超轻量OCR系统PP-OCRv3技术解读

zifa2003293 · 发表于 2022-5-11 08:21

PP-OCR是PaddleOCR团队自研的超轻量OCR系统，面向OCR产业应用，权衡精度与速度。近期，PaddleOCR团队针对PP-OCRv2的检测模块和识别模块，进行共计9个方面的升级，打造出一款全新的、效果更优的超轻量OCR系统：PP-OCRv3。
从效果上看，速度可比情况下，多种场景精度均有大幅提升：

中文场景，相比于PP-OCRv2中文模型提升超5%；
英文数字场景，相比于PP-OCRv2英文数字模型提升11%；
多语言场景，优化80+语种识别效果，平均准确率提升超5%。

中文场景，PP-OCRv3与历史版本效果比较

一些可视化效果图如下：

全新升级的PP-OCRv3的整体的框架图（粉色框中为PP-OCRv3新增策略）如下图。检测模块仍基于DB算法优化，而识别模块不再采用CRNN，更新为IJCAI 2022最新收录的文本识别算法SVTR (论文名称：SVTR: Scene Text Recognition with a Single Visual Model，https://arxiv.org/abs/2205.00159 )，并对其进行产业适配。

PP-OCRv3 整体框架图

具体的优化策略包括：
检测模块

LK-PAN：大感受野的PAN结构
DML：教师模型互学习策略
RSE-FPN：残差注意力机制的FPN结构

识别模块

SVTR_LCNet：轻量级文本识别网络
GTC：Attention指导CTC训练策略
TextConAug：挖掘文字上下文信息的数据增广策略
TextRotNet：自监督的预训练模型
UDML：联合互学习策略
UIM：无标注数据挖掘方案

一、检测模块优化策略解读
PP-OCRv3检测模块对PP-OCRv2中的CML（Collaborative Mutual Learning) 协同互学习文本检测蒸馏策略进行了升级。如下图所示，CML的核心思想结合了①传统的Teacher指导Student的标准蒸馏与 ②Students网络之间的DML互学习，可以让Students网络互学习的同时，Teacher网络予以指导。PP-OCRv3分别针对教师模型和学生模型进行进一步效果优化。其中，在对教师模型优化时，提出了大感受野的PAN结构LK-PAN和引入了DML（Deep Mutual Learning）蒸馏策略；在对学生模型优化时，提出了残差注意力机制的FPN结构RSE-FPN。消融实验如下表所示。

测试环境：Intel Gold 6148 CPU，预测时开启MKLDNN加速。
1.LK-PAN：大感受野的PAN结构
LK-PAN (Large Kernel PAN) 是一个具有更大感受野的轻量级PAN结构，核心是将PAN结构的path augmentation中卷积核从3*3改为9*9。通过增大卷积核，提升特征图每个位置覆盖的感受野，更容易检测大字体的文字以及极端长宽比的文字。使用LK-PAN结构，可以将教师模型的hmean从83.2%提升到85.0%。
2.DML：教师模型互学习策略
DML 互学习蒸馏方法，通过两个结构相同的模型互相学习，可以有效提升文本检测模型的精度。教师模型采用DML策略， hmean从85%提升到86%。将PP-OCRv2中CML的教师模型更新为上述更高精度的教师模型，学生模型的hmean可以进一步从83.2%提升到84.3%。
3.RSE-FPN：残差注意力机制的FPN结构
RSE-FPN（Residual Squeeze-and-Excitation FPN）引入残差结构和通道注意力结构，将FPN中的卷积层更换为带有残差结构的通道注意力结构的RSEConv层，进一步提升特征图的表征能力。进一步将PP-OCRv2中CML的学生模型的FPN结构更新为RSE-FPN，学生模型的hmean可以进一步从84.3%提升到85.4%。
二、识别模块优化策略解读
PP-OCRv3的识别模块是基于文本识别算法SVTR优化。SVTR不再采用RNN结构，通过引入Transformers结构更加有效地挖掘文本行图像的上下文信息，从而提升文本识别能力。直接将PP-OCRv2的识别模型，替换成SVTR_Tiny，识别准确率从74.8%提升到80.1%（+5.3%），但是预测速度慢了将近11倍，CPU上预测一条文本行，将近100ms。因此，如下图所示，PP-OCRv3采用如下6个优化策略进行识别模型加速，消融实验如下表所示。

注：测试速度时，实验01-03输入图片尺寸均为(3,32,320)，04-08输入图片尺寸均为(3,48,320)。在实际预测时，图像为变长输入，速度会有所变化。测试环境：Intel Gold 6148 CPU，预测时开启MKLDNN加速。

1.SVTR_LCNet：轻量级文本识别网络
SVTR_LCNet是针对文本识别任务，将Transformer网络和轻量级CNN网络PP-LCNet 融合的一种轻量级文本识别网络。使用该网络，并且将输入图片规范化高度从32提升到48，预测速度可比情况下，识别准确率达到73.98%，接近PP-OCRv2采用蒸馏策略的识别模型效果。
2.GTC：Attention指导CTC训练策略
GTC（Guided Training of CTC），利用Attention指导CTC训练，融合多种文本特征的表达，是一种有效的提升文本识别的策略。使用该策略，识别模型的准确率进一步提升到75.8%（+1.82%）。
3.TextConAug：挖掘文字上下文信息的数据增广策略
TextConAug是一种挖掘文字上下文信息的数据增广策略，可以丰富训练数据上下文信息，提升训练数据多样性。使用该策略，识别模型的准确率进一步提升到76.3%（+0.5%）。
4.TextRotNet：自监督的预训练模型
TextRotNet是使用大量无标注的文本行数据，通过自监督方式训练的预训练模型。该模型可以初始化SVTR_LCNet的初始权重，从而帮助文本识别模型收敛到更佳位置。使用该策略，识别模型的准确率进一步提升到76.9%（+0.6%）。
5.联合互学习策略
UDML（Unified-Deep Mutual Learning）联合互学习是PP-OCRv2中就采用的对于文本识别非常有效的提升模型效果的策略。在PP-OCRv3中，针对两个不同的SVTR_LCNet和Attention结构，对他们之间的PP-LCNet的特征图、SVTR模块的输出和Attention模块的输出同时进行监督训练。使用该策略，识别模型的准确率进一步提升到78.4%（+1.5%）。
6.无标注数据挖掘方案
UIM（Unlabeled Images Mining）是一种非常简单的无标注数据挖掘方案。核心思想是利用高精度的文本识别大模型对无标注数据进行预测，获取伪标签，并且选择预测置信度高的样本作为训练数据，用于训练小模型。使用该策略，识别模型的准确率进一步提升到79.4%（+1%）。
三、整体效果指标对比
经过上述文本检测和文本识别9个方面的优化，最终PP-OCRv3在速度可比情况下，在中文场景端到端Hmean指标相比于PP-OCRv2提升5%，效果大幅提升。具体指标如下表所示：

在英文数字场景，基于PP-OCRv3单独训练的英文数字模型，相比于PP-OCRv2的英文数字模型提升11%，如下表所示。

在多语言场景，基于PP-OCRv3训练的模型，在有评估集的四种语系，相比于PP-OCRv2，识别准确率平均提升5%以上，如下表所示。同时，PaddleOCR团队基于PP-OCRv3更新了已支持的80余种语言识别模型。

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https://github.com/PaddlePaddle/PaddleOCR

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