印刷体科技文档识别技术实践研究
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- 土齑 卓
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3 ( ) : ( ),, , , , , : ( ) 2 ( ) 3 ( ) :
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6 1. 2. ZZ ZZ YY YY ZZ
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9 ( )
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15 A Practical Study on Printed Scientific Document Recognition [Abstract] Due to the absent of functionality of mathematical formula recognition and logical layout analysis, the use of optical document recognition in education and scientific fields is limited which is a lost for the spread of advance in science and technology. Therefore, building a complete printed scientific document recognition system is of practical interest. In this paper, key aspects of scientific document recognition are discussed systemically from a practical point of view, applicable algorithms for each stage are given in detail. Accuracy, efficiency and extensibility are considered. By combining all these works, one can outline a design of a real system. A logical layout analysis method based on text line is proposed, it can find out paragraphs, headings, list items and more. A new character recognition framework based on glyph matching is suggested, it can identify character in complicated context, special symbol can also be recognized using dynamically generated template. A mathematical formula detection algorithm based on 2-dimensional structure detection and symbol type, in addition to a structural analysis method for mathematical formula based on symbol adjoin graph is described, scripts, hats, fractions, radical expressions, matrices are supported. An implementation, MathOCR, is available as a free software. Quantitative evaluation shows that the system has achieved impressive performance. Although the system comes with the most essential features, more work is needed before becoming capable for daily use. [Key Words] document recognition; layout analysis; mathematical formula recognition; optical character recognition
16
17
18 A 51 B 53 C 55 D 59
19 [1] 1
20 [2] [3] [4] Voronoi [5] [6] [7] [8] [8, 9, 10] [8, 10] [11] [9] [12] [9, 12] [13] [14]
21 : 1.2: 3
22 4
23 2.1 [15] [16] [2] 5
24 [3] ARGB 2.1 m, n Z D : m n (i, j) (A (i, j), R (i, j), G (i, j), B (i, j)) m n (i, j) m n D(i, j) D (i, j) A(i, j) R(i, j) G(i, j) B(i, j) D (i, j) 2.2 m, n Z D : m n 256 m n (i, j) m n D(i, j) D (i, j) 2.3 m, n Z D : m n 2 m n (i, j) m n D(i, j) = 0 (i, j) D (i, j) D D D 6
25 RGB R G B [17] 0.309R G B ARGB RGB D : m n (i, j) (A (i, j), R (i, j), G (i, j), B (i, j)) m n D 0 : m n 256 (i, j) 255 ( 1 ) A(i, j) D gray(d) 316R(i, j) + 624G(i, j) + 84B(i, j) 1024 A(i, j) 255 m n Θ(mn) 2.5 D m n T : m n Z D 0 : m n 2 0 D(i, j) T (i, j) (i, j) 1 D(i, j) > T (i, j) D T threhold T (D) T t threhold T (D) t threhold t (D) m n Θ(mn) 7
26 Otsu [17] [16] Sauvola [18] [19] [19] kfill [20] [21] [3] Hough [22] Hough π 60 π 900 θ θ P (x, y) = r(cos ϕ, sin ϕ) P θ P (x, y ) = r(cos(ϕ θ), sin(ϕ θ)) = r(cos ϕ cos θ + sin ϕ sin θ, sin ϕ cos θ cos ϕ sin θ) = (x cos θ + y sin θ, y cos θ x sin θ) h w x min{0, h sin θ, w cos θ, w cos θ + h sin θ} y min{0, w sin θ, h cos θ, w sin θ + h cos θ} x 0, y 0 P (x, y ) = 8
27 (x x 0, y y 0 ) ( ) ( ) ( ) x cos θ sin θ x = y sin θ cos θ y ( ) ( ) (( ) x cos θ sin θ x = + y sin θ cos θ y ( x0 ) y 0 ( x0 y 0 )) (2.1) (2.2) Sauvola Otsu Sauvola (a) (b) Otsu (c) Sauvola 2.1: 9
28 (a) (b) (c) kfill (d) 2.2: Hough 2013 ICDAR DISEC [23] 1550 π 12 π 12 Hough [ π 12, π 12 ] 5 0 AMD Athlon(tm) II Dual-Core M320 2GB Debian GNU/Linux jessie OpenJDK 1.7.0_
29 2.1: % % % % % Hough 99.35% % % (a) (b) (c) (d) 2.3: 11
30 (a) (b) (c) (d) 2.4: 12
31 Hough
32 14
33 3.1 XML 3.1 A A P(A) a A a = A A A A C 3.2 m, n Z + F m n C F F F C F c C f F c f F F 3.3 F Z Z F F f F { } { } R f = min i,..., max i min j,..., max j (i,j) f (i,j) f (i,j) f (i,j) f (3.1) f f 1, f 2 F f 1 f 2 R f1 R f2 = F F 3.4 D m n F F P D P D P F L P L D P L D L 15
34 3.1.1 [5] [5] [5] [5] [24] [25] [6] A, B A B A B A, B A B A, B C A, B A B 16
35 (a) (b) 3.1: Breuel 3.1a 3.1b ABCDA Figure Fig. Table 17
36 [9] [26] k Θ(k) [6] 3.1 k O(k 4 ) O(k 2 ) O(k 4 ) 18
37 3.1: : {R 0,..., R k 1 } : L : A( I k ), d( 0) s 1 /* */ 2 i {0,..., k 1} 3 j {0,..., k 1} 4 R j.left R i.right R i.left R j.right R j.top < R i.top A ji = 0 5 A ji 1, d i d i + 1; 6 u, v {0,..., k 1} 7 A uj = 1 A iv = 1 A uv = 0 8 A uv 1, d v d v + 1; /* */ 9 i {0,..., k 1} 10 j {0,..., k 1} 11 R j.right < R i.left A ij = 0 A ji = 0 12 A ji 1, d i d i + 1; 13 u, v {0,..., k 1} 14 A uj = 1 A iv = 1 A uv = 0 15 A uv 1, d v d v + 1; 16 d i = 0 s.push(i); /* */ 17 s 18 i s.pop(); 19 L.add(R i ); 20 j {0,..., k 1} 21 A ij = 1 22 d j d j 1; 23 d j = 0 s.push(j); 19
38 B T B T 1, T 2 T Pr 1 (T 1 ) Pr 1 (T 2 ) = T B T B b 00 b 01 b 02 b 03 b b 10 b 11 b 12 b 13 b B = b 20 b 21 b 22 b 23 b 24 = b 30 b 31 b 32 b 33 b b 40 b 41 b 42 b 43 b b ij 1 i j 3.2 k Θ(k) 3.6 (P 1,..., P s ) s i = 1,..., s P i i s (P 1,..., P s ) i = 1,..., s P i L i L 1,..., L s L L k l(k < l) L k + 1 l 1 L l 20
39 3.2: : (T 0,..., T k 1 ), w, f : L : B, (t 0,..., t k 1 ) 1 2 i 0; 3 i < k 4 T i 5 curr P aragraph(t i ) 6 T i.text 7 curr Caption(T i ) 8 t i = 0 f 9 curr T itle(t i ), f f 10 t i = 0 L 11 curr Author(T i ) 12 t i = 0 t i = 1 (t i = 2 T i.width < w T 3 i.text ) 13 curr Heading(T i ) 14 T i.text 15 curr Listing(T i ) curr P aragraph(t i ) 18 i + 1 < k (b ti,t i+1 = 1 T i+1 ) 19 i i + 1; 20 curr.addt extline(t i ); 21 i i + 1; 22 L.add(curr); 21
40 k l 3 2 L L Θ( L ) L A TEX HTML 3.3 MediaTeam Oulu [27] ( 59.9%) % 99.3% 3.1: % i j 22
41 3.4 [6] 23
42 24
43 4.1 Tesseract[28] GNU Ocrad[29] [8] [8] [28] 1%[30] 98% 25
44 [31] [31] [10] [10] [9] [9] [9] [9] 1 [32] ( ) [ ] { } {}}{ }{{} G G G 26
45 G h G G h G i Z c i = {j Z (i, j) G (i, j + 1) / G} (4.1) (c i ) i= G G c G G c G C ar(c) = max (i,j) C i min (i,j) C i + 1 max (i,j) C j min (i,j) C j + 1) (4.2) { G G 4 5 ar(g) ar(g ) 5 } 4 ar(g) mn m = n = 3 i = 1,, m; j = 1,, n (i, j) G N ij A ij d ij = N ij A ij (4.3) d ij = m r=1 d ij n s=1 d rs (4.4) mn D(G) = 1 mn (d 11,..., d 1n,..., d m1,..., d mn) (4.5) { G G 1 D(G) D(G ) 1 > 9 10 ( )} 1 min D(G) G G D(G ) 1 27
46 [17] i Z p i = {j Z (i, j) G} (4.6) (p i ) i= G [33], 90% % π Hausdorff Hausdorff Hausdorff Hausdorff 28
47 4.3 AMSFonts[34] CMB10 CMBSY10 CMEX10 CMMI10 CMMIB10 CMR10 CMSY10 EUFB10 MSAM10 MSBM10 RSFS Sauvola : % 42.53% 54.64% 99.20% 61.27% 20.69% 75.42% 85.94% 99.20% 93.72% 13.97% 76.75% 86.91% 99.29% 94.25% 16.89% 78.78% 88.15% 99.20% 93.55% % 77.72% 87.44% 99.20% 94.96% % 77.90% 88.15% 99.20% 94.61% % 76.22% 86.74% 99.20% 93.99% % 77.90% 87.62% 99.20% 94.25% % 78.34% 87.62% 99.20% 94.96% % 64.46% 80.11% 99.20% 89.83% % 42.53% 54.47% 99.20% 61.63% 29
48 4.2:
49 [30] [9] [35] [12] 31
50 Parzen [12] [35] [14] 32
51 [36] [9] [37] [38]
52 5.2.2., 60 [39] 1. e = (u, v) u 1 v 1 u v u v u v 2. 2 u v w 1 v w 0 1 u v w v w 3. 34
53 4. ( [ { 2 5. n m Θ((m + n)α(m + n)) α [33] 5.1 ( V, E ) 35
54 5.1: : G = (V, E) k : G : changed 1 2 changed true; 3 changed 4 changed false; 5 i {1,..., k} 6 i 7 changed true; 8 break; 5.3 Infty InftyCDB-2 [40] : % % % % % %
55 PDF 37
56 38
57 6.1 Sauvola Otsu Hausdorff 39
58 MathOCR JPEG PNG GIF BMP PNM L A TEX HTML MathOCR MathOCR MathOCR MathOCR Java MathOCR
59 41
60 42
61 0 = n N n + 1 = n {n} 43
62 44
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66 48
67
68 50
69 A Otsu Sauvola A.1 D m n t 256 m n A (t) 1 = {(i, j) m n D(i, j) t} (A.1) A (t) 2 = {(i, j) m n D(i, j) > t} (A.2) n (t) 1 = A (t) 1, n (t) 2 = A (t) 2 µ (t) 1 = (i,j) A (t) 1 t D(i, j) max(n (t) 1, 1) σ 2 t =, µ (t) 2 = (i,j) A (t) 2 max(n (t) 2, 1) D(i, j), µ = (i,j) m n m n D(i, j) (A.3) n (t) 1 (µ (t) n (t) 1 + n (t) 1 µ) 2 n (t) 2 + (µ (t) 2 n (t) 1 + n (t) 2 µ) 2 (A.4) 2 σt 2 0 = max t 256 σ2 t, t 0 D Otsu (A.5) Otsu m n Otsu Θ(mn) A.2 D m n ω k [0.2, 0.5] (i, j) m n (D(y, x)) i ω 2 <y i+ ω 2,j ω 2 <x j+ ω 2 m(i, j) s(i, j) ( ( )) s(i, j) T (i, j) = m(i, j) 1 + k T D Sauvola Sauvola ω,k (D) (A.6) 51
70 Sauvola ω ω 2 [18] Θ(mn) 52
71 B Sauvola B.1 D : m n Z D I : Z Z Z (k, l) i k j l D(i, j) 4 B.1 I D : m n Z x 1, x 2, y 1, y 2 Z x 1 < x 2, y 1 < y 2 D(i, j) = x 1 <j x 2 y 1 <i y 2 D(i, j) = I(y 2, x 2 ) I(y 2, x 1 ) I(y 1, x 2 ) + I(y 1, x 1 ) x 1 <j x 2 y 1 <i y 2 x 1 <j x 2 i y 2 = D(i, j) D(i, j) j x 2 i y 2 = D(i, j) j x 2 i y 2 (B.1) 1 D(i, j) (B.2) x 1 <j x 2 i y D(i, j) D(i, j) D(i, j) j x 1 j x 2 j x 1 i y 2 i y 1 i y 1 D(i, j) j x 1 i y 2 D(i, j) + j x 2 i y 1 D(i, j) j x 1 i y 1 (B.3) (B.4) = I(y 2, x 2 ) I(y 2, x 1 ) I(y 1, x 2 ) + I(y 1, x 1 ) (B.5) 53
72 i < 0 j < 0 I(i, j) = 0 Θ(mn) m n B.1 I D : m n Z i m, j n I(i, j) = I(i, j 1) + I(i 1, j) + D(i, j) I(i 1, j 1) (B.6) D(i, j) = I(i, j) I(i, j 1) I(i 1, j) + I(i 1, j 1) 54
73 C C.1 F P(Z Z) (x 0, y 0 ),..., (x n, y n ) F (x 0, y 0 ) = (x, y), (x n, y n ) = (z, w) i = 1,..., n x i x i 1 1, y i y i 1 1 (C.1) (x, y) (z, w) F (x 0, y 0 ),..., (x n, y n ) (x, y) (z, w) = {((x, y), (z, w)) F F (x, y) (z, w) } (C.2) F C.1 F P(Z Z) F (x, y) F (x, y) (x, y) (x, y) (x, y) (x, y) (x, y) (x, y) (x, y) (z, w) (x, y) (z, w) (x 0, y 0 ),..., (x n, y n ) (x n, y n ),..., (x 0, y 0 ) (z, w) (x, y) (z, w) (x, y) (z, w) (x, y) (x, y) (z, w), (z, w) (u, v) (x, y) (z, w) (x 0, y 0 ),..., (x n, y n ) (z, w) (u, v) (z 0, w 0 ),..., (z m, w m ) (x 0, y 0 ),..., (x n, y n ) = (z 0, w 0 ),..., (z m, w m ) (x, y) (u, v) (x, y) (u, v) (x, y) (u, v) C.2 m, n Z + F m n F F F F / F 55
74 C.2 m, n Z + F m n F (i, j) m n (i, j) = (m, 0) D i,j = {(y, x) F (y, x) (i, j)} (C.3) C i,j = D i,j / i,j (C.4) E i,j = {C C i,j {(i 1, j 1), (i 1, j), (i 1, j + 1), (i, j 1)} C = } (C.5) i,j D i,j C 0,0 = (i, j) m n (i + 1, 0), j = n 1 (k, l) = (i, j + 1), j n 1 E i,j { {(i, j)} C Ci,j \E i,j C } C k,l = C i,j, (i, j) F (C.6), (i, j) / F D 0,0 = C 0,0 = (i, j) / F D k,l = D i,j C k,l = C i,j (i, j) F D k,l = D i,j {(i, j)} (y, x) D i,j D k,l (i, j) (y, x) (i, j) {(i 1, j 1), (i 1, j), (i 1, j+1), (i, j 1)} (y, x) {(i 1, j 1), (i 1, j), (i 1, j + 1), (i, j 1)} D i,j (i 1, j 1), (i 1, j), (i 1, j + 1), (i, j 1) D i,j D i,j D k,l (i, j) D k,l (i, j) {(i, j)} C Ci,j,{(i 1,j 1),(i 1,j),(i 1,j+1),(i,j 1)} C C D k,l (y, x) (i, j) D i,j \ {(i 1, j 1), (i 1, j), (i 1, j + 1), (i, j 1)} (y, x) D k,l D i,j C m,0 F C.1 makeset((i, j, k j)) C {(i, j),..., (i, k 1)} union(c 1, C 2 ) C C 1 C 2 [33] Ω(mn) O (mnα (mn)) α [33] 56
75 C.1: : F m n : F C : lastlt last 1 2 C ; 3 i m 4 lastlt ; 5 j n 6 (i, j) / F 7 lastlt last[j], last[j] ; 8 9 c lastlt; 10 k j; 11 k < n (i, k) F 12 i 0 last[k] 13 c = 14 c last[k]; union(c, last[k]); 17 k k + 1; 18 i 0 k n last[k] 19 c = 20 c last[k]; union(c, last[k]); 23 c 24 union(c, makeset((i, j, k j))); c makeset((i, j, k j)); 27 l {j,..., k 1} 28 last[l] c; 29 j k 1; 57
76 58
77 D MathOCR MathOCR GNU GPL Subversion svn checkout svn :// svn.code.sf.net/p/mathocr/code/ mathocr - code Git git clone https :// github.com/chungkwong/mathocr.git 59
78 60
79 61
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L A TEX 1968 [1] InftyReader[2] [3] [4] 5 10 [4, 5] [6] [7] [7] [7] [7] [7] Zernike [7] [1] [1] [1] [7] [7] [8] [6] [1] [9] [10] [11] [12] : Y = 0.309R + 0.609G + 0.082B R G B Y Y = 316R + 624G + 84B 1024
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