Rotational Region CNN

R2CNN

论文Rotational Region CNN for Orientation Robust Scene Text Detection与RRPN(Arbitrary-Oriented Scene Text Detection via Rotation Proposals)均提出了检测出任意角度的文字目标框的方法.两篇论文是同一年出的(2017,R2CNN在RRPN之后3个月,并且在论文中做了结果对比),两个方法的主要区别在于得到候选框角度的网络位置,在RRPN中是在RPN中产生带角度的候选框\((cx,cy,w,h,\theta)\),在后续的RCNN中对候选框分类和回归候选框位置.R2CNN作者认为RPN产生的矩形候选区域足以供RCNN得到更进一步的类别信息和角度信息.因此将角度信息的获取放在了RCNN中.但是作者指出直接使用角度表示并不稳定,如对于角度分别为90度和-90度的box,在不严格区分头尾的情况下可看作相同的角度,但是数值计算上却相差很大.论文采用的box表示法是(x1,y1,x2,y2,h),即宽边上的两个点坐标和高度.在RCNN中在原来两条分支,分类和边框回归分支的基础上再加一条分支,用来输出任意角度的rbox(添分支的方式与mask r-cnn类似).使用不同的权重控制每个分支对整体loss的比例:
\[
\mathcal L(p,t,v,v^*,u,u^*)=L_{cls}+\lambda_1t\sum_{i\in\{x,y,w,h\}}L_{reg}(v_i,v^*_i) \\
+\lambda_2t\sum_{i\in\{x1,y1,x2,y2,h\}}L_{reg}(u_i,u^*_i)
\]
实验结果表明两个box回归分支同时使用比单独使用任意角度的box回归分支效果好.

由于文字通常是长条形,在ROIPooling中仅使用7x7正方形网格提取特征可能不太合适,作者采用了三种尺寸(7x7,11x3,3x11)得到三个特征之后拼接起来.F score有大约1%的提升.RRPN需要按照倾斜角度进行ROIPooling,而R2CNN不需要,因此计算较为方便.R2CNN在ICDAR2015的检测结果F score比RRPN高出5%.由于R2CNN是基于坐标轴方向的box得到任意角度的rbox,因此这种方法很容易迁移到SSD,YOLO等方法中.

TextBoxes++

这是白翔等人在2018年1月初公布的一篇关于文字检测的论文,是TextBoxes的升级版.

其借鉴SSD等网络的做法使文字检测能够end-2-end训练,并与R2CNN类似,在输出坐标对齐的矩形框时同时输出任意角度的目标框(R2CNN中也提到该方法可以用于SSD,YOLO这种方法上,TextBoxes++引用了R2CNN).

TextBoxes++除了输出水平的矩形还可输出更紧确的任意四边形 quadrilateral \((x^q_1,y^q_1,x^q_2,y^q_2,x^q_3,y^q_3,x^q_4,y^q_4)\)或者倾斜的矩形\((x^r_1,y^r_1,x^r_2,y^r_2,h^r)\).这种倾斜矩形表示法采用和R2CNN相同的表示法,不采用角度\(\theta\)表示的原因是数据集中\(\theta\)分布有bias,即不均衡,使得模型会与数据强相关(而R2CNN指出90度与-90度代表相同的结果时数值计算不稳定).这两种表示法的一个主要区别是任意四边形可以是不规则的,对不规则的艺术字等效果更好,将图片拉伸缩放后倾斜的矩形会变形,重设置为矩形则不够贴切.实验结果中表明任意四边形表示法比任意角度的矩形表示法高2.5%.

anchor(default box)的生成方式:

长宽比按照1,2,3,5,1/2,1/3,1/5设计,anchor均设置为水平的矩形,而不像RRPN那样设置多角度的矩形或者DMPNet(Y. Liu and L. Jin, “Deep matching prior network: Toward tighter multi-oriented text detection,” in Proc. CVPR, 2017.)那种多角度的任意四边形.并考虑到文字图片通常在竖直方向上相对比较稠密,因此通过在竖直方向上对anchor增加偏移使得竖直方向上anchor box比较稠密,能够覆盖更多的文字区域.

考虑到文字的形状特点,在卷积层做的改变是采用矩形而不是方形的卷积核.用3x5代替3x3,这样能够减少多余区域带来的噪声.

测试时级联NMS提高四边形NMS速度,具体做法是先对水平的矩形以较高的IOU(如0.5)去除多余的目标框,接着对任意的四边形或任意角的矩形以较低的IOU(如0.2)去除多余框.

与文字识别相结合提升检测结果,CRNN也是一个端到端训练的网络,可以和它相结合提升检测的精度,其做法是将识别得到的score与检测的score相结合得到新score.由于检测分数\(s_d\)的阈值与识别\(s_r\)的阈值通常相差较大(0.6 vs 0.005),因此不能直接将两者相加,可以采用调和均值(harmonic mean):
\[
S={2\times e^{s_d+s_r}\over e^{s_d}+e^{s_r}} \tag{$m={2\over {1\over a}+{1\over b}}$}
\]
在ICDAR 2015 Incidental Text dataset上通过识别结果改进检测器可获得1.3%的提升.

数据增广:改进了SSD的随机裁剪的增广方式.SSD增广随机裁剪时要求裁剪的目标与ground truth之间的Jaccard(IOU)超过阈值.这样裁剪出的图片的目标占比较大,这种情况在文字数据集中很少出现,因此需要避免这种情况,方法便是约束裁减后的目标占原ground truth的比例.

不足之处:

• 有目标遮挡和较大的字符间隙
• 垂直的文字,由于此类数据较少
• 弯曲文字

对这些问题处理的比较好的方法有:linking segment和EAST.