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文源新智元編輯：LRS 好困

【新智元導(dǎo)讀】單點(diǎn)文本框標(biāo)注，成本顯著降低；將檢測和識(shí)別解耦，并行解碼提升自回歸速度。

近年來，場景文本閱讀（Text Spotting）有了顯著進(jìn)步，能同時(shí)定位和識(shí)別文本，廣泛應(yīng)用于智慧辦公、金融、交通等領(lǐng)域。

然而，與目標(biāo)檢測相比，文字除了定位還需要精確識(shí)別內(nèi)容；同時(shí)，由于字體和排版的不同，文本實(shí)例可能以任意形狀呈現(xiàn)，這就需要使用包含更多坐標(biāo)的邊界框來標(biāo)注，例如SCUT-CTW1500最多使用了28個(gè)坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)注，標(biāo)注成本十分高昂。

近幾年，以多邊形及貝塞爾曲線表征為基準(zhǔn)的任意形狀文字表征成為了主流研究方向。然而多邊形的標(biāo)注成本十分昂貴。

在此背景下，SPTS系列論文首次證明了不需要任何標(biāo)注框，僅用單點(diǎn)標(biāo)注即可取得最好的識(shí)別結(jié)果，極大地降低了標(biāo)注成本，同時(shí)單點(diǎn)顯著地降低了表示文本的序列長度。

然而，由于文本內(nèi)容（transcript）通常很長（如默認(rèn)最少25），將所有文本放在一個(gè)自回歸序列中串行解碼依然會(huì)導(dǎo)致推理時(shí)間非常長。

論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2301.01635

代碼地址：https://github.com/Yuliang-Liu/SPTSv2

今年9月，華中科技大學(xué)白翔團(tuán)隊(duì)劉禹良研究員聯(lián)合華南理工大學(xué)、浙江大學(xué)、香港中文大學(xué)、字節(jié)跳動(dòng)等機(jī)構(gòu)的研究人員于TPAMI在線發(fā)表了SPTS v2的相關(guān)工作，針對(duì)端到端場景文本檢測識(shí)別任務(wù)，提出基于單點(diǎn)標(biāo)注的SPTS v2方法。

該方法采用了單點(diǎn)來指示文本位置，采用語言序列統(tǒng)一表征圖片、坐標(biāo)及文本等不同模態(tài)，使得檢測及識(shí)別任務(wù)的融合更加緊密，也免除了先驗(yàn)知識(shí)的介入和復(fù)雜的后處理操作。針對(duì)其自回歸推理速度較慢的問題，通過將檢測識(shí)別解耦為自回歸的單點(diǎn)序列預(yù)測及基于每個(gè)單點(diǎn)的并行文本識(shí)別進(jìn)行推理加速。

此外，該方法同樣采用了單點(diǎn)來指示文本位置，極大地降低了標(biāo)注成本，并且使用序列預(yù)測的方式完成端到端場景文本檢測識(shí)別任務(wù)，使得兩個(gè)任務(wù)的融合更加緊密，也免除了先驗(yàn)知識(shí)的介入和復(fù)雜的后處理操作。

實(shí)驗(yàn)證明該方法在多個(gè)場景文本端到端檢測識(shí)別數(shù)據(jù)集上優(yōu)于現(xiàn)有方法，同時(shí)相對(duì)于SPTS v1達(dá)到了19倍的推理加速。

大白話SPTSv2

1. 怎么用點(diǎn)實(shí)現(xiàn)Text Spotting？

以前的Text Spotting方法通常依賴于先檢測后采樣再識(shí)別的端到端模式，強(qiáng)依賴于核心對(duì)齊模塊，如Mask TextSpotter[2]的Hard ROIMasking、TextDragon[3]的ROISlide及ABCNet[4]的BezierAlign等。

SPTSv2通過序列來統(tǒng)一表征文本實(shí)例位置和內(nèi)容，將Text Spotting簡化為離散空間的連續(xù)描述。這種檢測識(shí)別同時(shí)預(yù)測的方式解耦了識(shí)別對(duì)檢測結(jié)果的強(qiáng)依賴，鑒于此，該方法進(jìn)一步將邊界框簡化為位于一個(gè)點(diǎn)標(biāo)注。

2. 為什么SPTSv2能顯著降低推理時(shí)間？

自回歸方法的推理時(shí)間，在很大程度由串行循環(huán)次數(shù)決定。

假設(shè)一張圖片最多包含N個(gè)文本實(shí)例，每個(gè)實(shí)例最多包含K個(gè)字符，每個(gè)實(shí)例的位置表征個(gè)數(shù)為T（單點(diǎn)為2，包括橫縱坐標(biāo)，14點(diǎn)的多邊形就是28）。

對(duì)于原始的自回歸來說，將所有坐標(biāo)和文本都放在一個(gè)序列里面實(shí)現(xiàn)，那么預(yù)測這張圖片需要(T + K) * N + 1個(gè)串行循環(huán)次數(shù)；最后的+1代表終止符號(hào)。

舉個(gè)例子，假設(shè)設(shè)置最長有100個(gè)文本實(shí)例，最大長度取最小默認(rèn)值25。

那么，對(duì)于單點(diǎn)來說，串行循環(huán)次數(shù)是2701次。對(duì)于多邊形來說就是5301次。

而SPTS v2提出了實(shí)例分配解碼器（IAD）和并行識(shí)別解碼器（PRD），串行自回歸只需要單點(diǎn)坐標(biāo)參與，識(shí)別解碼是由每個(gè)單點(diǎn)并行自回歸得到的，總共只需T * N + K + 1個(gè)串循環(huán)次數(shù)，減少了K * (N - 1)。

那么在上述例子中，SPTSv2只需要226次，循環(huán)數(shù)量減少了91.6%（226/2701），對(duì)于文本行來說，K通常取100，此時(shí)循環(huán)數(shù)量甚至減少了97.0%！

同時(shí)，在實(shí)際上可能串行循環(huán)次數(shù)還能進(jìn)一步減少，因?yàn)樵赟PTSv2的識(shí)別預(yù)測上，如果所有實(shí)例都遇到序列結(jié)束符，SPTS v2也可以提前結(jié)束。

因此，通過這種并行預(yù)測，推理速度可以顯著提高。

3. 點(diǎn)的表征有什么性質(zhì)及優(yōu)點(diǎn)？

① 點(diǎn)的標(biāo)注可以很隨意。

實(shí)驗(yàn)表明，點(diǎn)即使是隨機(jī)的一個(gè)點(diǎn)，效果依然是和全部選取中心點(diǎn)相差不大的，甚至比全部取左上角點(diǎn)還要高。這意味著標(biāo)注人員僅需對(duì)著文本隨意點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)即可標(biāo)注文本。

② 點(diǎn)的性能很高。

文中點(diǎn)的性能取得了最好的Text Spotting結(jié)果。同時(shí)為了消除是否是因?yàn)辄c(diǎn)和框不同評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的影響，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了點(diǎn)的評(píng)估和框的評(píng)估性能差異不大。

③ 隨機(jī)文本排序最好。

由于自回歸的有序性，第一階段預(yù)測哪個(gè)文本點(diǎn)的順序可能會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)表明隨機(jī)點(diǎn)排序達(dá)到了最佳性能，因?yàn)樗赡軙?huì)在以后捕獲那些丟失的對(duì)象。由于在不同迭代中為同一圖像構(gòu)建的不同序列，這使模型更加魯棒。這一結(jié)論也與Pix2seq[5]一致。

④對(duì)噪聲更加魯棒。

在SCUT-CTW1500上對(duì)框或者點(diǎn)的坐標(biāo)加上隨機(jī)擾動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明SPTSV2相比于基于框的方法能夠更好地應(yīng)對(duì)標(biāo)注噪聲。

⑤甚至很長的文本行也可以僅用一個(gè)點(diǎn)標(biāo)注。

如SCUT-CTW1500就是文本行數(shù)據(jù)，SPTSv2效果不僅是最好的，還大幅好于基于框的方法。

4. 既然檢測識(shí)別解耦，是不是該方法不需要點(diǎn)也能識(shí)別結(jié)果？

回答是肯定的。文中進(jìn)一步嘗試了No-Point Text Spotting（NPTS），在僅僅使用文本轉(zhuǎn)錄訓(xùn)練的情況下，NPTS取得了較好的性能。

但是，相比起有單點(diǎn)標(biāo)注的結(jié)果，性能差距十分明顯，平均10%以上的差距，這證明點(diǎn)的標(biāo)注對(duì)最終性能還是至關(guān)重要的。

此外，值得一提的是，文中還有一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)。僅僅只是在SPTS的框架內(nèi)驗(yàn)證，如果不預(yù)測點(diǎn)，而是預(yù)測水平矩形框和多邊形，效果不如點(diǎn)。

針對(duì)這一現(xiàn)象，文中做了一些分析：

① SPTS-Rect和SPTS-Bezier的結(jié)果是根據(jù)與SPTS-Point相同的訓(xùn)練時(shí)長獲得的，三者除了點(diǎn)的數(shù)量以外其他嚴(yán)格一致。

實(shí)驗(yàn)顯示，訓(xùn)練了2倍周期的SPTS-Bezier與1倍周期的比沒有顯著超越。此外，采用較長的時(shí)間甚至?xí)?dǎo)致其在SCUT-CTW1500的None指標(biāo)上的表現(xiàn)降低，這表明訓(xùn)練時(shí)長可能不是主要問題。

② 過去Text Spotting方法經(jīng)?？梢杂^察到，有時(shí)即使檢測結(jié)果不準(zhǔn)確，識(shí)別結(jié)果仍然可以準(zhǔn)確。

這是因?yàn)槲谋咀R(shí)別的對(duì)齊是基于特征空間的，其中裁剪的特征對(duì)于文本內(nèi)容有足夠的接受字段，這表明方法對(duì)于框的位置標(biāo)注要求并不是非常敏感。

由于SPTSv2的方法中圖像是利用Transformer進(jìn)行全局編碼的，近似的位置可能足以讓模型捕獲附近的所需特征。

當(dāng)然這一結(jié)論僅僅只是在SPTSv2的框架內(nèi)做了驗(yàn)證。

總結(jié)

本文的方法能夠在任意形狀的文本上獲得更好的準(zhǔn)確性的原因可能是：所提出的方法丟棄了基于先驗(yàn)知識(shí)設(shè)計(jì)的特定任務(wù)模塊（例如RoI模塊）。

因此，識(shí)別精度與檢測結(jié)果解耦，即使檢測標(biāo)注點(diǎn)在文本區(qū)域內(nèi)隨機(jī)，本文的方法也能獲得魯棒的識(shí)別結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)證明SPTS v2在多個(gè)場景文本端到端檢測識(shí)別數(shù)據(jù)集中均有出色的表現(xiàn)，且推理速度可達(dá)到SPTS的19倍。

SPTS v2將多模態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)一表征的訓(xùn)練方法使其特別適合多模態(tài)、多任務(wù)場景，且整個(gè)方法僅需一個(gè)交叉熵?fù)p失函數(shù)，框架十分簡潔。另一方面，它能大大減少所需的自回歸序列長度（如減少91%）。

事實(shí)上，這也引發(fā)了思考，大模型ChatGPT本質(zhì)上也是一個(gè)自回歸Transformer。

假如，當(dāng)其能夠在第一階段串行輸出關(guān)鍵點(diǎn)，建模不同點(diǎn)之間的關(guān)系，那么第二階段是否也可以根據(jù)不同關(guān)鍵點(diǎn)并行輸出所有文本內(nèi)容，這種「分點(diǎn)作答」的方式，或許也可以大幅度提升大模型輸出的速度。

參考資料：

[1] Yuliang Liu, et al. “SPTS v2: Single-Point Scene Text Spotting.” IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 2023.

[2] Minghui Liao, et al. "Mask textspotter v3: Segmentation proposal network for robust scene text spotting." Computer Vision–ECCV 2020: 16th European Conference, Glasgow, UK, August 23–28, 2020, Proceedings, Part XI 16. Springer International Publishing, 2020.

[3] Feng Wei, et al. "Textdragon: An end-to-end framework for arbitrary shaped text spotting." Proceedings of the IEEE/CVF international conference on computer vision. 2019.

[4] Yuliang Liu, et al. "Abcnet v2: Adaptive bezier-curve network for real-time end-to-end text spotting." IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence 44.11 (2021): 8048-8064.

[5] Chen Ting, et al. "Pix2seq: A language modeling framework for object detection." arXiv preprint arXiv:2109.10852 (2021).

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