2D Attention Network for Scene Text Recognition

paper地址：2D Attentional Irregular Scene Text Recognizer.

继 Transformer-based-OCR 后又一篇基于语言、翻译模型架构的不规则文字识别的paper，主要贡献如下：

• attention部分使用多层双向transformer的block（BERT）替代了单transformer block；
• label只用于计算loss，不用作网络输入，因此output过程是一次性输出整个字符串，精度和inference速度较之Transformer-based OCR都有所改善；
• decoder部分串联了一个BERT attention模块，增强了输出节点间(每个字符作为一个节点)的依赖关系；
• 支持多行字符识别；

---

网络结构：

• Feature Extraction Module：图像resize为32x100作为输入，encoder部分是基于ResNet的CNN模块，得到的feature map 经过flatten操作压缩为一维特征向量，记为$I$；再将$I$按照顺序做 position encoding 得到位置编码矩阵$E$，最后将$F$ = $I$ + $E$ 作为encoder输出和后面的 Relation Attention 模块的输入；
• Relation Attention Module 为一个BERT模块（橘黄色虚线处），其具体结构如下：

这是一个多层双向的transformer block，关于transformer block的具体信息，参见上篇曲形文字识别的博文：Transformer-based OCR；其中还是有几点值得说一下:

1. 首先这一块的输入为前面的$F$（即每一个 transformer block 的Q, K, V均为 $F$）;
2. 没有self attention mask，因为预测时整个字符串一同输出，不存在靠后的字符泄露信息给前面字符的问题；
3. 论文中 block size 和 layer 层数均取 2；

• Parallel Attention module部分实际上是在上一个BERT模块输出的基础上做线性变换和softmax，其公式如下：

其中$W_1$，$W_2$为线性变换矩阵，$O^T$为上一模块的输出转置后的结果，得到$\alpha$的是一个attention权重矩阵；

 $I$是前面encoder部分得到的特征图，输出$G$是每一个输出节点的glimpse集合（即每一个字符对应的概率向量）；

• decoder：作者称之为 two stage decoder，一般来说，在得到上述的glimpse矩阵$G$后，经过一个线性变换和softmax就可以得出最终的预测结果，但是作者认为因为 parallel attention 部分的计算使得输出节点之间的依赖关系丢失，为了弥补这一部分的损失，在$G$之后又接了一个BERT模块，得到的glimpse' 再经过常规的decoder操作得到输出字符串。和前面的transformer 还有 RNN / LSTM attention网络不同，这里直接输出n个字符节点（论文中n取35，即一般单词长度不会超过35），并且以EOS标志前的字符节点作为最终的预测结果。这样的好处就是每一个字符的输出不依赖前一个字符的输入，所以不会出现中间字符预测错误后对后面字符的预测有影响的情况。结构图如下：

上面为G直接decode，下面为经过一个BERT模块再decode，inference时取下面的结果为最终结果。

• 网络的loss函数为两个stage的branch预测的结果分别与ground truth的做cross entropy，再相加得到的和作为网络总的loss。

---

公共数据集上的表现：