文本识别网络CRNN

简介

CRNN，全称Convolutional Recurrent Neural Network，卷积循环神经网络。
它是一种基于图像的序列识别网络，可以对不定长的文字序列进行端到端的识别。
它集成了卷积神经网络（CNN）和循环神经网络（RNN）的优点。

网络结构

CRNN网络结构由CNN + BLSTM + 转录层（CTC Loss）组成。

CNN层

CNN层可以采用VGG网络，如下所示特征提取过程中用了7次Convolution，4次MaxPooling层，最后两次的池化核大小由2 x 2变为1 x 2，所以图像经过最后一层MaxPooling层后特征图维度变为：
高度方向减半4次（2⁴），变为原来的1/16
宽度方向减半2次（2²），变为原来的1/4
但是，最后一层Convolution，使高宽又减半一次，所以：
高度方向变为原图的1/32
宽度方向变为原图的1/8

LSTM层

RNN层采用双向LSTM层。因为：
LSTM相对于RNN可以防止训练时梯度的消失；
BLSTM相对于LSTM，序列的前向信息和后向信息都可以得到照顾。

CTC Loss

转录层是根据每帧的预测找到具有最高概率组合的标签序列。

CTC（Connectionist Temporal Classification）损失函数代替Softmax Loss，来对 CNN 和 RNN 进行端到端的联合训练，CTC引入了blank字符，可以解决不定长的文字对齐问题。

对于LSTM，输入为x，则输出为l的概率为：

CTC的训练过程，其实就是通过求P (l|x) 对于LSTM的参数w的梯度，来更新LSTM的过程。

CTC通过用一种前向-后向算法（The CTC Forward-Backward Algorithm），其和HMM中的forward-backward算法类似，来计算P (l|x) 。

LSTM输入x，经过softmax，输出y的后验概率矩阵，y输入CTC，P (l|x)与Forward和Backward递推公式之间的关系为：

求导计算梯度，用来更新LSTM的参数：

代码实现

CNN层

inputs = Input(shape=(picture_height, picture_width, 1), name='pic_inputs') # H×W×1 32*128*1
x = Conv2D(64, (3,3), strides=(1,1), padding="same", kernel_initializer=initializer, use_bias=True, name='conv2d_1')(inputs) # 32*128*64 
x = BatchNormalization(name="BN_1")(x)
x = Activation("relu", name="relu_1")(x)
x = MaxPooling2D(pool_size=(2,2), strides=2, padding='valid', name='maxpl_1')(x) # 16*64*64

x = Conv2D(128, (3,3), strides=(1,1), padding="same", kernel_initializer=initializer, use_bias=True, name='conv2d_2')(x) # 16*64*128
x = BatchNormalization(name="BN_2")(x)
x = Activation("relu", name="relu_2")(x)
x = MaxPooling2D(pool_size=(2,2), strides=2, padding='valid', name='maxpl_2')(x) # 8*32*128

x = Conv2D(256, (3,3), strides=(1,1), padding="same", kernel_initializer=initializer, use_bias=True, name='conv2d_3')(x)  # 8*32*256
x = BatchNormalization(name="BN_3")(x)
x = Activation("relu", name="relu_3")(x)
x = Conv2D(256, (3,3), strides=(1,1), padding="same", kernel_initializer=initializer, use_bias=True, name='conv2d_4')(x) # 8*32*256
x = BatchNormalization(name="BN_4")(x)
x = Activation("relu", name="relu_4")(x)
x = MaxPooling2D(pool_size=(2,1), strides=(2,1), name='maxpl_3')(x) # 4*32*256

x = Conv2D(512, (3,3), strides=(1,1), padding="same", kernel_initializer=initializer, use_bias=True, name='conv2d_5')(x) # 4*32*512
x = BatchNormalization(axis=-1, name='BN_5')(x)
x = Activation("relu", name='relu_5')(x)
x = Conv2D(512, (3,3), strides=(1,1), padding="same", kernel_initializer=initializer, use_bias=True, name='conv2d_6')(x) # 4*32*512
x = BatchNormalization(axis=-1, name='BN_6')(x)
x = Activation("relu", name='relu_6')(x)
x = MaxPooling2D(pool_size=(2,1), strides=(2,1), name='maxpl_4')(x) # 2*32*512

x = Conv2D(512, (2,2), strides=(1,1), padding='same', activation='relu', kernel_initializer=initializer, use_bias=True, name='conv2d_7')(x) # 2*32*512
x = BatchNormalization(name="BN_7")(x)
x = Activation("relu", name="relu_7")(x)
conv_otput = MaxPooling2D(pool_size=(2, 1), name="conv_output")(x) # 1*32*512
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31

Map2Sequence层

x = Permute((2, 3, 1), name='permute')(conv_otput) # 32*512*1
rnn_input = TimeDistributed(Flatten(), name='for_flatten_by_time')(x) # 32*512
1
2

RNN层

y = Bidirectional(LSTM(256, kernel_initializer=initializer, return_sequences=True), merge_mode='sum', name='LSTM_1')(rnn_input) # 32*512
y = BatchNormalization(name='BN_8')(y)
1
2

CTC Loss

y_pred = Dense(num_classes, activation='softmax', name='y_pred')(y)
y_true = Input(shape=[max_label_length], name='y_true')
y_pred_length = Input(shape=[1], name='y_pred_length')
y_true_length = Input(shape=[1], name='y_true_length')

ctc_loss_output = Lambda(K.ctc_batch_cost(y_true, y_pred, pred_length, label_length), output_shape=(1,), name='ctc_loss_output')([y_true, y_pred, y_pred_length, y_true_length])
model = Model(inputs=[y_true, inputs, y_pred_length, y_true_length], outputs=ctc_loss_output)
1
2
3
4
5
6
7