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Simple package for Chinese OCR, with small pretrained models

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最近更新 【2020.05.29】:V1.2.2

主要变更:

  • 优化了对数字识别的准确度。
  • 优化了模型结构,进一步降低了模型的大小,提升了预测速度;最小模型从原来的6.8M降为4.7M
  • 使用了爱因互动 Ein+自己的CDN存储模型文件,下载速度超快。
  • 提供了预测速度更快的 shorter (-s)版预训练模型:densenet-lite-s-grudensenet-lite-s-fc
  • 默认模型由之前的conv-lite-fc改为densenet-lite-fc
  • 预测支持使用GPU。
  • bugfixs:
    • 修复同时初始化多个实例时会报错的问题;
    • Web 调用时的内存泄露。感谢 @myuanz
    • 输入图片宽度很小时导致异常;
    • 去掉 f-print

更多更新说明见 RELEASE Notes

cnocr

cnocrPython 3下的中英文OCR工具包,自带了多个训练好的识别模型(最小模型仅 4.7M),安装后即可直接使用。

cnocr主要针对的是排版简单的印刷体文字图片,如截图图片,扫描件等。目前内置的文字检测和分行模块无法处理复杂的文字排版定位。如果要用于场景文字图片的识别,需要结合其他的场景文字检测引擎使用。

本项目起源于我们自己 (爱因互动 Ein+) 内部的项目需求,所以非常感谢公司的支持。

示例

图片 OCR结果
examples/helloworld.jpg Hello world!你好世界
examples/chn-00199989.jpg 铑泡胭释邑疫反隽寥缔
examples/chn-00199980.jpg 拇箬遭才柄腾戮胖惬炫
examples/chn-00199984.jpg 寿猿嗅髓孢刀谎弓供捣
examples/chn-00199985.jpg 马靼蘑熨距额猬要藕萼
examples/chn-00199981.jpg 掉江悟厉励.谌查门蠕坑
examples/00199975.jpg nd-chips fructed ast
examples/00199978.jpg zouna unpayably Raqu
examples/00199979.jpg ape fissioning Senat
examples/00199971.jpg ling oughtlins near
examples/multi-line_cn1.png 网络支付并无本质的区别,因为每一个手机号码和邮件地址背后都会对应着一个账户--这个账户可以是信用卡账户、借记卡账户,也包括邮局汇款、手机代收、电话代收、预付费卡和点卡等多种形式。
examples/multi-line_cn2.png 当然,在媒介越来越多的情形下,意味着传播方式的变化。过去主流的是大众传播,现在互动性和定制性带来了新的挑战——如何让品牌与消费者更加互动。
examples/multi-line_en_white.png This chapter is currently only available in this web version. ebook and print will follow.Convolutional neural networks learn abstract features and concepts from raw image pixels. FeatureVisualization visualizes the learned features by activation maximization. Network Dissection labelsneural network units (e.g. channels) with human concepts.
examples/multi-line_en_black.png transforms the image many times. First, the image goes through many convolutional layers. In thoseconvolutional layers, the network learns new and increasingly complex features in its layers. Then the transformed image information goes through the fully connected layers and turns into a classificationor prediction.

安装

嗯,安装真的很简单。

pip install cnocr

注意:请使用Python3 (3.4, 3.5, 3.6以及之后版本应该都行),没测过Python2下是否ok。

可直接使用的模型

cnocr的ocr模型可以分为两阶段:第一阶段是获得ocr图片的局部编码向量,第二部分是对局部编码向量进行序列学习,获得序列编码向量。目前两个阶段分别包含以下的模型:

  1. 局部编码模型(emb model)
    • conv:多层的卷积网络;
    • conv-lite/conv-lite-s:更小的多层卷积网络;后缀没有-s表示把图片长度压缩到 1/4再做预测,有-s表示把图片长度压缩到 1/8再做预测。以下类似。
    • densenet/densenet-s:一个小型的densenet网络;
    • densenet-lite/densenet-lite-s:一个更小的densenet网络。
  2. 序列编码模型(seq model)
    • lstm:一层的LSTM网络;
    • gru:一层的GRU网络;
    • fc:两层的全连接网络。

cnocr v1.2 目前包含以下可直接使用的模型,训练好的模型都放在 cnocr-models 项目中,可免费下载使用:

模型名称 局部编码模型 序列编码模型 模型大小 迭代次数 测试集准确率 测试集中的图片预测速度(秒/张,环境:单GPU)
conv-lite-fc conv-lite fc 18M 25 98.61% 0.004191
densenet-lite-gru densenet-lite gru 9.5M 39 99.04% 0.003349
densenet-lite-fc densenet-lite fc 4.7M 40 97.61% 0.003299
densenet-lite-s-gru densenet-lite-s gru 9.5M 35 98.52% 0.002434
densenet-lite-s-fc densenet-lite-s fc 4.7M 40 97.20% 0.002429

模型名称是由局部编码模型和序列编码模型名称拼接而成。

图片预测速度是在单个GPU环境下做的测试, 绝对值依赖机器资源,意义不大;但不同模型之间的相对值是可以参考的。

局部编码模型的名称如果以-s结尾,表示把图片长度压缩到 1/8做预测;没有以-s结尾则表示把图片长度压缩到1/4再做预测。相对于中文单字的大小,部分英文字母如il占位较少,对图片长度压缩过大会影响英文的识别精度。所以在英文场景下,建议使用不以-s结尾的局部编码模型,如densenet-lite-fcdensenet-lite-gru

特色

本项目的初期代码fork自 crnn-mxnet-chinese-text-recognition,感谢作者 diaomin

但源项目使用起来不够方便,所以我在此基础上做了一些封装和重构。主要变化如下:

  • 不再使用需要额外安装的MXNet WarpCTC Loss,改用原生的 MXNet CTC Loss。所以安装极简!

  • 自带训练好的中文OCR识别模型。不再需要额外训练!

  • 增加了预测(或推断)接口。所以使用方便!

使用方法

首次使用cnocr时,系统会自动下载zip格式的模型压缩文件,并存于 ~/.cnocr目录(Windows下默认路径为 C:\Users\<username>\AppData\Roaming\cnocr)。 下载后的zip文件代码会自动对其解压,然后把解压后的模型相关目录放于~/.cnocr/1.2.0目录中。

如果系统无法自动成功下载zip文件,则需要手动从 cnocr-models 下载此zip文件并把它放于 ~/.cnocr/1.2.0目录。如果Github下载太慢,也可以从 百度云盘 下载, 提取码为 msua

放置好zip文件后,后面的事代码就会自动执行了。

图片预测

CnOcr是OCR的主类,包含了三个函数针对不同场景进行文字识别。类CnOcr的初始化函数如下:

class CnOcr(object):
    def __init__(
        self,
        model_name='densenet-lite-fc',
        model_epoch=None,
        cand_alphabet=None,
        root=data_dir(),
        context='cpu',
        name=None,
    ):

其中的几个参数含义如下:

  • model_name: 模型名称,即上面表格第一列中的值。默认为 densenet-lite-fc
  • model_epoch: 模型迭代次数。默认为 None,表示使用默认的迭代次数值。对于模型名称 densenet-lite-fc就是 40
  • cand_alphabet: 待识别字符所在的候选集合。默认为 None,表示不限定识别字符范围。cnocr.consts中内置了两个候选集合:(1) 数字和标点 NUMBERS;(2) 英文字母、数字和标点 ENG_LETTERS
    • 例如对于图片 examples/hybrid.png ,不做约束时识别结果为 o12345678;如果加入数字约束时(ocr = CnOcr(cand_alphabet=NUMBERS)),识别结果为 012345678
    • cand_alphabet也可以初始化后通过类函数 CnOcr.set_cand_alphabet(cand_alphabet) 进行设置。这样同一个实例也可以指定不同的cand_alphabet进行识别。
  • root: 模型文件所在的根目录。
    • Linux/Mac下默认值为 ~/.cnocr,表示模型文件所处文件夹类似 ~/.cnocr/1.2.0/densenet-lite-fc
    • Windows下默认值为 C:\Users\<username>\AppData\Roaming\cnocr
  • context:预测使用的机器资源,可取值为字符串cpugpu,或者 mx.Context实例。
  • name:正在初始化的这个实例的名称。如果需要同时初始化多个实例,需要为不同的实例指定不同的名称。

每个参数都有默认取值,所以可以不传入任何参数值进行初始化:ocr = CnOcr()

CnOcr主要包含三个函数,下面分别说明。

1. 函数CnOcr.ocr(img_fp)

函数CnOcr.ocr(img_fp)可以对包含多行文字(或单行)的图片进行文字识别。

函数说明

  • 输入参数 img_fp: 可以是需要识别的图片文件路径(如上例);或者是已经从图片文件中读入的数组,类型可以为mx.nd.NDArraynp.ndarray,取值应该是[0,255]的整数,维数应该是(height, width, 3),第三个维度是channel,它应该是RGB格式的。
  • 返回值:为一个嵌套的list,类似这样[['第', '一', '行'], ['第', '二', '行'], ['第', '三', '行']]

调用示例

from cnocr import CnOcr
ocr = CnOcr()
res = ocr.ocr('examples/multi-line_cn1.png')
print("Predicted Chars:", res)

或:

import mxnet as mx
from cnocr import CnOcr
ocr = CnOcr()
img_fp = 'examples/multi-line_cn1.png'
img = mx.image.imread(img_fp, 1)
res = ocr.ocr(img)
print("Predicted Chars:", res)

上面使用的图片文件 examples/multi-line_cn1.png内容如下:

examples/multi-line_cn1.png

上面预测代码段的返回结果如下:

Predicted Chars: [['网', '络', '支', '付', '并', '无', '本', '质', '的', '区', '别', ',', '因', '为'],
                  ['每', '一', '个', '手', '机', '号', '码', '和', '邮', '件', '地', '址', '背', '后'],
                  ['都', '会', '对', '应', '着', '一', '个', '账', '户', '一', '―', '这', '个', '账'],
                  ['户', '可', '以', '是', '信', '用', '卡', '账', '户', '、', '借', '记', '卡', '账'],
                  ['户', ',', '也', '包', '括', '邮', '局', '汇', '款', '、', '手', '机', '代'],
                  ['收', '、', '电', '话', '代', '收', '、', '预', '付', '费', '卡', '和', '点', '卡'],
                  ['等', '多', '种', '形', '式', '。']]

2. 函数CnOcr.ocr_for_single_line(img_fp)

如果明确知道要预测的图片中只包含了单行文字,可以使用函数CnOcr.ocr_for_single_line(img_fp)进行识别。和 CnOcr.ocr()相比,CnOcr.ocr_for_single_line()结果可靠性更强,因为它不需要做额外的分行处理。

函数说明

  • 输入参数 img_fp: 可以是需要识别的单行文字图片文件路径(如上例);或者是已经从图片文件中读入的数组,类型可以为mx.nd.NDArraynp.ndarray,取值应该是[0,255]的整数,维数应该是(height, width)(height, width, channel)。如果没有channel,表示传入的就是灰度图片。第三个维度channel可以是1(灰度图片)或者3(彩色图片)。如果是彩色图片,它应该是RGB格式的。
  • 返回值:为一个list,类似这样['你', '好']

调用示例

from cnocr import CnOcr
ocr = CnOcr()
res = ocr.ocr_for_single_line('examples/rand_cn1.png')
print("Predicted Chars:", res)

或:

import mxnet as mx
from cnocr import CnOcr
ocr = CnOcr()
img_fp = 'examples/rand_cn1.png'
img = mx.image.imread(img_fp, 1)
res = ocr.ocr_for_single_line(img)
print("Predicted Chars:", res)

对图片文件 examples/rand_cn1.png

examples/rand_cn1.png

的预测结果如下:

Predicted Chars: ['笠', '淡', '嘿', '骅', '谧', '鼎', '皋', '姚', '歼', '蠢', '驼', '耳', '胬', '挝', '涯', '狗', '蒽', '子', '犷'] 

3. 函数CnOcr.ocr_for_single_lines(img_list)

函数CnOcr.ocr_for_single_lines(img_list)可以对多个单行文字图片进行批量预测。函数CnOcr.ocr(img_fp)CnOcr.ocr_for_single_line(img_fp)内部其实都是调用的函数CnOcr.ocr_for_single_lines(img_list)

函数说明

  • 输入参数 img_list: 为一个list;其中每个元素是已经从图片文件中读入的数组,类型可以为mx.nd.NDArraynp.ndarray,取值应该是[0,255]的整数,维数应该是(height, width)(height, width, channel)。如果没有channel,表示传入的就是灰度图片。第三个维度channel可以是1(灰度图片)或者3(彩色图片)。如果是彩色图片,它应该是RGB格式的。
  • 返回值:为一个嵌套的list,类似这样[['第', '一', '行'], ['第', '二', '行'], ['第', '三', '行']]

调用示例

import mxnet as mx
from cnocr import CnOcr
ocr = CnOcr()
img_fp = 'examples/multi-line_cn1.png'
img = mx.image.imread(img_fp, 1).asnumpy()
line_imgs = line_split(img, blank=True)
line_img_list = [line_img for line_img, _ in line_imgs]
res = ocr.ocr_for_single_lines(line_img_list)
print("Predicted Chars:", res)

更详细的使用方法,可参考 tests/test_cnocr.py 中提供的测试用例。

脚本引用

也可以使用脚本模式预测:

python scripts/cnocr_predict.py --file examples/multi-line_cn1.png

返回结果同上面。

训练自己的模型

cnocr自带训练好的模型, 安装后即可直接使用。但如果你需要训练自己的模型,请参考下面的步骤。所有代码均可在文件 Makefile 中找到。

(一)转换图片数据格式

为了提升训练效率,在开始训练之前,需要使用mxnet的recordio首先把数据转换成二进制格式:

DATA_ROOT_DIR = data/sample-data
REC_DATA_ROOT_DIR = data/sample-data-lst

# `EMB_MODEL_TYPE` 可取值:['conv', 'conv-lite-rnn', 'densenet', 'densenet-lite']
EMB_MODEL_TYPE = densenet-lite
# `SEQ_MODEL_TYPE` 可取值:['lstm', 'gru', 'fc']
SEQ_MODEL_TYPE = fc
MODEL_NAME = $(EMB_MODEL_TYPE)-$(SEQ_MODEL_TYPE)

# 产生 *.lst 文件
gen-lst:
    python scripts/im2rec.py --list --num-label 20 --chunks 1 \
        --train-idx-fp $(DATA_ROOT_DIR)/train.txt --test-idx-fp $(DATA_ROOT_DIR)/test.txt --prefix $(REC_DATA_ROOT_DIR)/sample-data

# 利用 *.lst 文件产生 *.idx 和 *.rec 文件。
# 真正的图片文件存储在 `examples` 目录,可通过 `--root` 指定。
gen-rec:
    python scripts/im2rec.py --pack-label --color 1 --num-thread 1 --prefix $(REC_DATA_ROOT_DIR) --root examples

(二)训练模型

利用下面命令在CPU上训练模型:

# 训练模型
train:
    python scripts/cnocr_train.py --gpu 0 --emb_model_type $(EMB_MODEL_TYPE) --seq_model_type $(SEQ_MODEL_TYPE) \
        --optimizer adam --epoch 20 --lr 1e-4 \
        --train_file $(REC_DATA_ROOT_DIR)/sample-data_train --test_file $(REC_DATA_ROOT_DIR)/sample-data_test

如果需要在GPU上训练,把上面命令中的参数 --gpu 0改为--gpu <num_gpu>,其中的<num_gpu> 为使用的GPU数量。注意,使用GPU训练需要安装mxnet的GPU版本,如mxnet-cu101

(三)评估模型

评估模型的代码依赖一些额外的python包,使用下面命令安装这些额外的包:

pip install cnocr[dev]

训练好的模型,可以使用脚本 scripts/cnocr_evaluate.py 评估在测试集上的效果:

# 在测试集上评估模型,所有badcases的具体信息会存放到文件夹 `evaluate/$(MODEL_NAME)` 中
evaluate:
    python scripts/cnocr_evaluate.py --model-name $(MODEL_NAME) --model-epoch 1 -v -i $(DATA_ROOT_DIR)/test.txt \
        --image-prefix-dir examples --batch-size 128 -o evaluate/$(MODEL_NAME)

当然,也可以查看模型在单个文件上的预测效果:

predict:
    python scripts/cnocr_predict.py --model_name $(MODEL_NAME) --file examples/rand_cn1.png

上面所有代码均可在文件 Makefile 中找到。

未来工作

  • [x] 支持图片包含多行文字 (Done)
  • [x] crnn模型支持可变长预测,提升灵活性 (since V1.0.0)
  • [x] 完善测试用例 (Doing)
  • [x] 修bugs(目前代码还比较凌乱。。) (Doing)
  • [x] 支持空格识别(since V1.1.0
  • [x] 尝试新模型,如 DenseNet,进一步提升识别准确率(since V1.1.0
  • [x] 优化训练集,去掉不合理的样本;在此基础上,重新训练各个模型
  • [ ] 加入场景文本检测功能

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