de la Computació, la Lingüística i el Reconeixement de Patrons que estudia, entre d'altres, l'ús del llenguatge natural humà en la interacció Home-Màquina. La majoria de les tasques de recerca del PLN es poden aplicar per resoldre problemes del món real. Aquest és el cas del reconeixement i la traducció del llenguatge natural, que es poden utilitzar per construir sistemes automàtics per a la transcripció i traducció de documents. Quant als documents manuscrits digitalitzats, la transcripció s'utilitza per facilitar l'accés digital als continguts, ja que la simple digitalització d'imatges només proporciona, en la majoria dels casos, la cerca per imatge i no per continguts lingüístics (paraules clau, expressions, categories sintàctiques o semàntiques). La transcripció és encara més important en el cas dels manuscrits històrics, ja que la majoria d'aquests documents són únics i la preservació del seu contingut és crucial per raons culturals i històriques. La transcripció de manuscrits històrics sol ser realitzada per paleògrafs, els quals són persones expertes en escriptura i vocabulari antics. Recentment, els sistemes de Reconeixement d'Escriptura (RES) s'han convertit en una eina comuna per ajudar els paleògrafs en la seua tasca, la qual proporciona un esborrany de la transcripció que els paleògrafs poden esmenar amb mètodes més o menys sofisticats. Aquest esborrany de transcripció és útil quan presenta una taxa d'error prou reduïda perquè el procés de correcció siga més còmode que una completa transcripció des de zero. Per tant, l'obtenció d'un esborrany de transcripció amb un baixa taxa d'error és crucial perquè aquesta tecnologia del PLN siga incorporada en el procés de transcripció. El treball descrit en aquesta tesi se centra en la millora de l'esborrany de la transcripció ofert per un sistema RES, amb l'objectiu de reduir l'esforç realitzat pels paleògrafs per obtenir la transcripció de manuscrits històrics digitalitzats. Aquest problema s'enfronta a partir de tres escenaris diferents, però complementaris: · Multimodalitat: L'ús de sistemes RES permet als paleògrafs accelerar el procés de transcripció manual, ja que són capaços de corregir un esborrany de la transcripció. Una altra alternativa és obtenir l'esborrany de la transcripció dictant el contingut a un sistema de Reconeixement Automàtic de la Parla. Quan les dues fonts (imatge i parla) estan disponibles, una combinació multimodal és possible i es pot realitzar un procés iteratiu per refinar la hipòtesi final. · Interactivitat: L'ús de tecnologies assistencials en el procés de transcripció permet reduir el temps i l'esforç humà requerits per obtenir la transcripció real, gràcies a la cooperació entre el sistema assistencial i el paleògraf per obtenir la transcripció perfecta. La realimentació multimodal es pot utilitzar en el sistema assistencial per proporcionar fonts d'informació addicionals amb senyals que representen la mateixa seqüencia de paraules a transcriure (per exemple, una imatge de text, o el senyal de parla del dictat del contingut d'aquesta imatge de text), o senyals que representen només una paraula o caràcter a corregir (per exemple, una paraula manuscrita mitjançant una pantalla tàctil). · Crowdsourcing: La col·laboració distribuïda i oberta sorgeix com una poderosa eina per a la transcripció massiva a un cost relativament baix, ja que l'esforç de supervisió dels paleògrafs pot ser reduït dràsticament. La combinació multimodal permet utilitzar el dictat del contingut de línies de text manuscrit en una plataforma de crowdsourcing multimodal, on els col·laboradors poden proporcionar les mostres de parla utilitzant el seu propi dispositiu mòbil en lloc d'utilitzar ordinadors d'escriptori o portàtils, la qual cosa permet ampliar el nombrGranell Romero, E. (2017). Advances on the Transcription of Historical Manuscripts based on Multimodality, Interactivity and Crowdsourcing [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86137TESI

Off-line Thai handwriting recognition in legal amount

Thai handwriting in legal amounts is a challenging problem and a new field in the area of handwriting recognition research. The focus of this thesis is to implement Thai handwriting recognition system. A preliminary data set of Thai handwriting in legal amounts is designed. The samples in the data set are characters and words of the Thai legal amounts and a set of legal amounts phrases collected from a number of native Thai volunteers. At the preprocessing and recognition process, techniques are introduced to improve the characters recognition rates. The characters are divided into two smaller subgroups by their writing levels named body and high groups. The recognition rates of both groups are increased based on their distinguished features. The writing level separation algorithms are implemented using the size and position of characters. Empirical experiments are set to test the best combination of the feature to increase the recognition rates. Traditional recognition systems are modified to give the accumulative top-3 ranked answers to cover the possible character classes. At the postprocessing process level, the lexicon matching algorithms are implemented to match the ranked characters with the legal amount words. These matched words are joined together to form possible choices of amounts. These amounts will have their syntax checked in the last stage. Several syntax violations are caused by consequence faulty character segmentation and recognition resulting from connecting or broken characters. The anomaly in handwriting caused by these characters are mainly detected by their size and shape. During the recovery process, the possible word boundary patterns can be pre-defined and used to segment the hypothesis words. These words are identified by the word recognition and the results are joined with previously matched words to form the full amounts and checked by the syntax rules again. From 154 amounts written by 10 writers, the rejection rate is 14.9 percent with the recovery processes. The recognition rate for the accepted amount is 100 percent

Enhancing Energy Minimization Framework for Scene Text Recognition with Top-Down Cues

Recognizing scene text is a challenging problem, even more so than the recognition of scanned documents. This problem has gained significant attention from the computer vision community in recent years, and several methods based on energy minimization frameworks and deep learning approaches have been proposed. In this work, we focus on the energy minimization framework and propose a model that exploits both bottom-up and top-down cues for recognizing cropped words extracted from street images. The bottom-up cues are derived from individual character detections from an image. We build a conditional random field model on these detections to jointly model the strength of the detections and the interactions between them. These interactions are top-down cues obtained from a lexicon-based prior, i.e., language statistics. The optimal word represented by the text image is obtained by minimizing the energy function corresponding to the random field model. We evaluate our proposed algorithm extensively on a number of cropped scene text benchmark datasets, namely Street View Text, ICDAR 2003, 2011 and 2013 datasets, and IIIT 5K-word, and show better performance than comparable methods. We perform a rigorous analysis of all the steps in our approach and analyze the results. We also show that state-of-the-art convolutional neural network features can be integrated in our framework to further improve the recognition performance

Features and Algorithms for Visual Parsing of Handwritten Mathematical Expressions

Math expressions are an essential part of scientific documents. Handwritten math expressions recognition can benefit human-computer interaction especially in the education domain and is a critical part of document recognition and analysis. Parsing the spatial arrangement of symbols is an essential part of math expression recognition. A variety of parsing techniques have been developed during the past three decades, and fall into two groups. The first group is graph-based parsing. It selects a path or sub-graph which obeys some rule to form a possible interpretation for the given expression. The second group is grammar driven parsing. Grammars and related parameters are defined manually for different tasks. The time complexity of these two groups parsing is high, and they often impose some strict constraints to reduce the computation. The aim of this thesis is working towards building a straightforward and effective parser with as few constraints as possible. First, we propose using a line of sight graph for representing the layout of strokes and symbols in math expressions. It achieves higher F-score than other graph representations and reduces search space for parsing. Second, we modify the shape context feature with Parzen window density estimation. This feature set works well for symbol segmentation, symbol classification and symbol layout analysis. We get a higher symbol segmentation F-score than other systems on CROHME 2014 dataset. Finally, we develop a Maximum Spanning Tree (MST) based parser using Edmonds\u27 algorithm, which extracts an MST from the directed line of sight graph in two passes: first symbols are segmented, and then symbols and spatial relationship are labeled. The time complexity of our MST-based parsing is lower than the time complexity of CYK parsing with context-free grammars. Also, our MST-based parsing obtains higher structure rate and expression rate than CYK parsing when symbol segmentation is accurate. Correct structure means we get the structure of the symbol layout tree correct, even though the label of the edge in the symbol layout tree might be wrong. The performance of our math expression recognition system with MST-based parsing is competitive on CROHME 2012 and 2014 datasets. For future work, how to incorporate symbol classifier result and correct segmentation error in MST-based parsing needs more research