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

Learning to Read by Spelling: Towards Unsupervised Text Recognition

This work presents a method for visual text recognition without using any paired supervisory data. We formulate the text recognition task as one of aligning the conditional distribution of strings predicted from given text images, with lexically valid strings sampled from target corpora. This enables fully automated, and unsupervised learning from just line-level text-images, and unpaired text-string samples, obviating the need for large aligned datasets. We present detailed analysis for various aspects of the proposed method, namely - (1) impact of the length of training sequences on convergence, (2) relation between character frequencies and the order in which they are learnt, (3) generalisation ability of our recognition network to inputs of arbitrary lengths, and (4) impact of varying the text corpus on recognition accuracy. Finally, we demonstrate excellent text recognition accuracy on both synthetically generated text images, and scanned images of real printed books, using no labelled training examples

A limited-size ensemble of homogeneous CNN/LSTMs for high-performance word classification

The strength of long short-term memory neural networks (LSTMs) that have been applied is more located in handling sequences of variable length than in handling geometric variability of the image patterns. In this paper, an end-to-end convolutional LSTM neural network is used to handle both geometric variation and sequence variability. The best results for LSTMs are often based on large-scale training of an ensemble of network instances. We show that high performances can be reached on a common benchmark set by using proper data augmentation for just five such networks using a proper coding scheme and a proper voting scheme. The networks have similar architectures (convolutional neural network (CNN): five layers, bidirectional LSTM (BiLSTM): three layers followed by a connectionist temporal classification (CTC) processing step). The approach assumes differently scaled input images and different feature map sizes. Three datasets are used: the standard benchmark RIMES dataset (French); a historical handwritten dataset KdK (Dutch); the standard benchmark George Washington (GW) dataset (English). Final performance obtained for the word-recognition test of RIMES was 96.6%, a clear improvement over other state-of-the-art approaches which did not use a pre-trained network. On the KdK and GW datasets, our approach also shows good results. The proposed approach is deployed in the Monk search engine for historical-handwriting collections

Towards robust real-world historical handwriting recognition

In this thesis, we make a bridge from the past to the future by using artificial-intelligence methods for text recognition in a historical Dutch collection of the Natuurkundige Commissie that explored Indonesia (1820-1850). In spite of the successes of systems like 'ChatGPT', reading historical handwriting is still quite challenging for AI. Whereas GPT-like methods work on digital texts, historical manuscripts are only available as an extremely diverse collections of (pixel) images. Despite the great results, current DL methods are very data greedy, time consuming, heavily dependent on the human expert from the humanities for labeling and require machine-learning experts for designing the models. Ideally, the use of deep learning methods should require minimal human effort, have an algorithm observe the evolution of the training process, and avoid inefficient use of the already sparse amount of labeled data. We present several approaches towards dealing with these problems, aiming to improve the robustness of current methods and to improve the autonomy in training. We applied our novel word and line text recognition approaches on nine data sets differing in time period, language, and difficulty: three locally collected historical Latin-based data sets from Naturalis, Leiden; four public Latin-based benchmark data sets for comparability with other approaches; and two Arabic data sets. Using ensemble voting of just five neural networks, a level of accuracy was achieved which required hundreds of neural networks in earlier studies. Moreover, we increased the speed of evaluation of each training epoch without the need of labeled data