Tải bản đầy đủ

Phân tích cấu trúc hình ảnh trang ảnh tài liệu dựa trên phương pháp ngưỡng thích nghi tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

……..….***…………

HÀ ĐẠI TÔN

PHÂN TÍCH CẤU TRÚC HÌNH HỌC TRANG ẢNH
TÀI LIỆU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP NGƯỠNG
THÍCH NGHI
Chuyên ngành: Cớ sở Toán học cho Tin học
Mã số: 62 46 01 10

LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC

HÀ NỘI - 2018
1



Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Đức Dũng

Phản biện 1: …
Phản biện 2: …
Phản biện 3: ….

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ, họp tại Học viện Khoa
học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi …
giờ ..’, ngày … tháng … năm 201….

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc gia Việt Nam

2


MỞ ĐẦU
Nhận dạng văn bản là một lĩnh vực đã được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều
năm nay. Quá trình nhận dạng văn bản được thực hiện qua các bước chính như sau: Trang ảnh
đầu vào sẽ qua bước tiền xử lý, sau đó là bước phân tích trang, kết quả đầu ra của phân tích trang
sẽ là đầu vào của bước nhận dạng, cuối cùng là bước hậu xử lý. Kết quả của một hệ thống nhận
dạng phụ thuộc chính vào hai bước: phân tích trang và nhận dạng. Đến thời điểm này, bài toán
nhận dạng trên các văn bản chữ in đã được giải quyết gần như trọn vẹn (sản phẩm thương mại
FineReader 12.0 của hãng ABBYY có thể nhận dạng chữ in trên nhiều ngôn ngữ khác nhau, phần
mềm nhận dạng chữ Việt in VnDOCR 4.0 của Viện Công nghệ Thông Tin Hà Nội có thể nhận
dạng với độ chính xác trên 98%). Tuy nhiên trên thế giới cũng như ở Việt Nam, bài toán phân
tích trang vẫn còn là một thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu. Cho đến này phân tích trang
vẫn đang nhận được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu. Cứ hai năm một lần trên thế giới lại
có cuộc thi phân tích trang quốc tế nhằm thúc đẩy sự phát triển các thuật toán phân tích trang.
Chính những điều này đã là động lực thúc đẩy luận án cố gắng nghiên cứu để đề xuất các giải
pháp hữu hiệu cho bài toán phân tích trang.ThuậtTrong những năm gần đây đã có rất nhiều các
thuật toán phân tích trang được phát triển, đặc biệt là các thuật toán phát triển theo hướng tiếp
cận lại ghép (hybrid). Các thuật toán được đề xuất đều thể hiện những điểm mạnh, điểm yếu khác
nhau, nhưng nhìn chung hầu hết vẫn mắc phải hai lỗi cơ bản là: lỗi phân tách một vùng chữ đúng
ra thành các vùng chữ nhỏ hơn làm sai hoặc mất thông tin của các dòng chữ hay đoạn văn bản


(over-segmentation), lỗi gộp các vùng chữ ở các cột văn bản hay các đoạn văn bản lại với nhau
(under-segmentation). Vì vậy mục tiêu của luận án là nghiên cứu phát triển các thuật toán phân
tích trang giảm đồng thời cả hai kiểu lỗi: over-segmentation, under-segmentation. Các vấn đề
trong phân tích trang là rất rộng vì vậy luận án giới hạn phạm vi nghiên cứu trong khuôn khổ các
trang ảnh văn bản được soạn thảo bằng ngôn ngữ Latin cụ thể là Tiếng Anh và tập trung vào phân
tích các vùng chữ. Luận án chưa đề xuất đến vấn đề phát hiện và phân tích cấu trúc của các vùng
bảng, phát hiện các vùng ảnh và phân tích cấu trúc logic. Với những mục tiêu đặt ra luận án đã
đạt được một số kết quả sau:
1. Đề xuất một giải pháp làm tăng tốc thuật toán phát hiện nền trang ảnh.
2. Đề xuất phương pháp tham số thích nghi làm giảm sự ảnh hưởng của kích cỡ và kiểu
phông chữ đến kết quả phân tích trang.
3. Đề xuất một giải pháp mới cho vấn đề phát hiện và sử dụng các đối tượng phân tách trong
các thuật toán phân tích trang.
4. Đề xuất một giải pháp mới tách các vùng chữ thành các đoạn văn bản dựa trên phân tích
ngữ cảnh.

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHÂN TÍCH TRANG ẢNH TÀI LIỆU
Trong chương này, tôi trình bày tổng quan hệ thống nhận dạng văn bản, bài toán phân tích
trang, các thuật toán phân tích trang tiêu biểu, những lỗi cơ bản nhất của các thuật toán phân tích
trang. Từ đó dẫn đến mục tiêu nghiên cứu và những kết quả đạt được của luận án này.
1.1. Các thành phần chính của hệ thống nhận dạng văn bản
Về cơ bản, một hệ thống nhận dạng văn bản thường được thực hiện qua các bước cơ bản
như được mô tả ở hình 1. Những thông tin ở dạng văn bản như sách, báo, tạp chí, ... sau quá trình
scan sẽ cho ta kết quả là các file ảnh văn bản. Những file ảnh này sẽ là đầu vào của một hệ thống
nhận dạng, kết quả đầu ra của hệ thống nhận dạng là những file văn bản có thể dễ dàng chính sửa
và lưu trữ, ví dụ như file *.doc, *.docx, *.excel, *.pdf, ... Luận án chỉ tập trung vào nghiên cứu
bước phân tích trang, trong đó trọng tập là phân tích cấu trúc hình học của trang ảnh.

Hình 1: Minh họa các bước xử lý cở bản của một hệ thống nhận dạng văn bản.

1.1.1. Tiền xử lý
Nhiệm vụ của quá trình tiền xử lý trang ảnh thông thường là nhị phân hóa, xác định các
thành phần liên thông ảnh, lọc nhiễu, căn trình độ nghiêng. Kết quả đầu ra của bước tiền xử lý sẽ
là đầu vào của quá trình phân tích trang. Do đó, kết quả của quá trình tiền xử lý cũng sẽ có những
ảnh hưởng đáng kể đến kết quả phân tích trang.
1.1.2. Phân tích trang ảnh tài liệu
Phân tích trang ảnh tài liệu (document layout analysis) là một trong những thành phần chính
của các hệ thống nhận dạng văn bản (OCR - System). Ngoài ra nó còn được ứng dụng rộng rãi
trong các lĩnh vực khác của tin học ví dụ như số hóa tài liệu, nhập liệu tự động, thị giác máy
tính,... Nhiệm vụ của phân tích trang bao gồm việc tự động phát hiện những vùng ảnh có trên
một trang ảnh tài liệu (cấu trúc vật lý) và phân loại chúng thành những vùng dữ liệu khác nhau
như vùng chữ, ảnh, bảng biểu, header, footer... (cấu trúc logic). Kết quả phân tích trang được sử
dụng như một thông tin đầu vào cho quá trình nhận dạng và nhập liệu tự động của các hệ thống
xử lý ảnh tài liệu (document imaging).
1.1.3. Nhận dạng kí tự quang học
Đây là giái đoạn quan trọng nhất, giái đoạn này quyết định độ chính xác của hệ thống nhận
dạng. Có nhiều phương pháp phân lớp khác nhau được áp dụng cho các hệ thống nhận dạng chữ,
ví dụ như: phương pháp đối sánh, phương pháp tiếp cận trực tiếp, phương pháp ngữ pháp, phương
pháp đồ thị, mạng nơ ron, phương pháp thống kê, máy véc tơ tựa (SVM).
1.1.4. Hậu xử lý
Đây là công đoạn cuối cùng của quá trình nhận dạng. Có thể hậu xử lý là bước ghép nối các
kí tự đã nhận dạng thành các từ, các câu, các đoạn văn bản nhằm tái hiện lại văn bản đồng thời
phát hiện ra các lỗi nhận dạng sai bằng cách kiểm tra chính tả dựa trên cấu trúc và ngữ nghĩa của
các từ, các câu hoặc các đoạn văn bản. Việc phát hiện ra các lỗi, các sai sót trong nhận dạng ở
bước này góp phần đáng kể vào việc nâng cao chất lượng nhận dạng.
1.2. Các thuật toán phân tích cấu trúc hình học (phân tách) trang tiêu biểu
Qua hàng chục năm phát triển cho đến nay đã có rất nhiều các thuật toán phân tích trang đã
được công bố. Dựa trên thứ tự thực hiện của các thuật toán, các thuật toán phân tách trang ảnh
tài liệu có thể được chia thành ba hướng tiếp cận khác nhau: từ trên xuống (top-down), từ dưới
lên (bottom-up) và các phương pháp lai ghép (hybrid).
4


1.2.1 Hướng tiếp cận từ trên xuống (top-down)
Các thuật toán top-down tiêu biểu như: X-Y Cut, WhiteSpace,... Các thuật toán theo hướng
tiếp cận này thực hiện phân tích trang bằng cách chia đệ quy trang ảnh văn bản theo các phương
ngang hoặc phương thẳng đứng dọc theo các khoảng trắng trong trang. Những khoảng trằng này
thường là dọc theo biên của các cột văn bản (column) hoặc biên của các đoạn ảnh văn bản
(paragraph). Điểm mạnh của các thuật toán này là độ phức tạp tính toán thấp, cho kết quả phân
tách tốt trên những trang ảnh có cấu trúc hình chữ nhật (rectangle) tức là các trang ảnh mà các
vùng ảnh có thể được bao quanh bởi các hình chữ nhật không giáo nhao. Tuy nhiên, chúng không
thể xử lý được những trang vùng ảnh không phải là hình chữ nhật (non-rectangular).
1.2.2. Hướng tiếp cận từ dưới lên (bottom-up)
Các thuật toán bottom-up tiêu biểu như: Smearing, Docstrum, Voronoi,... Các thuật toán
theo hướng tiếp cận này bắt đầu với các vùng nhỏ của ảnh (các pixel điểm ảnh hoặc các kí tự) và
lần lượt nhóm các vùng nhỏ có cùng kiểu lại với nhau để hình thành nên các vùng ảnh. Điểm
mạnh của hướng tiếp cận này là các thuật toán có thể xử lý tốt những trang ảnh với cấu trúc bất
kì (rectangle hoặc non-rectangle). Điểm yếu của các thuật toán bottom-up là tốn bộ nhớ, chậm,
do các vùng nhỏ được gộp lại với nhau dựa trên những tham số khoảng cách mà thông thường
các tham số này được ước lượng trên toàn trang ảnh nên các thuật toán này thường quá nhạy cảm
với giá trị tham số và mắc lỗi chia quá nhỏ (over-segmentation) các vùng ảnh văn bản, đặc biệt
là các vùng chữ có sự khác biệt về kích cỡ và kiểu phông.
1.2.3. Hướng tiếp cận lai ghép (hybrid)
Từ những phân tích trên cho thấy ưu điểm của hướng tiếp cận bottom-up là nhược điểm của
hướng tiếp cận Top-down và ngược lại. Do đó, trong những năm gần đầy đã có nhiều các thuật
toán phát triển theo hướng lai ghép giữa top-down và bottom-up, một trong các thuật toán tiêu
biểu như: RAST , Tab-Stop , PAL ,... Các thuật toán phát triển theo hướng này thường dựa trên
các đối tượng phân tách ví dụ như, các vùng trắng hình chữ nhật, các tab-stop, ... để suy ra cấu
trúc các cột văn bản. Từ đó các vùng ảnh được xác định bằng phương pháp bottom-up. Các kết
quả đánh giá đã cho thấy các thuật toán lai ghép đã khắc phục được phần nào hạn chế của các
thuật toán top-down và bottom-up, đó là có thể thực hiện trên những trang ảnh với cấu trúc bất
kì và ít hạn chế hơn vào các tham số khoảng cách. Tuy nhiên, việc xác định các đối tượng phân
tách lại là một bài toán gặp phải rất nhiều khó khắn bởi nhiều lý do, ví dụ như có những vùng
chữ ở quá gần nhau, các vùng chữ được căn lề, trái phải không thẳng hàng hoặc khoảng cách
giữa các thành phần liên thông là quá lớn,... điều này đã làm cho các thuật toán hiện tại thường
mắc phải các lỗi quên hoặc xác định nhầm các đường phần tách dẫn đến kết quả phân tách lỗi.
1.3. Các phương pháp và các tập dữ liệu đánh giá các thuật toán phân tách trang ảnh
tài liệu
1.3.1. Độ đo
Đánh giá các thuật toán phân tích trang ảnh tài liệu luôn là một vấn đề phức tạp vì nó phụ
thuộc nhiều vào tập dữ liệu, ground-truth và phương pháp đánh giá. Vấn đề đánh giá chất lượng
của các thuật toán phân tích trang đã nhận được nhiều sự quan tâm. Trong luận án này sử dụng
ba đô đo: F-Measure, PSET-Measure và PRImA- Measure cho tất các đánh giá thực nghiệm. Độ
đo PRImA-Measure đã được sử dụng thành công tại các cuộc thi phân tích trang quốc tế ở các
năm 2009, 2011, 2013, 2015 và 2017.
1.3.2. Dữ liệu
Trong luận án này, tôi sử dụng ba tập dữ liệu UW-III, tập dữ liệu PRImA và tập dữ liệu
UNLV để đánh giá thực nghiệm và so sánh các thuật toán phân tích trang ảnh tài liệu. Tập UWIII có 1600 ảnh, tập PRImA có 305 ảnh và tập UNLV có 2000 ảnh. Các tập dữ liệu này đều có
ground-truth ở cấp độ đoạn văn bản và cấp độ dòng chữ, được biểu diễn bởi các đa giác không
giáo nhau. Các trang ảnh đều được quét với độ phân giải 300 DPI và đã được căn trỉnh lại độ
5


nghiêng. Nó chứa nhiều trang ảnh đa dạng về các kiểu trang ảnh, phản ảnh nhiều thách thức trong
phân tích trang. Cấu trúc của trang ảnh chứa đựng một sự pha trộn từ đơn giản đến phức tạp, gồm
nhiều bức ảnh có phần chữ bao quanh các trang ảnh, có sự thay đổi lớn về kích cỡ kiểu phông
chữ. Do đó, đây là những tập dữ liệu rất tốt để thực hiện đánh giá so sánh các thuật toán phân
tích trang.
1.4. Kết luận chương
Chương này đã giới thiệu một cách tổng quan về lĩnh vực nhận dạng văn bản, trong đó phân
tích trang là một khâu quan trọng. Cho đến nay bài toán phân tích trang vẫn là một vấn đề được
nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước quan tâm. Đã có nhiều thuật toán phân tích trang được đề
xuất, đặc biệt là tại các cuộc thi phân tích trang quốc tế (ICDAR). Tuy nhiên các thuật toán vẫn
mắc phải hai lỗi cơ bản: over-segmentation và under-segmentation. Vì vậy, luận án sẽ tập trung
nghiên cứu các giải pháp cho bài toán phân tích trang ảnh tài liệu.
Có ba hướng tiếp cận chính cho bài toán phân tích trang ảnh tài liệu: top-down, bottom-up
và hybrid. Trong đó, hybrid là hướng tiếp cận được phát triển mạnh trong giái đoạn gần đây do
nó khắc phục được nhược điểm của hai hướng tiếp cận top-down và bottom-up. Bởi vì lý đó đó,
luận án sẽ phân tích trọng tâm hơn vào các thuật toán hybrid, đặc biệt là các kĩ thuật phát hiện và
sử dụng các đối tượng phân tách của các thuật toán hybrid. Chương tiếp theo của luận án trình
bày về một kĩ thuật phát hiện nền trang ảnh nhanh, kĩ thuật này sẽ được sử dụng như một module
trong thuật toán được đề xuất ở Chương 3.

6


CHƯƠNG 2. THUẬT TOÁN NHANH PHÁT HIỆN NỀN TRANG ẢNH TÀI LIỆU
Chương này trình bày ưu, nhược điểm của hướng tiếp cận dựa trên nền trang ảnh trong phân
tích trang ảnh tài liệu, thuật toán phân tích trang WhiteSpace, thuật toán phát hiện nền trang ảnh
nhanh và cuối cùng là các kết quả thực nghiệm.
2.1. Ưu nhược điểm của hướng tiếp cận dựa trên nền trang ảnh trong phân tích trang
ảnh tài liệu
Về mặt trực quan, trong rất nhiều trường hợp có thể thấy phát hiện nền trang ảnh là dễ dàng
hơn, đồng thời dựa trên nền trang ảnh có thể dễ dàng tách được trang ảnh thành các vùng ảnh
khác nhau. Do vậy, từ rất sớm đã có nhiều thuật toán phân tích trang dựa trên nền trang ảnh được
phát triển, ví dụ điển hình như, X-Y Cut, WhiteSpace-Analysis, WhiteSpace-Cuts, ...và gần đây
cũng có nhiều thuật toán mạnh dựa trên trang ảnh được phát triển, ví dụ như, Fraunhofer (chiến
thắng tại IC- DAR2009), Jouve (chiến thắng tại ICDAR2011), PAL (chiến thắng tại
ICDAR2013),... Không chỉ trong phân tích trang, hướng tiếp cận dựa trên nền trang ảnh còn được
ứng dụng rộng rãi trong bài toán phát hiện bảng, phân tích cấu trúc bảng, phân tích cấu trúc logic.
Qua các ví dụ trên có thể thấy được hướng tiếp cận dựa trên nền trang ảnh có nhiều ưu điểm.
Đã có nhiều thuật toán khác nhau được phát triển để phát hiện nền trang ảnh, ví dụ như X-Y Cuts,
WhiteSpace-Analysis, WhiteSpace-Cuts (sau đây gọi tắt là WhiteSpace), ...Trong đó,
WhiteSpace được biết đến như một thuật toán hình học rất nổi tiếng trong việc phát hiện nền
trang ảnh, thuật toán có trong bộ mã nguồn mở OCROpus vì vậy nó được sử dụng rộng rãi như
một bước cơ bản để phát triển thuật toán. Tuy nhiên, thuật toán WhiteSpace có hạn chế là thời
gián thực thi khá chậm, xem Hình 2. Do đó, việc tăng tốc thuật toán WhiteSpace có nhiều ý nghĩa
thực tiến.

Hình 2: Minh họa thời gián thực thi trung bình của mỗi thuật toán.

2.2. Thuật toán phát hiện nền trang ảnh (WhiteSpace) cho bài toán phân tích trang
2.2.1. Định nghĩa
Vùng trắng lớn nhất trong một trang ảnh được định nghĩa là hình chữ nhất lớn nhất nằm
trong hình bao của trang ảnh và không chữ một kí tự nào, xem Hình 3.

Hình 3: Hình chữ nhật màu xanh thể hiển cho vùng trắng lớn nhất tìm được.
7


2.2.2. Thuật toán tìm vùng trắng lớn nhất
Thuật toán tìm vùng trắng lớn nhất (sau đây được gọi MaxWhitespace) có thể áp dụng cho
các đối tượng là các điểm hoặc các hình chữ nhật. Ý tưởng mẫu chốt của thuật toán là phương
pháp nhánh cận và thuật toán Quicksort. Hình 5 a) và 4 minh họa giả code của thuật toán và bước
chia hình chữ nhật thành các hình chữ nhật con.
Trong khuôn khổ của luận án này, đầu vào của thuật toán là một tập các hình chữ nhật
rectangles (hình bao của các kí tự), hình chữ nhật bound (hình bao của cả trang ảnh) và hàm
quality(rectangle) trả về diện tích của mỗi hình chữ nhật, xem Hình 4.a). Thuật toán định nghĩa
một trang thái (state) bao gồm một hình chữ nhật r, tập các hình chữ nhật obstacles (hình bao
của các kí tự) nằm trong hình chữ nhật r và diện tích của hình chữ nhật r (q = quality(r)). Trạng
thái 𝑠𝑡𝑎𝑡𝑒𝑖 được định nghĩa là lớn hơn trạng thái 𝑠𝑡𝑎𝑡𝑒𝑗 nếu 𝑞𝑢𝑎𝑙𝑖𝑡𝑦(𝑟𝑖 ) > 𝑞𝑢𝑎𝑙𝑖𝑡𝑦(𝑟𝑗 ). Hàng
đợi ưu tiên queue được sử dụng để lưu trữ các trạng thái.
Mỗi vòng lặp thuật toán sẽ lấy ra trạng thái state = (q, r, obstacles) là đầu của hàng đợi ưu
tiên, đây là trạng thái mà hình chữ nhật r có diện tích lớn nhất. Nếu không có hình chữ nhật
obstacles nào chứa trong r thì r là vùng trắng hình chữ nhật lớn nhất tìm được và thuật toán kết
thúc. Ngược lại, thuật toán sẽ chọn một trong các hình chữ nhật obstacles làm chốt (pivot), cách
chọn tốt nhất là càng gần tâm của hình chữ nhật r càng tốt, xem Hình 4.b). Chúng ta biết rằng
vùng trắng lớn nhất sẽ không chứa bất kì một hình chữ nhật obstacles nào vì vậy nó cũng sẽ
không chứa pivot. Do đó, có bốn khả năng có thể xảy ra của vùng trắng lớn nhất: là bên trái và
bên phải của pivot, xem Hình 4.c), hoặc bên trên và bên dưới của pivot, xem Hình 4.d). Tiếp
theo, thuật toán sẽ xác định các hình chữ nhật obstacles giáo với mỗi hình chữ nhật con này, có
bốn hình chữ nhật con 𝑟0 , 𝑟1 , 𝑟2 , 𝑟3 được sinh ra từ hình chữ nhật 𝑟, xem Hình 5 và tính toán
chặn trên của vùng trắng lớn nhất có thể có trong mỗi hình chữ nhật con mới được tạo ra, chặn
trên được lựa chọn chính là diện tích của mỗi hình chữ nhật con. Các hình chữ nhật con cùng với
các obstacles nằm trong nó và chặn trên tương ứng với nó được đẩy vào hàng đợi ưu tiên và các
bước trên được lặp lại cho đến khi xuất hiện trạng thái với hình chữ nhật r không chữ bất kì một
obstacles nào. Hình chữ nhật này là nghiệm toàn cục của bài toán tìm vùng trắng lớn nhất.

a)

b)

c)

d)

Hình 4: Mô tả bước chia trang ảnh thành bốn miền con của thuật toán tìm vùng trắng lớn nhất, (a) hình
bao và các hình chữ nhật, (b) điểm chốt tìm được, (c, d) các miền con trái/phải và trên/dưới.

8


a)

b)

Hình 5: a) minh họa giả code của thuật toán tìm các vùng trắng lớn nhất. b) minh họa thuật toán tìm các
vùng trắng bao phủ nền trang ảnh

2.2.3. Thuật toán phát hiện nền trang ảnh
Để phát hiện nền trang ảnh thuật toán được đề xuất như một mô đun của thuật toán
WhiteSpace áp dụng thuật toán MaxWhitespace Để tìm m — Whitespace vùng trắng (với m —
Whitespace khoảng 300 là đủ Để mô tả tốt nền trang ảnh), sau đây thuật toán phát hiện nền được
gọi là WhiteSpaceDetection. Sơ đồ của thuật toán được the hiện ở Hình 5 b).
2.3. Tăng tốc thuật toán phát hiện nền trang ảnh
Để tìm các vùng trắng bao phủ nền của trang ảnh, thuật toán tìm vùng trắng chia đệ quy
trang ảnh thành các vùng con sao cho vùng con tìm được không chứa một kí tự nào. Tại mỗi lần
lặp thuật toán sẽ chia mỗi vùng con của trang ảnh thành bốn miền con khác nhau, xem Hình 6.
Quá trình này sẽ tạo thành một cây tứ phân do vậy nếu vòng lặp lớn thì số lượng các miền còn
cần được xem xét đến sẽ là rất lớn. Chính vì vậy thời gián thực thi của thuật toán thường rất
chậm. Do đó, để tăng tốc thuật toán phát hiện nền trang ảnh cần phải làm giảm tối đa số các vùng
con cần phải xét đến, bằng cách hạn chế sinh ra các nhanh con không cần thiết của cây tứ phân.
Hình 6 cho thấy miền Z G (Vùng ông bà) được chia làm bốn miền con: miền con trên Z P T ,
miền con dưới Z P B , miền con trái Z P L và miền con phải Z P R . Tiếp tục chia miền Z P T , thì miền con
phải Z C T R sẽ nằm trọn trong miền Z P R , nên khi xét đến miền Z P R thì cũng xem xét luôn miền Z C T R ,
hay miền Z C T R được xem xét lại. Ví dụ minh họa ở Hình 6 cho thấy miền con trên Z C R T của miền
Z P R đã xét lại miền Z C T R . Quá trình phân chia này sẽ tạo thành một cây tứ phân và càng xuống sâu
thì sẽ càng có nhiều các vùng con bị xem xét lại nhiều lần.
Trong chương này, luận án đề xuất một giải pháp làm giảm tối đa số các miền con bị xét lại.
Thuật toán được đề xuất (sau đây gọi là Fast-WhiteSpaceDetection) sẽ không sinh ra các miền
con mà nó nằm trọn vẹn trong các miền con trước đó, bằng cách dựa vào vị trí tương đối giữa
Pivot của miền đang xét với Pivot của miền cha. Như ví dụ ở Hình 6, miền con Z C T R sẽ không
được sinh ra vì nó nằm trong miền (Z P R ). Tuy nhiên, chỉ xem xét loại bỏ các miền con theo từng
cặp, hoặc miền con trái/phải hoặc miền con trên/dưới, trong tất cả các miền xem xét. Có nghĩa
là, nếu xem xét loại bỏ các miền con trái/phải thì không được xem xét loại bỏ các miền con
trên/dưới nữa, và ngược lại vì nếu xem xét loại bỏ ở tất cả bốn miền con thì sẽ có vùng không
bao giờ được xét đến, dẫn đến sẽ bỏ sót một số vùng trắng. Ví dụ trong Hình 6, nếu xét loại bỏ ở
9


cả bốn miền con thì miền Z C T R và Z C R T sẽ bị loại bỏ nên một phần trong vùng giáo giữa hai miền
này sẽ không được xét đến bao giờ.
Do đó, thuật toán Fast-WhiteSpaceDetection cải tiến bước sinh ra các miên con như sau (Hình 7):
 Sinh miền con trên.
 Sinh miền con dưới.

Sinh miền con trái nếu tọa độ trái của Pivot của nó lớn hơn tọa độ trái của Pivot của miền
cha và hai Pivot không chồng lên nhau theo chiều dọc.
 Sinh miền con phải nếu tọa độ phải của Pivot của nó nhỏ hơn tọa độ phải của Pivot của
miền cha và hai Pivot chồng lên nhau theo chiều dọc.
2.4. Thuật toán WhiteSpace và thuật toán Fast-WhiteSpace
2.4.1. Thuật toán WhiteSpaceThuật

Hình 6: Minh họa mặt hạn chế dẫn đến làm giảm tốc độ của bước tìm các vùng trắng của thuật
toán WhiteSpaceDetection. Miền Z C T R , ZC RT và các miền con của chúng sẽ được xét lại nhiều lần.

a)

b)

Hình 7: Minh họa một trường hợp sinh các miền con của thuật toán WhiteSpaceDe- tection và thuật toán
Fast-WhiteSpaceDetection. Hình a) minh họa kết quả sinh bốn miền con của thuật toán WhiteSpaceDetection.
Hình b) minh họa kết quả sinh các miền con của thuật toán Fast-WhiteSpaceDetection.

Phân tích cấu trúc nền của trang ảnh là một hướng tiếp cận được phát triển bởi nhiều tác giả.
Tuy nhiên các hướng tiếp cận này đều khó cài đặt thực nghiệm, yêu cầu một số lượng lớn cấu
trúc dữ liệu hình học và chi tiết với nhiều trường hợp đặc biệt. Bởi vậy những phương pháp này
đã không được áp dụng rộng rãi. Thuật toán WhiteSpace được đề xuất bởi Breuel được phát biểu
và cài đặt đơn giản, không phải xem xét đến các trường hợp đặc biệt. Các bước chính của thuật
toán bao gồm:
Bước 1 (Hình 8 b): Tìm và phân loại các thành phần liên thông thành ba nhóm dựa vào kích
10


thước: nhóm lớn là các đối tượng hình ảnh, đường kẻ,.. . nhóm vừa là các ký tự (CCs), nhóm
nhỏ là các đối tượng nhiễu.
Bước 2 (Hình 8 c): Tìm các vùng trắng hình chữ nhật.
Bước 3: Từ các vùng trắng tìm được, lọc lấy các vùng trắng hình chữ nhật dọc (vspace) phân
tách các cột và các vùng chữ nhật ngang (hspace) phân tách các đoạn dựa trên một số tiêu
chí: kích thước và sự chồng gối lên nhau của các vùng trắng và mật độ kí tự liền kề với vùng
trắng.
Bước 4 (Hình 8 d): Tìm các vùng chữ bằng cách áp dụng thuật toán tìm các vùng trắng ở
bước 2. Lúc này, các CCs được thay thế bằng các vspace và hspace.

a)

b)

c)

d)

Hình 8: Minh họa các bước của thuật toán WhiteSpace. Hình a) thể hiện hình bao của các thành phân liên
thông (CCs), b) các hình chữ nhật là các vùng trắng bao phủ nền của trang ảnh, c) các hình chữ nhật là các đối
tượng phân tách ngang và dọc được sử dụng để phân đoạn trang ảnh thành các vùng, d) thể hiện kết quả của
quá trình phân tách.

2.4.2. Thuật toán Fast-WhiteSpace
Để tiến hành thực nghiệm cho thấy sự hiệu quả (tăng tốc độ nhưng không ảnh hưởng đến
kết quả của quá trình phát hiện nền trang ảnh) của bước tìm nhanh nền trang ảnh. Luận án đã ứng
dụng mô đun tìm nhanh nền để phát triển thuật toán Fast-WhiteSpace và thuật toán AOSM
(AOSM sẽ được trình bày ở chương 3). Fast- WhiteSpace là sự kết hợp của thuật toán WhiteSpace
với mô đun tìm nhanh nền trang ảnh.
2.5. Thực nghiệm và thảo luận
Trong phần này chúng tôi trình bày các kết quả so sánh tốc độ và độ chính xác của Thuật
toán Fast-WhiteSpace với thuật toán WhiteSpace trên tập dữ liệu UW-III. Hình 9 a) trình bày
thời gián thực thi trung bình trên mỗi bức ảnh của thuật toán WhiteSpace và Fast-WhiteSpace.
Cả hai thuật toán được thực nghiệm đồng thời trên máy tính PC, bộ xử lý Intel Pentium 4 CPU
3.4 GHz, bộ nhớ RAM 2 GB, hệ điều hành Windows 7 Ultimate Service Pack 1. Kết quả thực
nghiệm đã cho thấy thuật toán Fast-WhiteSpace đạt tốc độ thực thi nhanh vượt trội so với thuật
toán WhiteSpace gốc.
Hình 9 b) trình bày kết quả đánh giá độ chính xác của các thuật toán trên tập dữ liệu UWIII với độ đo PSET. Độ chính xác của thuật toán Fast-WhiteSpace thay đổi không đáng kể so với
thuật toán gốc và có kết quả tương đối tốt so với các thuật toán tiên tiến hiện nay, 91.87%của
thuật toán AdWhiteSpace so với 93.84% của Tab-Stop và 79.45% của thuật toán RAST.

2.6. Kết luận chương
11


Trong chương này, luận án đã trình bày những lợi thế có được từ hướng tiếp cận dựa trên
nền trang ảnh và cụ thể hóa bằng những dẫn chứng về những thuật toán mạnh dựa trên nền trang
ảnh được phát triển. Luận án đã trình bày thuật toán phát hiện nền WhiteSpaceDetection và thuật
toán phát hiện nền trang ảnh nhanh Fast- WhiteSpaceDetection. Các kết quả thực nghiệm đã
chứng tỏ thuật toán WhiteSpace cải tiến (sử dụng Fast-WhiteSpaceDetection làm một mô đun)
đạt tốc độ thực thi nhanh vượt trội, đồng thời độ chính xác hầu như không thay đổi so với thuật
toán gốc.

a)

b)

Hình 9: Minh họa thời gián thực thi và độ chính xác của thuật toán Fast-WhiteSpace so thuật toán
WhiteSpace và các thuật toán tiêu biểu: a) thời gián thực thi, b) độ chính xác.

12


CHƯƠNG 3. THUẬT TOÁN PHÂN TÁCH TRANG ẢNH TÀI LIỆU HP2S VÀ AOSM
Chương này trình bày hai thuật toán phân tích trang ảnh tài liệu: thuật toán lai ghép phân
tích trang ở cấp độ đoạn văn bản (A hybrid paragraph-level page segmentation - sau đây gọi tắt
là thuật toán HP2S), thuật toán phân tích trang tách quá và gộp lại bằng phương pháp tham số
thích nghi (Adaptive over-split and merge for page segmentation - sau đây gọi tắt là thuật toán
AOSM). Phần một trình bày mô hình phân tích trang của cả hai thuật toán HP2S và AOSM. Phần
hai trình bày giái đoạn gom cụm từ các thành phân liên thông thành các vùng văn bản của thuật
toán HP2S. Phần ba trình bày hai giái đoạn của thuật toán AOSM: giái đoạn 1 tách trang ảnh
thành các vùng chữ ứng cử viên, giái đoạn 2 gộp các vùng chữ bị phân tách quá nhỏ thành các
vùng chữ. Giái đoạn tách các vùng chữ thành các đoạn văn bản được trình bày trong phần bốn.
Cuối cùng là các kết quả thực nghiệm trên các tập dữ liệu của các cuộc thi phân tích trang các
năm 2009, 2015, 2017, tập dữ liệu UWIII và tập dữ liệu UNLV.
3.1. Mô hình phân tích trang của hai thuật toán HP2S và AOSM
Các thuật toán phân tích trang theo hướng tiếp cận lai ghép (hybrid) là sự kết hợp của hai
hướng tiếp cận từ trên xuống và từ dưới. Trong những năm gần đây đã có nhiều thuật toán mạnh
phát triển theo hướng tiếp cận lai ghép. Ý tưởng chung của hướng tiếp cận lai ghép là sử dụng
các thông tin ở cấp độ thấp (thông thường là các thành phần liên thông) để xác định các đối tượng
phân tách từ đó suy ra cấu trúc cột của trang ảnh. Tức là có thể suy ra được trang ảnh có bao
nhiêu cột văn bản và các cột văn bản sẽ nằm về các phía khác nhau của các đối tượng phân tách.
Sau đó, áp dụng phương pháp gom cụm để nhóm các thành phần ở cấp độ thấp thành các vùng
chữ. Cuối cùng tách các vùng chữ thành các đoạn văn bản.
Trong phần này luận án trình bày mô hình phân tích trang của cả hai thuật toán HP2S và
AOSM, xem Hình 10. Từ mô hình 10 có thể thấy HP2S và AOSM áp dụng chung phương pháp
tách các vùng chữ thành các đoạn văn bản. Tuy nhiên, để xác định các vùng chữ hai thuật toán
sử dụng hai cách tiếp cận khác nhau, xem Hình 11. HP2S sử dụng hướng tiếp cận từ dưới lên để
gom cụm các thành phân liên thông thành các vùng chữ. Trong khi đó, AOSM sử dụng hướng
tiếp cận từ trên xuống để chia trang ảnh thành các vùng chữ ứng cử viên, sau đó áp dụng phương
pháp tham số thích nghi để nhóm các vùng chữ bị tách quá nhỏ lại với nhau.

Hình 10: Mô hình chung của hai thuật toán HP2S và AOSM.

13


a)

b)

Hình 11: Sơ đồ thuật toán của cả hai thuật toán HP2S và AOSM: a) thuật toán HP2S, b) thuật toán
AOSM.

3.2. Thuật toán HP2S
Trong phần này, luận án trình bày các bước chính xác định vùng chữ của thuật toán HP2S.
Quá trình này gồm ba bước chính như minh họa ở Hình 12. Bước đầu tiên, thuật toán sẽ phát hiện
các đường phân tách (sau đây được gọi là các tab — line) giữa các cột văn bản. Bước 2, thuật
toán sử dụng phép biến đổi Hough cùng với các tab — line để xác định các dòng chữ. Cuối cùng,
các dòng chữ được nhóm lại thành các vùng chữ. Chi tiết của các bước này sẽ được trình bày tại
các mục , , .
3.2.1. Phát hiên các đường phân tách

Hình 12: Các bước chính của quá trình xác định các vùng chữ của thuật toán HP2S.

Thuật toán Tab-Stop đã trình bày vấn đề phát hiện các đường phân tách (tab-line) là dãy
các kí tự ở đầu hoặc cuối mỗi dòng chữ (tab-stop) và thẳng hàng theo phương dọc. Các đường
phần tách này có thể được sử dụng để thay thế cho các phân tách vật lý hay các khoảng trắng
hình chữ nhật trong việc phát hiện cấu trúc cột của trang ảnh tài liệu. Trong phần này, tôi trình
bày một phương pháp đơn giản để phát hiện các tab-lines. Thuật toán HP2S đã đề một phương
pháp xác định các tab - line được thực hiện ít bước hơn, đơn giản hơn và dễ dàng cài đặt thực
nghiệm.
3.2.2. Xác Định các dòng chữ
Trước tiên, phép biến đổi Hough được thực hiện trên tập hợp các trung điểm của các cạnh
đáy của các kí tự để từ đó tìm ra dãy các kí tự thẳng hàng theo phương ngang. Mỗi dãy các kí tự
thẳng hàng theo phương ngang sẽ là các ứng cử viên tốt nhất để tạo thành các dòng chữ. Mỗi dãy
các kí tự này được gọi là các dòng chữ ứng cử viên, xem Hình 13 và 14. Đối với mỗi dòng chữ
ứng cử viên, thuật toán ước lượng khoảng cách theo phương ngang của các kí tự và các từ kề
nhau theo phương ngang, khoảng cách giữa các từ được kí hiệu là dw. Khoảng cách d w sẽ được
14


sử dụng cùng với các đường phân tách để tách các dòng chữ ứng cử viên thành các dòng chữ như
sau: hai kí tự kề nhau theo phương ngang là thuộc cùng một dòng chữ nếu chúng không nằm về
hai phía của một đường phân tách nào đó đồng thời khoảng cách theo phương ngang của chúng
không vượt quá hai lần dw. Sự kết hợp giữa các đường phân tách với phương pháp truyền thống
từ dưới lên để xác định các dòng chữ đã giúp thuật toán tách được các dòng chữ ở các cột văn
bản ở rất gần nhau. Trong một số trường hợp khoảng cách giữa hai cột gần như là tương đương
với khoảng cách giữa các từ trên các dòng chữ ứng cử viên (13a). Tuy nhiên, sự tồn tại của các
đường phân tách theo phương đứng đã giúp thuật toán tách các dòng chữ ứng cử viên thành các
dòng chữ khác nhau năm về các cột khác nhau, xem Hình 13b). Khi các cột văn bản không được
căn lề thẳng hàng thì sẽ không tồn tại các đường phân và khí đó tham số dw sẽ là hữu ích trong
quá trình xác định các dòng chữ. Hầu hết trong các trường hợp này, khoảng cách giữa các dòng
chữ d là lớn hơn khoảng cách giữa các từ dw (Hình 14).
Khác với các thuật toán bottom-up truyền thống, thuật toán của chúng tôi không sử dụng
một tham số dw cho tất cả các dòng chữ ứng cử viên. Tham số dw được ước lượng trên mỗi tập
các kí tự có kích cỡ phông chữ tương tự nhau và thuộc cùng một dòng chữ ứng cử viên. Do đó,
điều này đã giúp thuật toán giảm đáng kề lỗi phân mảnh dòng chữ, đặc biệt là các dòng chữ ở
phần tiêu đề (Hình 13b).

a)

b)

Hình 13: Minh họa các đường phân tách được sử dụng trong quá trình xác định các dòng chữ. a) minh
họa các dòng chữ ứng cử viên. Các kí tự nằm ở các phía khác nhau của một đường phân tách sẽ thuộc các dòng
chữ khác nhau. b) Các dòng chữ là kết quả được xác định bởi thuật toán.

a)

b)

Hình 14: a) các dòng chữ ứng cử viên, b) trường hợp không tồn tại đường phân tách, d w được sử dụng để
tách các kí tự thành các dòng chữ.

Trong một số trường hợp, ví dụ như các vùng chữ phần tại liệu tham khảo hoặc các đoạn
văn bản bắt đầu với các kí tự đặc biệt, các vùng chữ thường được căn lề thẳng hàng và thụt vào
so với các chỉ số và kí tự đặc biệt. Do đó, các đường phần tách sẽ tách các chỉ số hay các kí tự
đặc biệt ra khỏi các dòng chữ.
Để khắc phục kiểu lỗi này, trước tiên chúng tôi tìm thêm các tab-stop ứng cử viên bằng các
áp dụng phương pháp tìm các tab-stop tương tự như mục với chiều rộng của hình chữ nhật kề
phải chỉ bằng một của chiều rộng của kí tự đang xét. Sau đó, các tab-stop ứng cử viên mới tìm
được mà giáo với các tab-stop ứng cử viên trái được xác định từ mục thì cập nhật là tab-stop phần
tài liệu tham khảo hay đó là các kí tự đặc biệt và kí hiệu là m - tabs. Các m - tabs là các kí tự đã bị
tách ra khỏi dòng chữ do sự xuất hiện của các đường phân tách. Cuối cùng, thuật toán sẽ kết hợp
các m - tabs với các dòng chữ kề phải và gán nhán là các dòng chữ phân tách. Các dòng chữ phân
tách này sẽ được sử dụng lại ở mục để xác định các đoạn văn bản.
15


3.2.3. Gom cụm các dòng chữ thành các vùng chữ
Trong phần này, trình bày quá trình gom cụm các dòng chữ thành các vùng chữ. Hướng tiếp
cận bottom-up được sử dụng để nhóm các dòng chữ gần kề để hình thành các vùng chữ với hình
bao bất kì.
Tập các dòng chữ được xác định từ phần trước được sắp xếp lại theo thứ tự từ trái qua phải,
từ trên xuống dưới. Một cặp các dòng chữ (𝑙𝑖𝑛𝑒𝑖 , 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑗 ) thỏa mãn đồng thời các điều kiện dưới
đây sẽ được nhóm vào cùng một vùng chữ.

a)

b)

c)

Hình 15: a) Ảnh gốc, b) các đường phân tách, c) các vùng chữ được xác định.

Trong các điều kiện trên, DisHoriz(.,.) là khoảng cách theo phương ngang giữa các dòng chữ.
AvgHoriz là khoảng cách trung bình theo phương ngang của các dòng chữ, 𝑦𝑖 và 𝑦𝑗 lần lượt là
tung độ của tâm của các dòng chữ line i và 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑗 . 𝑥 − ℎ𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡𝑖𝑗 là giá trị nhỏ nhất của
𝑥 − ℎ𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡𝑖 và 𝑥 − ℎ𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡𝑗 . CheckTabline (., .) trả về giá trị true nếu hai dòng chữ nằm về
hai phía các dòng của một đường phân tách bất kì, ngoài ra trả về giá trị false.
CheckRulling (., .) trả về giá trị true nếu hai dòng chữ nằm về hai phía khác nhau của một được
kẻ ngang, ngoài ra trả về giá trị false.
Các điều kiện (i) và (ii) đảm bảo tách các dòng chữ thành các cột khác nhau. Điều này được thực
hiện bằng cách sử dụng sự kết hợp của các đường phân tách và điều kiện gom cụm chặt chẽ. Điều
kiện (iv) cho phép chỉ nhóm các dòng chữ có kích cỡ phông chữ tương tự nhau và chồng lên
nhau theo chiều dọc.
Điều đáng giá là điều kiện (iv) ủng hộ các dòng chữ có kích cỡ phông chữ tương tự nhau và trở
nên nghiêm ngặt khi kích cỡ phông chữ khác nhau. Trong một khía cạnh khác, khoảng cách giữa
các tâm của hai dòng chữ ở phía bên trái của (iv) tính cả kích cỡ phông chữ lớn trong khi bên trái
của (iv) tính kích cỡ phông nhỏ. Kết quả thực nghiệm được chỉ ra ở Hình 26 cho thấy HP2S ít
nhạy cảm với các giá trị của thám số 𝜃. Các giá trị 𝜃 phù hợp nhất là trong phạm vị giữa 1.4 đến
1.6. Do đó, thuật toán sử dụng giá trị mặc định là 1.5 cho tất cả các thực nghiệm.
3.3. Thuật toán AOSM
Trong phần này, luận án trình bày quá trình xác định các vùng chữ của thuật toán AOSM. Quá
trình này gồm hai giái đoạn chính như sau (Hình 16):
Giái đoạn 1: Tách quá trang ảnh thành các vùng chữ ứng cử viên.
Giái đoạn 2: Gộp các vùng chữ ứng cử viên bị tách quá lại thành các vùng chữ.

16


Hình 16: Các bước chính của quá trình xác định các vùng chư của thuật toán AOSM.

3.3.1. Xác định các vùng chữ ứng cử viên
Các phân tách phổ biến nhất được áp dụng bởi một trong các thuật toán Hybrid hàng đầu
hiện nay là các vùng trắng hình chư nhật, ví dụ như thuật toán RAST, Fraunhofer hay dây chuyên
các vùng trắng, ví dụ như PAL hay dây chuyên các kí tự ở đầu hoặc cuối dòng, ví dụ như TabStop, ETIPA. Các phương pháp dựa trên các phân tách này đều phụ thuộc vào hai bước:
 Bước 1: trích rút các phân tách ứng cử viên,
 Bước 2: lựa chọn và nhóm các phân tách ứng cử viên thành các đường phân tách tốt
nhất.
Do đó, các thuật toán hybird thường nhạy cảm vào kết quả của quá trình phát hiện các đối tượng
phân tách, nếu xác định thiếu thì sẽ dẫn đến lỗi under-segmentation, nếu xác định sai thì sẽ dẫn
đến lỗi over-segmentation.
Để khắc phục được nhược điểm của bước xác định các phân tách chúng tôi một giải pháp đơn
giản và hiệu quả sau:
 Bước 1: để trích rút các phân tách ứng cử viên (vùng trắng) chúng tôi sử dụng thuật toán
WhiteSpace, là một thuật toán phát hiện đơn gián và hiệu quả đặc biệt thuật toán đã có mã
nguồn mở.
 Bước 2: tập các vùng trắng ứng cử viên tìm được ở bước 1 đều được sử dụng làm các
phân tách để từ đó chia trang ảnh thành các vùng chư ứng cử viên.
Với cách tiếp cận này thuật toán AOSM có thể khắc phục được hạn chế nhược điểm của
cácphương pháp phát hiện phân tách mạnh nhất hiện nay. Một điều khá thú vị là các vùng chữ
ứng cử viên được xác định một cách rất dễ dàng bằng cách loại bỏ đi các đối tượng phân tách,
xem Hình 17 c) và 17 d). Đồng thời kết quả của việc phân tích khi sử dụng toàn bộ các vùng
trắng sẽ khắc phục hầu như hoàn toàn lỗi under-segmentation bị gây ra do cấu trúc trang hay
các vùng trang ảnh ở quá gần nhau. Tuy nhiên, có thể có những vùng chữ sẽ bị phân tích quá
nhỏ (over-segmentation), xem Hình 17. Các vùng chữ bị tách quá nhỏ này có thể kiểm soát
được và sẽ được khắc phục ở giai đoạn 2 của thuật toán AOSM.

17


Hình 17: Minh họa các bước kết quả của giải đoạn 1: a) ảnh gốc đầu vào; b) các hình chữ nhật thể hiện các
vùng trắng nền tìm được; c) kết quả của quá trình "đồ mực"; d) các vùng chữ ứng cử viên.

3.3.2. Gom cụm các vùng chữ bị over-segmentation
Những vùng mà có số dòng chữ đủ nhỏ sẽ được xem là mắc lỗi over-segmentation. Tất cả
các dòng chữ thuộc các vùng chữ này sẽ được nhóm lại với nhau bằng phương pháp tham số
thích nghi được phát biểu như sau: Hai dòng chữ 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑖 và 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑗 (thuộc hai vùng chữ lân cận) được
xem xét để nhóm vào một vùng nếu thỏa mãn các điều kiện dưới đây (xem Hình 18)

ở đây, 𝑦𝑖 và 𝑦𝑗 lần lượt là tung độ của tâm các dòng chữ 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑖 và 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑗 , x — height là chiều cao
của các kí tự xuất hiện nhiều nhất trong một dòng chữ, 𝑥 − ℎ𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡𝑖𝑗 là chiều cao 𝑥— ℎ𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡
nhỏ nhất của hai dòng chữ. Tham số 𝜃 được sử dụng để xác định khoảng cách lân cận theo phương
thẳng đứng giữa hai dòng chữ trong cùng một vùng ảnh.
Những điều kiện này có nghĩa là hai dòng chữ sẽ được nhóm vào cùng một vùng nếu chúng
đủ gần nhau theo phương ngang (i) hoặc đủ gần nhau theo phương dọc (ii). Một vấn đề rất đáng
giá đó là điều kiện (ii) cho phép thuật toán không chỉ có thể đánh giá được khoảng cách theo
phương dọc giữa các dòng chữ mà còn có thể đánh giá được sự chênh lệch về kích cỡ phông chữ
giữa các dòng chữ. Điều kiện (ii) ủng hộ việc nhóm hai dòng chữ có kích cỡ phông tương tự nhau
và nghiêm khắc hơn với những dòng chữ có kích cỡ phông khác nhau nhiều. Các kết quả thực
nghiệm đã cho thấy thuật toán AOSM ít nhạy cảm với tham số 𝜃 (Hình 26) và các giá trị phù
hợp của 𝜃 là trong khoảng 1.4 và 1.6. Do đó, giá trị mặc định 1.5 được lựa chọn trong tất cả các
thực nghiệm. Giá trị 1.5 tương ứng với giãn dòng 1.5 chiều cao dòng chữ của nhiều định dạng
văn bản.

Hình 18: Minh họa cho phương pháp tham số thích nghi. Hai dòng chữ 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑖 , 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑗 có khoảng cách theo phương
dọc lớn hơn khoảng cách theo phương dọc giữa hai dòng chữ 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑖 , 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑘 . Tuy nhiên, hai dòng chữ 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑖 , 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑗
được xem xét là cùng một nhóm vì |𝑦𝑖 − 𝑦𝑗 | < (1 + 𝜃) ∗ 𝑥 − ℎ𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡𝑖𝑗 , còn hai dòng chữ 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑖 , 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑘 lại không
cùng thuộc một nhóm vì |𝑦𝑘 − 𝑦𝑗 | < (1 + 𝜃) ∗ 𝑥 − ℎ𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡𝑗𝑘 .
18


Hình 19 chỉ ra một ví dụ nhóm các dòng chữ bị phân tách quá nhỏ thành vùng chữ. Các dòng chữ
vùng tiêu đề thường bị phân tách quá nhỏ vì khoảng cách giữa các dòng chữ lớn. Thuật toán
AOSM sẽ gộp các dòng chữ này vào cùng một vùng chữ dựa trên sự tương tự của chiều cao và
mỗi liên hệ khoảng cách giữa chúng. Các dòng chữ vùng tiêu đề và các dòng chữ phần nội dung
không bị nhóm lại với nhau do khoảng cách tương quan giữa tâm của các dòng chữ lớn.

a)

b)

Hình 19: Minh họa kết quả của quá trình nhóm các dòng chữ bị over-segmentation: a) các dòng chữ bị oversegmentation; b) kết quả sau khi gom cụm.

3.4. Xác định các đoạn văn bản
3.4.1. Định nghĩa các dòng chữ phân tách
Để tách các vùng chữ thành các đoạn văn bản thuật toán HP2S và AOSM sử dụng năm kieu
dòng chữ phân tách được minh họa như Hình 20.

a)

b)

c)

d)

e)

Hình 20: Các hình chữ nhật "nét đứt” the hiện cho các dòng chữ phân tách được định nghĩa.
Tách các vùng chữ thuần nhất thành các đoạn văn bản.

Những khó trong phân tích trang văn bản không chỉ là cấu trúc trang ảnh văn bản phức tạp
hay sự thay đổi kiểu hay kích cỡ phông chữ mà còn vấn đề khoảng cách giữa các vùng chữ ở quá
gần nhau. Khoảng giữa các dòng chữ, vùng chữ đôi khi còn nhỏ hơn cả khoảng cách giữa các từ
trên cùng một dòng chữ. Đây là một thách thức mà hầu hết các thuật toán phân tích trang dựa
trên các đối tương phân tách và việc phân tích các thành phần liên thông đều thất bài.
Để vượt qua khó khăn này, thuật toán HP2S và AOSM sử dụng một tập các dòng chữ phân
tách để chia nhỏ những vùng chữ các đoạn văn bản. Quá trình xác định các đoạn văn bản được
thực hiện như sau: thuật toán duyệt từ trên xuống dưới và từ dưới lên trên của mỗi vùng chữ để
không cắt qua các dòng chữ phân tách (Hình 20.b) hay 20.c), và rồi chia tiếp mỗi vùng thành các
vùng con (Bước 1 ở Hình 21.d). Và sau đó, các dòng chữ trong những vùng con này được sắp xếp lại
theo thứ tự dọc và ngang, (bước 2 ở Hình 21.d). Cuối cùng, các đoạn văn bản được xác định bằng
cách sử dụng các dòng chữ phân tách ở Hình 20.a), 20.d) hoặc 20.e) (bước 3 ở Hình 21.d).
19


Như đã được minh họa ở Hình 21, các dòng chữ phân tách đã cho thấy sự hiểu quả trong
việc phân tách các vùng chữ có kích cơ phông tương tự nhau, ở rất gần nhau và có cấu trúc rất
phức tạp. Những thuật toán top-down và bottom-up truyền thống hầu như thất bại trong trường
hợp này.

a)

b)

c)

d)

Hình 21: Tách các vùng chữ thuần nhất thành các đoạn văn bản: a) kết quả phân tách không sử dụng các dòng
chữ phân tách, b) các dòng chữ "tô đậm" là các dòng chữ phân tách, d) các vùng chữ được tách ra do sử dụng
các dòng chữ phân tách, e) kết quả phân tách cuối cùng.

3.5. Thực nghiệm và thảo luận
3.5.1. Các thuật toán, tập dữ liệu và đô đo
Trong phần này, luận án trình bày các kết quả đánh giá thực nghiệm thuật toán HP2S, AOSM
và Fast-AOSM (Fast-AOSM là thuật toán AOSM sử dụng mô đun tìm nhanh các vùng trắng
được trình bày ở Chương 2) với các thuật toán tiêu biểu cho các hướng tiếp cận của các thuật
toán phân tích trang, các hệ thống phân tích trang tốp đầu trong các cuộc thi phân tích trang quốc
tế ICDAR2009, ICDAR2015 và ICDAR2015, các sản phẩm thương mại và các hệ thống mã
nguồn mở nổi tiếng.
 Các thuật toán tiêu biểu cho các hướng tiếp cận to-down, bottom –up và hybrid bao gồm
các thuật toán: Docstrum, Voronoi, WhiteSpace, Tab-Stop.
 Các hệ thống tốp đầu trong các cuộc thi phân tích trang quốc tế ICDAR2009, ICDAR2015
và ICDAR2017.
 Các sản phẩm thương mại nổi tiếng: Fine Reader 8.1, 10, 11 và 12 sau đây lần lượt được kí
hiệu là: FRE 8.1, FRE 10, FRE 11, FRE 12.
 Các hệ thống mã nguồn mở nổi tiếng: OCRopus 0.3.1, Tesseract 3.02, Tesseract 3.03,
Tesseract 3.04.
Các kết quả thực nghiệm được thực hiện trên các tập dữ liệu nổi tiếng là UWIII, UNLV,
ICDAR2009 dataset, ICDAR2015 dataset và ICDAR2017 dataset. Các độ đo mà chúng tôi sử
dụng bao gồm F-Measure, PSET và độ đo PRImA với các ngữ cảnh đánh giá khác nhau đã được
sử dụng để đánh giá thành công các thuật toán phân tích trang tại các cuộc thi ICDA2009,
ICDAR2011, ICDAR2013 và ICDAR2015.

20


3.5.2. Các kết quả thực nghiêm và thảo luận

a)

b)

Hình 22: Kết quả thiệm của thuật toán HP2S và AOSM trên tập dữ liệu ICDAR2009 so với các thuật toán tốp
đầu của cuộc thi năm 2009, a) kết quả với độ đo F-Measure, b) kết quả với độ đo PRImA.

a)

b)

Hình 23: Độ chính xác của thuật toán HP2S và Fast-AOSM so với các kết quả tốp đầu đã được công bố tại các
cuộc thi ICDAR2015, ICDAR2017 được thực hiên trên các ngữ cảnh của độ đo PRImA. a) kết quả trên tập dữ
liệu UNLV, b) kết quả trên tập dữ liệu ICDAR2017.

Độ chính xác của các thuật toán Docstrum, Voronoi, WhiteSpace, Tab-Stop và AOSM trên
hai tập dữ liệu được thể hiện ở hình 25. Vì các trang ảnh của tập dữ liệu

a)

b)

Hình 24: Độ chính xác và các kiểu lỗi của thuật toán Fast-AOSM so với các thuật toán tôp đầu tại cuộc thi năm
2015 khi thực hiện trên tập dữ liệu ICDAR2015. a) độ chính xác, b) các kiểu lỗi trên ngữ cảnh OCR.

21


a)

b)

Hình 25: So sánh độ chính xác và các kiểu lỗi của thuật toán HP2S và AOSM với các thuật toán tiêu biểu với
độ đo PSET. a) độ chính xác của các thuật toán trên hai tập dữ liệu tập dữ liệu UW-III and ICDAR2009 dataset.
b) các kiểu lỗi khác nhau trên tập dữ liệu ICDAR2009 dataset.

UW-III có cấu trúc dữ khá đơn giản (hầu hết là cấu trúc rectangular), vì vậy hầu hết các
thuật toán có độ chính xác khá cao, cụ thể của Docstrum là 92.87%, của Tab-Stop là 90.42%.
Hầu hết lỗi của các thuật toán này là over-segmentation phần tiêu đề với kích cỡ phông lớn. Với
bước nhóm sử dụng tham số thích nghi, thuật toán HP2S và AOSM hầu như đã khắc khục được
hoàn toàn lỗi này và đầy độ chính xác của các thuật toán lên lần lượt là 93.95% và 93.12% so với
92.87% của Docstrum, minh họa tại hình 25.
Thuật toán HP2S và AOSM có thể khắc phục được hầu như hoàn toàn lỗi oversegmentation
xảy ra ở những vùng chữ tiêu đề là một kết quả ấn tượng. Tuy nhiên, phần trăm độ chính xác tăng
lên không đáng kể so với thuật toán Docstrum, điều này là do số lượng các trang ảnh có tiêu đề
với kích cỡ phông lớn trong tập ảnh UW-III không nhiều, đồng thời số dòng chữ trên những vùng
này thường chiếm số lượng ít so với đa số.
Tập dữ liệu ICDAR2009 có sự phân bố dữ liệu đa dạng với cấu trúc dữ liệu của các trang
ảnh từ đơn giản đến phức tạp, kích cỡ phông và kiểu phông chữ trong cùng một trang ảnh có
nhiều sự thay đổi và có nhiều tình huống là thách thứ mà hầu hết các thuật toán vẫn không thể
vượt qua. Trên một tập dữ liệu khó hơn nhiều như vậy, thuật toán HP2S và AOSM đã thể hiện
được sự cải tiến vượt trôi cho với các thuật toán còn lại, cụ thể: độ chính xác của HP2S là 91.84%
và AOSM là 86.43% so với thuật toán đứng thứ hai Tab-Stop là 76.68% (Hình 25). Kết quả đánh
giá với độ đo PRImA cũng thể hiện rõ sự vượt trội của HP2S và AOSM với các thuật toán khác,
cụ thể: 92.72% của HP2S và 92.63% của AOSM so với 82.37% của thuật toán đứng thứ hai
Fraunhofer (Hình 22).
Hình 25 b) trình bày các kiểu lỗi thường bị mắc phải bởi các thuật toán. Sự phức tạp của tập
dữ liệu ICDAR2009 đã làm cho các thuật toán gặp khó khăn trong việc xác định các tham số
ngưỡng cũng như xác định các đối tượng phân tách. Hầu hết các thuật toán thất bại trong việc
giảm đồng thời cả hai kiểu lỗi over-segmentation và under-segmentation, ví dụ Docstrum có lỗi
over-segmentation (split) thấp nhất 3.16% nhưng nó lại bị lỗi under-segmentation (merge) năng
26.02% , các con số tương ứng của Tab-Stop là 6.11% lỗi split và 17.07% lỗi merge. Thuật toán
AOSM giảm lỗi merge, split xuống thành 9.17% và 4.28%.
Hình 23 thể hiện độ chính xác của thuật toán HP2S và Fast-AOSM so với các hệ thống tốp
đầu tại các cuộc thi phân tích trang quốc tế các năm 2015 và 2017. Trên tập dữ liệu UNLV thuật
toán HP2S và Fast-AOSM lần lượt đứng vị trí thứ tư và thứ hai. Thuật toán AOSM đứng thứ ba
trên tập dữ liệu ICDAR2017 với ngữ cảnh "text". Hệ thống MHS đứng vị trí thứ nhất trong cả
hai năm 2015 và 2017 trên tất cả các ngữ cảnh.
Hình 24 minh họa độ chính xác và các kiểu lỗi: merge, split, miss/partail miss,
missclassification, false detection của thuật toán Fast-AOSM với các kết quả tộp đầu của cuộc
22


thi phân tích trang năm 2015. Thuật toán Fast-AOSM đứng vị trí thứ ba sau hệ thống ISPL và
MHS. Có thể thấy thuật toán Fast-AOSM giảm đồng thời hai kiểu lỗi over-segmentation và
under-segmentation tốt hơn các thuật toán còn lại, cụ thể là 17.35% lỗi merge và 5.18% lỗi split
của thuật toán Fast-AOSM so với hệ thống đứng đầu MHS là 18.5% lỗi merge và 5.63% lỗi split.
Tuy nhiên, độ chính xác của thuật toán Fast-AOSM lại thấp hơn so với hệ thống MHS. Điều này
là do MHS bao gồm các mô đun tốt xác định vùng ảnh và vùng bảng vì vậy lỗi miss/partail miss
rất thấp, cụ thể là 0.26% lỗi miss/partail miss so với 17.58% lỗi miss/partail miss của thuật toán
Fast-AOSM.
Đối với tham số ngưỡng thích nghi 6 được sử dụng trong việc kết hợp hai dòng chữ lại với
nhau được trình bày ở phần và . Chúng tôi đã tiến hành thí nghiệm với các giá trị 𝜃, thay đổi từ
1.0 đến 2.0, trên tập dữ liệu ICDAR2009. Như chúng ta có thể nhìn thấy ở Hình 26, kết quả của
thuật toán HP2S và AOSM thay đổi không quá nhạy cảm theo giá trị của 𝜃. Sự ít nhạy cảm của
tham số 𝜃 tới điều kiện nhóm là dựa trên sự thật là sự khác nhau của kích cỡ phông chữ đã được
phản ánh một phần trong tính toán khoảng cách giữa tâm của hai dòng chữ và ngưỡng khoảng
cách được dựa trên minimum chiều cao 𝑥 − ℎ𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡 của hai dòng chữ. Nói một cách khác, thuật
toán HP2S và AOSM ủng hộ việc nhóm hai dòng chữ có kích cỡ phông tương tự nhau và nghiêm
khắc trong trường hợp ngược lại, ngay cả khi chúng ở rất gần nhau.
Hình 27 thể hiện thời gián chạy trung bình trên mỗi trang ảnh của thuật toán Docstrum,
Voronoi, WhiteSpace, TabStop, HP2S, AOSM và Fast-AOSM trên tập dữ liệu ICDAR2009. Thí
nghiệm được thực hiện trên máy tính cá nhân Intel Core i5 Processor 3.2GHz. AOSM mất trung
bình khoảng 1 giây để xử lý một ảnh, gần như là tương đương với thuật toán WhiteSpace, nhanh
hơn Voronoi và chậm hơn Docstrum. HP2S có thời gián thực thi trung bình nhanh hơn các thuật
toán Voronoi, WhiteSpace, Tab-Stop và AOSM. Thuật toán Fast-AOSM có thời gián thực thi
chậm hơn Docstrum và nhanh vượt trội so với các thuật toán còn lại.

a)

b)

Hình 26: Kết quả thực hiện của thuật toán HP2S và AOSM trên độ đo PSET-measure, tập dữ liệu ICDAR2009
với các giá trị khác nhau của 𝜃.

Hình 27: Thời gián thực thi trung bình của mỗi thuật toán khi thực hiện trên mỗi trang ảnh.

23


3.6. Kết luận chương
Trong chương này chúng tôi đã trình bày thuật toán phân tích trang ảnh tài liệu AOSM (an
Adaptive Over-Split and Merge algorithm, for the page segmentation problem). Mục tiêu của
thuật toán AOSM là giảm đồng thời cả hai kiểu lỗi thường gặp nhất ở các thuật toán phân tích
trang ảnh tài liệu, lỗi under-segmentation và oversegmentation bị gây ra bợi sợ thay đổi của kích
cỡ các phông chữ, khoảng cách giữa các vùng text là rất gần nhau và cấu trúc phức tạp của các
trang ảnh. Trước tiên, AOSM sử dụng tập các vùng trắng bao phủ nền trang ảnh làm các đối
tượng phân tách, đây là một sử thú vị và hiệu của so với các cách sử dụng các phân tách thông
thường, như tab-stop hay whitespaces để tìm ra cấu trúc cột của trang ảnh. Chiến lược này không
chỉ giải quyết được vấn đề phát hiện các delimiter mà còn giải quyết rất hiệu quả vấn đền undersegmentation. Lỗi over-segmentation thường bị gây bởi lỗi thay đổi nhiều của kích cỡ các kiểu
phông chữ và khoảng cách giữa các dòng chữ lớn. Phương pháp tham số thích nghi của AOSM
đã khắc phục hiệu quả vấn đề over-segmentation ở các dòng chữ trên cùng một vùng và vấn đề
over-segmentation xảy trên cùng một dòng chữ. Cuối cùng, các vùng chữ thuần nhất được tách
thành các đoạn văn bản bằng cách sử dụng các dòng chữ phân tách.

24


KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Kết luận
Với mục tiêu đặt ra, luận án đã đạt được một số kết quả chính sau đây:
1. Đánh giá so sánh các thuật toán phân tích trang tiêu biểu trên các tập dữ liệu PRImA và
tập dữ liệu Tiếng Việt. Các kết quả đánh giá đã cung cấp những vấn đề tổng quan nhất
về phân tích trang, điểm mạnh, điểm yếu của các hướng tiếp cận. Từ đó làm định hướng
cho các mục tiêu nghiên cứu tiếp theo. Kết quả này đã được công bố trong [4].
2. Đề xuất một giải pháp tăng tốc thuật toán phát hiện nền trang ảnh bằng cách áp dụng kĩ
thuật nhánh cận để từ đó hạn chế số nhánh không cần thiết được xét đến từ đó tăng tốc
độ thực thi của thuật toán. Kết quả này được công bố trong [3].
3. Đề xuất một các giải pháp mới trong việc phát hiện và sử dụng các đối tượng phân tách.
Đề xuất phương pháp tham số thích nghi cho quá trình gom cụm của hướng tiếp cận
bottom-up. Định nghĩa các dòng chữ phân tách để vận dụng thành công phân tách vùng
chữ thành các đoạn văn bản. Các kết quả liên quan được công bố trong [1, 2, 5, 6].
Hướng phát triển
Mặc dù luận án đã đạt được những kết quả nhất định, tuy nhiên các kết quả nghiên cứu chủ
yếu tập trung vào phân tách các vùng chữ ra khỏi vùng không phải chữ, phân tách các vùng chữ
thành các đoạn văn bản. Những vấn đề như: phát hiện vùng ảnh, vùng bảng, vùng biểu đồ, phân
tích cấu trúc logic,... vẫn chưa được đề cập đến trong luận án. Trong tương lai, luận án sẽ tiếp tục
phát triển theo các hướng sau:
1. Phát hiện vùng ảnh
2. Phân tích cấu trúc logic
3. Phát hiện và phân tích cấu trúc bảng

25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×