Symbol detection in online handwritten graphics using Faster R-CNN

Symbol detection techniques in online handwritten graphics (e.g. diagrams and mathematical expressions) consist of methods specifically designed for a single graphic type. In this work, we evaluate the Faster R-CNN object detection algorithm as a general method for detection of symbols in handwritten graphics. We evaluate different configurations of the Faster R-CNN method, and point out issues relative to the handwritten nature of the data. Considering the online recognition context, we evaluate efficiency and accuracy trade-offs of using Deep Neural Networks of different complexities as feature extractors. We evaluate the method on publicly available flowchart and mathematical expression (CROHME-2016) datasets. Results show that Faster R-CNN can be effectively used on both datasets, enabling the possibility of developing general methods for symbol detection, and furthermore, general graphic understanding methods that could be built on top of the algorithm.Comment: Submitted to DAS-201

Multi-Scale Attention with Dense Encoder for Handwritten Mathematical Expression Recognition

Handwritten mathematical expression recognition is a challenging problem due to the complicated two-dimensional structures, ambiguous handwriting input and variant scales of handwritten math symbols. To settle this problem, we utilize the attention based encoder-decoder model that recognizes mathematical expression images from two-dimensional layouts to one-dimensional LaTeX strings. We improve the encoder by employing densely connected convolutional networks as they can strengthen feature extraction and facilitate gradient propagation especially on a small training set. We also present a novel multi-scale attention model which is employed to deal with the recognition of math symbols in different scales and save the fine-grained details that will be dropped by pooling operations. Validated on the CROHME competition task, the proposed method significantly outperforms the state-of-the-art methods with an expression recognition accuracy of 52.8% on CROHME 2014 and 50.1% on CROHME 2016, by only using the official training dataset

Probabilistic mathematical formula recognition using a 2D context-free graph grammar

We present a probabilistic framework for the mathematical expression recognition problem. The developed system is flexible in that its grammar can be extended easily thanks to its graph grammar which eliminates the need for specifying rule precedence. It is also optimal in the sense that all possible interpretations of the expressions are expanded without making early commitments or hard decisions. In this paper, we give an overview of the whole system and describe in detail the graph grammar and the parsing process used in the system, along with some preliminary results on character, structure and expression recognition performances

A Transformer Architecture for Online Gesture Recognition of Mathematical Expressions

The Transformer architecture is shown to provide a powerful framework as an end-to-end model for building expression trees from online handwritten gestures corresponding to glyph strokes. In particular, the attention mechanism was successfully used to encode, learn and enforce the underlying syntax of expressions creating latent representations that are correctly decoded to the exact mathematical expression tree, providing robustness to ablated inputs and unseen glyphs. For the first time, the encoder is fed with spatio-temporal data tokens potentially forming an infinitely large vocabulary, which finds applications beyond that of online gesture recognition. A new supervised dataset of online handwriting gestures is provided for training models on generic handwriting recognition tasks and a new metric is proposed for the evaluation of the syntactic correctness of the output expression trees. A small Transformer model suitable for edge inference was successfully trained to an average normalised Levenshtein accuracy of 94%, resulting in valid postfix RPN tree representation for 94% of predictions.Comment: 12 pages, 3 Figures, 4 Table

Reconocimiento de notación matemática escrita a mano fuera de línea

El reconocimiento automático de expresiones matemáticas es uno de los problemas de reconocimiento de patrones, debido a que las matemáticas representan una fuente valiosa de información en muchos a ́reas de investigación. La escritura de expresiones matemáticas a mano es un medio de comunicación utilizado para la transmisión de información y conocimiento, con la cual se pueden generar de una manera sencilla escritos que contienen notación matemática. Este proceso puede volverse tedioso al ser escrito en lenguaje de composición tipográfica que pueda ser procesada por una computadora, tales como LATEX, MathML, entre otros. En los sistemas de reconocimiento de expresiones matem ́aticas existen dos m ́etodos diferentes a saber: fuera de l ́ınea y en l ́ınea. En esta tesis, se estudia el desempen ̃o de un sistema fuera de l ́ınea en donde se describen los pasos b ́asicos para lograr una mejor precisio ́n en el reconocimiento, las cuales esta ́n divididas en dos pasos principales: recono- cimiento de los s ́ımbolos de las ecuaciones matema ́ticas y el ana ́lisis de la estructura en que est ́an compuestos. Con el fin de convertir una expresi ́on matema ́tica escrita a mano en una expresio ́n equivalente en un sistema de procesador de texto, tal como TEX

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

Semantic Graph Representation Learning for Handwritten Mathematical Expression Recognition

Handwritten mathematical expression recognition (HMER) has attracted extensive attention recently. However, current methods cannot explicitly study the interactions between different symbols, which may fail when faced similar symbols. To alleviate this issue, we propose a simple but efficient method to enhance semantic interaction learning (SIL). Specifically, we firstly construct a semantic graph based on the statistical symbol co-occurrence probabilities. Then we design a semantic aware module (SAM), which projects the visual and classification feature into semantic space. The cosine distance between different projected vectors indicates the correlation between symbols. And jointly optimizing HMER and SIL can explicitly enhances the model's understanding of symbol relationships. In addition, SAM can be easily plugged into existing attention-based models for HMER and consistently bring improvement. Extensive experiments on public benchmark datasets demonstrate that our proposed module can effectively enhance the recognition performance. Our method achieves better recognition performance than prior arts on both CROHME and HME100K datasets.Comment: 12 Page