走进AI时代的文档识别技术 之表格图像识别

Posted 2021-04-07 腾讯技术工程

导读：作者系腾讯QQ研发中心——CV应用研究组的yonke。本文主要介绍基于深度神经网络的表格图像识别解决方案。

1.前言

1.1背景

大多数人日常办公处理的文件，无非就是表格和文档，其中表格的重要性毋庸置疑。在各行各业的桌面办公场景中，Excel和WPS是电子表格的事实标准。我们经常遇到这种需求：将一个表格图片的内容导入Excel。

以前我们只能对着图片把内容一点点敲进excel，既低效又容易出错。近年来，在深度学习的加持下，OCR （Optical Character Recognition，光学字符识别）的可用性不断提升，大量用户借助OCR软件，从图片中自动提取文本信息。

然而对于表格场景，只是提取文本依然不够，用户还需反复手动复制粘贴以还原出电子表格，这依然耗费大量时间。因此我们实现了一种识别表格图像的解决方案，并与腾讯文档结合，切实提升用户办公效率。

下面是我们的识别效果展示：

1.2 业界方案

表格图像识别有较高的商业价值，一般都在付费的专业OCR软件中才能体验到：比如ABByy fine reader。这些软件所用的技术，并没有完全公开。

比如ABByy公开的论文中，也只是简略介绍主要原理，无法复现，且距今已久，后期的技术进步无法得知。因此我们难以从商业软件中得到启示。

遍阅近几年比较有实操价值的论文，可分为以下三种思路：

1）利用OCR检测文本，从文本框的空间排布信息推导出有哪些行、有哪些列、哪些单元格需合并，由此生成电子表格；

2）运用图像形态学变换、纹理提取、边缘检测等手段，提取表格线，再由表格线推导行、列、合并单元格的信息；

3）神经网络端到端学习，代表工作是TableBank，使用image to text技术，将表格图片转为某种结构化描述语言（比如html定义表格结构的标签）。

经过实验，发现以上三种思路都有不便落地的缺陷：

思路1）极度依赖OCR检测结果和人工设计的规则，对于不同样式的表格，需做针对性开发，推广性差；

思路2）依赖传统图像处理算法，在鲁棒性方面较欠缺，并且对于没有可见线的表格，传统方法很吃力，很难把所有行/列间隙提取出来；

思路3）解决方案没有次第，一旦出现bad case，无法从中间步骤快速干预修复，只能重新调整模型（还不一定能调好），看似省事，实则不适合工程落地。

2.基于深度图像分割的方案

针对已有方案的缺点和优点，我们提出一套更具可行性的解决方案。流程如下：

1） 对表格图片应用深度学习进行图像分割，分割的目的是对表格线部分进行标注，分割类别是4类：横向的线，竖向的线，横向的不可见线，竖向的不可见线，类间并不互斥，也就是每个像素可能同时属于多种类别，这是因为线和线之间有交点，交点处的像素是同属多条线的。

2）对分割图分别做几何分析，即先提取连通区域，再对连通区域拟合折线，再对游离的线段根据距离和倾角进行合并形成框线。由于拍摄角度或者纸张的弯曲，一般原图表格会有一些倾斜，可使用投影变换（perspective transformation）对原图进行校正，使得横框线校至水平，竖框线校至竖直。

3） 对校正后的图调用OCR，识别其中的文本内容，以及每个字符的坐标。

4） 根据第2）步得到的框线，计算出有哪些行，哪些列，其中哪些单元格跨行列合并了。由此得到每个单元格在图中的位置（top_left, top_right, bottom_left, bottom_right）四点坐标。

5） 将单元格位置，与字符坐标进行匹配，决定每个字符在哪个单元格中。最后计算每个单元格的字号大小，对齐方式等格式信息。

下面对每个步骤进行详细剖析。

2.1 图像分割模型

图像分割（segmentation）旨在对图像的每个像素赋予标签。在这里，我们的分割任务有多标签，每个像素可能属于横线、竖线、不可见横线、不可见竖线。

为了提取上述各种线所在的像素，我们尝试了多种图像分割算法和二值化算法：OTSU二值化、adaptiveThreshold二值化、Canny算子、SED（Structural Edge Detection）算法、深度学习图像分割。深度学习在准确性和鲁棒性有压倒性优势，我们最后专注于深度学习方法，而抛弃所有传统算法。

目前较常用的深度学习图片分割模型有DeepLab系列，fcn，Unet，SegNet等，经过实验对比我们发现在这个问题中，以上方法最后收敛效果几乎是一样的，故我们选择收敛速度最快的Unet。

为了更快的速度，对于backbone的设计，我们参考mobilenet，使用depthwise+pointwise替代常规卷积。表格线是细长型物体，角度要么基本水平，要么基本竖直，并且有的线会很长，在横竖方向上更大的感受野将带来更多好处。故我们选用的卷积核形状为5x1和1x5，实测比常用的3x3能达到更好的性能，MIOU指标有2%的提升。由于标签不互斥，我们不用softmax做输出，而是用4个sigmoid，分别表示4个标签的概率。由于各类像素数量不平衡，我们的损失函数采用加权交叉熵，迭代到后期收敛速度变慢后可用Dice Coeff Loss。训练数据我们采用人工标注+仿真生成结合。下图是我们训练收敛后的效果，直观看拟合得还不错。

2.2 分割结果几何分析

对分割结果设定阈值0.5进行二值化，转成几张二值化图，分别表示每种线所属的像素。接着对每个二值化图求连通区域。对连通区域进行过滤，长度太小的丢弃。对剩下的每个有效连通区域，分别拟合折线，即得到大量线段。对线段的角度进行统计，横、竖两种线段与x轴的夹角均值应接近0和90度，若否，则认为识别失败并终止。在横、竖线段中，若有角度偏离均值3个标准差以上的，则过滤掉。对于剩下的线段，应用DisjointSet算法进行合并，被合并的线段构成一条新的长直线，这些直线代表框线。两线段合并的判定条件是：夹角小于15度，并且一条线段的端点到另一条线段的距离小于一定阈值。

最终得到的若干直线，就是表格的框线。但是手机拍摄的照片一般都有一些倾斜，为便于后续处理和提高OCR结果的质量，我们将对图片进行倾斜校正。校正方法使用投影变换，也即拟合一个单应矩阵H，使得HX=X'，X的每一列是在每条直线上以固定距离采样的点的齐次坐标，X'的对应列是该点校正后的齐次坐标。横线校正至水平，也即线上所有点的y坐标一致；竖线校正至竖直，也即线上所有点的x坐标一致。最后将求得的投影变换应用到原图中，将图片也校正。

2.3 OCR

将校正后的图片送去OCR，可得到图中每个字符的坐标。注意我司几个OCR平台返回的结果都是一串文字的文本框，这个文本框不一定与表格单元格能一一对应，有可能一个文本框里包含多个单元格，也可能一个单元格里检测出多个文本框。每个文本框中有若干字符，附带的字符坐标对判断其所属单元格就十分重要了。下图是我司某个OCR平台所返回的识别结果。

2.4 识别表格结构

接下来需要识别表格的结构，以跟OCR结果进行匹配。我们对一个完整的表格定义如下：

1）所有单元格，单元格定义为[起始行，结束行，起始列，结束列]

2）每一行的行高（像素）

3）每一列的列宽（像素）

4）每个单元格的字号大小（像素）

5）每个单元格的对齐方式（left ightcenter）

6）每个单元格的文字内容

表格的结构是指1），2）和3）。我们提出一套高效的算法从表格线推导出每行（列）的高（宽）和所有单元格的坐标。

由表格框线推导行（列）的高（宽）比较容易，只需对所有的横（竖）线按从上（左）到下（右）排序，相临框线形成一行（列），所以只需计算相临框线的y坐标（x坐标）差即可。

由表格框线推导单元格坐标就不太容易了。因为现实中存在很多单元格合并的情况，一个单元格可能跨了若干行和若干列。对此我们的思路是列举所有的单元格候选，每个单元格表示为（起始行，结束行，起始列，结束列），然后对所有单元格按面积从小到大排序。接着遍历排序好的候选单元格，去判断其上下左右的框线是否都真实存在，若存在，则此单元格就在原图存在。注意到，每当确立一个单元格存在，所有与其共享起始行和起始列的其他单元格则不可能再存在，因为我们不考虑单元格中套着单元格的情况。所以虽然单元格候选集很大，但我们可以利用这一性质在遍历过程中进行剪枝，所以会很高效。

2.5  匹配文字内容，确定字号和对齐方式

2.4定义的表格还有4）5）6）没有识别。经过以上步骤，我们已经得到每个单元格的坐标和每个字符的坐标。接下来就只需进行对号入座就可得到每个单元格中的文本，也即解决了6）。字号可由OCR文本高度确定，但是由于返回的高度总有一些不一样，实际表格中常常不会有太多字号，经常是同一列的单元格用一样的字号。因此我们对所有得到的文本高度进行聚类，当两行文本高度比例在[0.91, 1.1]之间，就可以认为是同个高度。聚好类后，对类内高度求平均值，以平均值做为此类所有文本的真实高度。最后将文本高度换算为字号，由此4）也解决了。最后根据文本在单元格中的位置，判断每个单元格的对齐方式，对于对齐方式，也采取类似的聚类方法来去除噪音。由此5）也解决了。

至此，表格的所有单元格，每一行的行高，每一列的列宽，每个单元格的字号大小，每个单元格的对齐方式，每个单元格的文字内容都已经识别出来了。只需将单位换成Excel、WPS或者腾讯文档的标准单位，就可以转成电子表格了！

3.实现与部署

3.1 整体流程

我们实现的这套表格识别方案，拥有客户端实时检测表格和后台识别生成表格两个部分。上文介绍的是后台识别生成的部分。客户端实时检测所用的模型是SSD（Single Shot MultiBox Detector），可实时框选表格所在的区域，协助用户调整拍摄角度。系统流程如下图所示：

我们的方案目前集成在腾讯文档中，大家可以体验。

3.2 训练数据仿真

我们人工采集标注了数万样本。做为补充，我们也程序仿真生成样本。仿真方法是先对背景图要放表格的区域进行纹理检测，将高频部分去掉，再做Inpainting，这样既保留的背景，又留出了空白。接着随机生成表格结构，在背景留白处画出表格，在画线，放文字之后，还需在线和文字的像素周围将高斯噪声加上，以模拟相机传感器的成像特点。最后对生成的图和标注图进行mesh warp，模仿纸张扭曲。

4.性能指标

4.1 深度学习分割模型性能

我们的深度学习表格线分割模型和其他传统的算法对比如下。测试数据是人工标注的真实表格图片，数量4w张。可以看出我们的模型大大优于传统算法。

	精确率（Precision）	召回率（Recall）	MIOU
我们的深度学习模型	95.03%	97.54%	90.22%
OTSU	59.67%	63.84%	55.26 %
adaptiveThreshold	63.93%	88.45%	50.21%
Canny	71.75%	70.33%	63.85%
SED	81.35%	86.16%	64.03%

4.2 表格结构识别的性能指标

为了客观评价我们整套表格识别方案的性能。我们构造一个数据集，并建立一个评价指标系统。表格识别结果好不好，不能只靠肉眼判定，要量化评价。表格结构识别过程，可看成是对单元格的检测，我们关注检测的precision和recall指标。为计算precision和recall，需计算true positive，false positive，false negative样本，计算策略如下:

在2w张表格图片样本中验证，以下是目前为止我们的性能

	值	指标的意义
平均准确率	0.8736	反映了重建结果中，有多少单元格是真实存在的，有多少是错置的
平均召回率	0.9241	反映了重建结果中，漏掉了多少单元格
TP样本平均IOU	0.8212	反映了重建结果中，那些我们认为正确重建的单元格，跟图片的本来样子有多像