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表格检测识别一般分为三个子任务表格区域检测、表格结构识别和表格内容识别。本章将围绕这三个表格识别子任务从传统方法、深度学习方法等方面综述该领域国内国外的发展历史和最新进展并提供几个先进的模型方法。
3.1 表格区域检测方法
表格检测已经被研究了一段较长的时间。研究人员使用了不同的方法可以分为如下
1.基于启发式的方法
2.基于机器学习的方法
3.基于深度学习的方法 基于启发式的方法主要用于20世纪90年代、2000年代和2010年初。他们使用了不同的视觉线索如线条、关键词、空间特征等来检测表格。
Pyreddy等人提出了一种使用字符对齐、孔和间隙来检测表格 的方法。Wang等人使用了一种统计方法来根据连续单词之间的距离来检测表线。将水平连续的单词与垂直相邻的线分组起来提出候选表实体。Jahan等人提出了一种使用单词间距和线高的局部阈值来检测表格区域的方法。
Itonori提出了一种基于规则的方法通过文本块排列和规则行位置来定位文档中的表格。 Chandran和Kasturi开发了另一种基于垂直和水平线的表格检测方法。Wonkyo Seo等人使用连接点水平线和垂直线的交点检测进行进一步处理。
Hassan等人通过分析文本块的空间特征来定位和分割表格。Ruffolo等人介绍了PDF-TREX这是一种用于单列PDF文档中的表格识别的启发式自下而上的方法。它使用页面元素的空间特征来将它们对齐和分组为段落和表格。Nurminen提出了一套启发式方法来定位具有公共对齐的后续文本框并确定它们作为一个表格的概率。
Harit等人提出了一种基于唯一表起始和尾部模式识别的表格检测技术。Tupaj等人提出了一种基于OCR的表格检测技术。该系统基于关键字搜索类似表格的行序列上述方法在具有统一布局的文档上效果比较好。
国内的表格区域检测研究起步较晚启发式方法较少。其中具有代表性的是Fang等人提出的基于表格结构特征和视觉分隔符的方法。该方法以PDF文档为输入分四步进行表格检测PDF解析页面布局分析线条检测和页面分隔符检测表格检测。在最后的表格检测部分中通过对上一步检测出的线条和页面分隔符进行分析得到表格位置。然而启发式规则需要推广到更广泛的表格种类并不真正适合通用的解决方案。因此开始采用机器学习方法来解决表检测问题。
基于机器学习的方法在2000年代和2010年代很常见。
Kieninger等人通过对单词片段进行聚类应用了一种无监督的学习方法。Cesarini等人使用了一种改进的XY树监督学习方法。Fan等人使用有监督和无监督的方法进行PDF文档中的表格检测。Wang和Hu 将决策树和SVM分类器应用于布局、内容类型和词组特征。T. Kasar等人使用结点检测然后将信息传递给SVM分类器。Silva等人在视觉页面元素隐马尔可夫模型的顺序观察上应用联合概率分布将潜在的表线合并到表中。Klampfl等人比较了两种来自数字科学专题文章的无监督表识别方法。Docstrum算法应用KNN将结构聚合成线然后使用线之间的垂直距离和角度将它们组合成文本块。该算法是在1993年设计的比本节中提到的其他方法要早。
F Shafait 提出了一种有用的表识别方法该方法在具有相似布局的文档上表现良好包括商业报告、新闻故事和杂志页面。Tesseract OCR引擎提供了该算法的一个开源实现。
随着神经网络的兴趣研究人员开始将它们应用于文档布局分析任务中。最初它们被用于更简单的任务如表检测。后来随着更复杂的架构的发展更多的工作被放到表列和整体结构识别中。
A Gilani [《Table detection using deep learning》]展示了如何使用深度学习来识别表格。文档图片最初是按照文中提出的方法进行预处理的。然后这些照片被发送到一个区域候选网络中进行表格测试然后是一个完全连接的神经网络。该方法对各种具有不同布局的文档图片非常精确包括文档、研究论文和期刊。
D Prasad [《An approach for end to end table detection and structure recognition from image-based documents》]提出了一种解释文档图片中的表格数据的自动表格检测方法主要需要解决两个问题表格检测和表格结构识别。使用单一的卷积神经网络CNN模型提供了一个增强的基于深度学习的端到端解决方案用于处理表检测和结构识别的挑战。CascadeTabNet是一个基于级联掩码区域的CNN高分辨率网络Cascade mask R-CNN HRNet的模型可以同时识别表区域和识别这些表格中的结构单元格。
SS Paliwal [《Tablenet: Deep learning model for end-to-end table detection and tabular data extraction from scanned document images》]提出了一种新的端到端深度学习模型可用于表格检测和结构识别。为了划分表格和列区域该模型使用了表格检测和表结构识别这两个目标之间的依赖关系。然后从发现的表格子区域中进行基于语义规则的行提取。
Y Huang [《A yolo-based table detection method》]描述了一种基于YOLO原理的表格检测算法。作者对YOLOv3提供了各种自适应改进包括一种锚定优化技术和两种后处理方法以解释文档对象和真实对象之间的显著差异。还使用k-means聚类进行锚点优化以创建更适合表格而不是自然对象的锚点使他们的模型更容易找到表格的精确位置。在后处理过程中将从投影的结果中删除额外的空白和有噪声的页面对象。
L Hao [《A table detection method for pdf documents based on convolutional neural networks》]提供了一种基于卷积神经网络的PDF文档中检测表格的新方法这是目前最广泛使用的深度学习模型之一。该方法首先使用一些模糊的约束来选择一些类似表的区域然后构建和细化卷积网络以确定所选择的区域是否为表格。此外卷积网络立即提取并使用表格部分的视觉方面特征同时也考虑了原始PDF文档中包含的非视觉信息以帮助获得更好的检测结果。
SA Siddiqui [《Decnt: Deep deformable cnn for table detection》]为检测文档中的表格提供了一种新的策略。这里给出的方法利用了数据的潜力来识别任何排列的表。该方法直接适用于图像使它普遍能适用于任何格式。该方法采用了可变形CNN和faster R-CNN/FPN的独特混合。由于表格可能以不同的大小和转换方向的形式出现传统的CNN有一个固定的感受野这使得表格识别很困难。可变形卷积将其感受野建立在输入的基础上使其能够对其感受野进行改造以匹配输入。由于感受野的定制网络可以适应任何布局的表格。
N Sun [《Faster r-cnn based table detection combining corner locating》]提出了一种基于Faster R-CNN的表检测的寻角方法。首先使用Faster R-CNN网络来实现粗表格识别和角定位。然后使用坐标匹配来对属于同一表格的那些角进行分组。不可靠的边同时被过滤。最后匹配的角组微调并调整表格边框。在像素级该技术提高了表格边界查找的精度。 I Kavasidis[《A saliency-based convolutional neural network for table and chart detection in digitized documents》]提出了一种检测表格和图表的方法使用深度cnn、图形模型和 saliency ideas的组合。M Holecek[《Table understanding in structured documents》]提出了在账单等结构化文档中利用图卷积进行表格理解的概念扩展了图神经网络的适用性。在研究中也使用了PDF文档研究结合行项表格检测和信息提取解决表格检测问题。任何字符都可以快速识别为行项或不使用行项技术。在字符分类之后表格区域可以很容易地识别出来因为与账单上的其他文本部分相比表格线能够相当有效地区分。
A Casado-Garcıa[《The benefits of close-domain fine-tuning for table detection in document images》]使用了目标检测技术作者已经表明在进行了彻底的测试后发现从一个更近域进行微调可以提高表格检测的性能。作者利用了Mask R-CNN、YOLO、SSD和 Retina Net结合目标检测算法。该研究选择了两个基本数据集 TableBank和PascalVOC。
X Zheng [《Global table extractor (gte): A framework for joint table identification and cell structure recognition using visual context》]提供了全局表格提取器GTE这是一种联合检测表格和识别单元结构的方法可以在任何对象检测模型之上实现。为了利用单元格位置预测来训练他们的表网络作者开发了GTE-Table它引入了一种基于表格固有的单元格约束限制的新惩罚。一种名为GTE-Cell的新型分层单元识别网络利用了表格样式。此外为了快速、低成本地构建一个相当大的训练和测试数据语料库作者开发了一种方法来自动分类现有文本中的表格和单元格结构。
Y Li[《A gan-based feature generator for table detection》]提供了一种新的网络来生成表格文本的布局元素并提高规则较少的表格的识别性能。生成对抗网络GAN与该特征生成器模型是类似的。作者要求特征生成器模型为规则约束严格和规则松散的表格提取可比较的特征。
DD Nguyen [《a fully convolutional network for table detection and segmentation in document images》]引入了TableSegNet一个完全卷积的网络设计紧凑可以同时分离和检测表。TableSegNet使用较浅的路径来发现高分辨率的表格位置而使用较深的路径来检测低分辨率的表格区域将发现的区域分割成单独的表格。TableSegNet在整个特征提取过程中使用具有广泛内核大小的卷积块并在主输出中使用一个额外的表格边界类以提高检测和分离能力。
D Zhang [《Yolo-table: disclosure document table detection with involution》]提出了一种 YOLO-table-based的表格检测方法。为了提高网络学习表格空间排列方面的能力作者将退化纳入了网络的核心并创建了一个简单的FPN网络来提高模型的有效性。这项研究还提出了一种基于表格的增强技术。
下图是几种基于深度学习的表格检测方法的优缺点的比较。 3.1.1 先进的表格区域检测模型
DeCNT
2018年的论文《DeCNT Deep Deformable CNN for Table Detection》提出了一种新的表格检测方法利用深度神经网络的潜力。传统的表格检测方法依赖于容易出错且特定于数据集的启发式方法。相比之下本方法利用了数据识别任意布局的表格的潜力。以前的大多数表格检测方法只适用于pdf而所提出的方法直接适用于图像使其普遍适用于任何格式。本方法采用了可变形CNN和faster R-CNN/FPN的独特混合。由于表格可能以不同的大小和转换方向的形式出现传统的CNN有一个固定的感受野这使得表格识别很困难。可变形卷积将其感受野建立在输入的基础上使其能够对其感受野进行改造以匹配输入。由于感受野的定制网络可以适应任何布局的表格。
DeCNT算法原理 框架由可变形的CNN与faster R-CNN/FPN 的新组合组成如图1所示。卷积神经网络是一种自动特征提取器具有自动发现对手头任务有用的特征的能力。这种特征的自动提取是基于层的层次结构其中初始层提取原始特征如边缘和梯度而层次结构顶部的层提取非常抽象的特征如完整的对象或它的一些突出部分。这种在层次结构中的遍历导致了在原始输入图像中一个特定神经元的有效感受野的增加。传统的二维卷积运算可以用数学方法表示为 其中*为卷积运算F为滤波器I为图像K定义为FilterSize/2H为图像高度W为图像宽度ij定义执行卷积运算的位置。
在一个给定的卷积层中所有神经元的有效感受野是相同的。这个属性对于位于层次结构顶部的层存在问题因为在这些层中不同的对象可能会以任意尺度以及任意转换出现。这些转换的存在需要根据神经元的输入动态地适应神经元的感受野的能力。因此作者为faster R-CNN/FPN模型配备了一个可变形的CNN而不是传统的CNN其神经元并不局限于一个预定义的感受野。每个神经元可以根据输入产生显式偏移来改变其感受野这些偏移本身依赖于前面的特征图。这允许卷积层滤波器通过调节输入本身的感受野来适应不同的尺度和转换。这个可变形的卷积层如图2所示其中添加了一组卷积层来生成图像中每个位置的滤波器偏移量。由于表可以以任意的比例以及任意变换方向等可变形卷积运算对于表的检测任务特别有用。可变形的二维卷积运算包含额外的偏移量这在数学上可以表示为 其中nmn为binm,n中的像素数。如果有C输入特征映射那么来自该层的总体输出将是k × k × C它将被提供给分类头。
可变形的roi池就像卷积对应的池一样为roi池层增加了一个偏移量以便该层可以适应给定输入的感受野。这一点可以写成 由于在可变形的卷积层中生成显式偏移来转换每个神经元的感受野作者在图3中可视化了特定可变形卷积层的感受野。红色的点表示滤波器的中心而蓝色的点是在添加生成的偏移量后得到的。传统卷积运算的接受场均匀分布在二维网格上。另一方面在可变形卷积的情况下从图中可以明显看出每个神经元根据其输入适应自己的感受野。当接近一个表格区域时图3(a)图3(c)时感受野扩大到覆盖了完整的表格但在其他位置仍保持致密图3(b)图3(d)。 可变形结构
论文配备了两种具有可变形卷积的目标检测模型。第一个模型是一个可变形faster R-CNN它由一个可变形的base model组成并用可变形的roi池化层代替传统的roi池化层。本文将该模型称为模型a。第二个模型是采用FPN框架的可变形特征金字塔网络FPN。在可变形的FPN中再次使用可变形的base model并将位置敏感的roi池化层替换为可变形的位置敏感的roi池化层
在所有的实验中都使用了ResNet-101的base model。自可变形卷积是一个内存密集型操作由于生成的显式偏移的每个位置特性地图论文只是取代了三个更高层次的层ResNet-101模型转换为可变形的对应层可变形的感受野主要有助于层的层次结构。这些层分别是res5a_branch2b、res5b_branch2b和res5c_branch2b。对于FPN的情况作者另外将res3b3_branch2b层和res4b22_branch2b层替换为可变形的对应层以帮助多尺度特征提取。
由于没有足够的数据来从头开始训练模型所以作者利用迁移学习来训练模型。当使用可变形的ResNet-101时作者将可变形的卷积层的偏移量初始化为零零偏移量转化为固定的接受场使其等同于传统的卷积操作。由于网络在新数据集上进行了微调偏移适应以应对表格结构的规模和转换。
值得注意的是论文在目标检测模型中包含的唯一显著变化是使用可变形的基模型可变形的ResNet-101和使用可变形的roi池而不是传统的roi池。这将传统的物体检测器转换为可变形的对应检测器。为了建立比较论文还训练了一个具有传统卷积操作的ResNet-101模型将这个非可变形的模型称为模型C。
超参数
为了训练模型A可变形速度faster R-CNN我们使用了三种不同的锚定比0.5、1和2和5种不同的锚定尺度2、4、8、16和32。为了训练模型B可变形的FPN我们使用了相同的锚定比0.5、1和2但只有一个锚定尺度(8)因为FPN另外配备了一个自上而下的路径用于多尺度检测。对于前250次迭代优化模型的初始学习率为0.000125多gpu训练时×NumGPUs。然后使用速率为0.00125的学习速率多gpu训练时×NumGPUs在4、16和32个周期使用学习速率衰减步长。该模型经过了50次的优化。最大图像大小被限制为1280×800。超过这个尺寸的图像被调整大小以保持纵横比不变。 实验
数据集
实验使用了四个著名的公开的表检测数据集。数据集的细节如表1。 ICDAR-13
ICDAR-2013是最著名的表检测和结构识别的数据集之一。数据集由PDF文件组成论文将其转换为图像以便在系统中使用。这是必需的因为论文的系统只适用于图像而不是大多数其他依赖于PDF文档中可用的元信息的方法。该数据集还包含了表结构识别任务的结构信息。该数据集总共包含238张图像。由于之前在这个数据集上的大部分工作都使用了0.5的IoU阈值来计算f1论文也基于这个阈值评估模型。
ICDAR-17
POD最近发布了一个竞赛数据集ICDAR-2017 POD专注于从图像中检测表格、图形和数学方程的任务。该数据集总共由2417张图像组成。训练集由1600张图像组成其余的817张图像用于测试。论文只评估了系统的表格检测任务这是工作的重点。由于竞赛中所有提交的材料都是针对两个不同的IoU阈值0.6和0.8进行评估论文报告了在这两个阈值上的表现。
MORMOT
由计算机科技研究所北京大学发布的Mormot是最大的公开可获得的表识别数据集。数据集中的图像总数为2000张。两组图像的正负图像样本的比例约为11。在数据集中有许多不正确的ground truth注释的实例。因此使用实验数据集的清理版本。数据集的清理版本由实验中使用的1967张图像组成。
UNLV
UNLV数据集由各种文档组成包括技术报告、商业信件、报纸和杂志等。该数据集总共包含2889个扫描文档其中只有424个文档包含一个表格区域。在实验中论文只使用了一个包含一个表格区域的图像。 实验结果
表2比较了该方法与之前在ICDAR-2017 POD和ICDAR-2013数据集上的工作的性能。为了完成还报告了UNLV和Mormot的结果但这些数据集不是工作的重点。需要指出的是依赖于PDF文档的系统不能与论文的系统进行直接比较因为它们使用了PDF文件中包含的元数据而论文的方法只依赖于原始图像而没有额外的元数据。这使得这个问题更加具挑战性。 A.ICDAR-13 ICDAR-2013数据集由238张图像组成包含156张表。实验使用数据集中的所有图像进行测试而没有在训练中使用任何一幅图像。该系统只有一个表格区域没检测到取得99.4%召回。类似地系统只错误地将一个区域标记为属于表false positive导致精度为99.4%。图4给出了来自ICDAR-13数据集的正确和错误检测的代表性例子包括 true positives, false positives, 和 false negatives。由于f-measure达到99.4%在ICDAR- 2013数据集上全面优于之前的最先进的方法。
Schreiber等人使用了基于传统卷积运算的faster R-CNN的方法。由于它们的主干是基于ZFNet 和VGG-16 它们的模型没有直接的可比性。因此实验添加了模型C具有相同的ResNet-101主干的实验结果。结果表明可变形卷积的综合性能优于传统的卷积。 B.ICDAR-17 POD
ICDAR-2017 POD挑战包括817张图像其中包含317张表格。所有参赛作品均在两个不同的IoU阈值0.6和0.8上进行评估以计算相关指标。可变形faster R-CNN模型A在0.6时表现良好达到96.8%召回率为97.1%准确率为96.5%。可变形的FPN模型B实现了0.8的阈值的最先进的结果f-measure达到95.3%召回率为93.1%精度为97.7%。
图5显示了来自ICDAR- 17 POD数据集的正确和错误检测的代表性例子。根据所取得的结果在IoU阈值分别为0.6和0.8时本方法在表格检测任务上都优于所有其他ICDAR- 2017 POD挑战参与者。
对ICDAR-2017的错误结果进行分析发现大部分错误与IoU有关。原因是不同的数据集组合在到表边界的距离方面有不同的注释。在极端情况下有些情况下表中的空单元格不被认为是表格区域的一部分。
实验再次将本方法的结果与传统的卷积对应的结果进行了比较。在这种情况下可变形的卷积也优于传统的卷积。 C.MORMOT
MORMOT数据集由1967张图像组成共包含1348张表。除了Mormot之外在其他三个数据集中训练的可变形faster R-CNN能够正确地检测到1275个表实例。该系统还产生了226个false positives和73个false negatives导致召回率为94.6%准确率为84.9%。这导致了最终的f-measure为89.5%。图6给出了来自Mormot数据集的正确和错误检测的代表性例子包括true positives, false positives, 和 false negatives。 D.UNLV
UNLV数据集也同样由424张图像组成总共包含558张表。采用相同的留一方案训练的可变形快速RCNN能够正确检测418个表实例。该系统还产生了114个false positives和140个false negatives导致召回率为74.9%准确率为78.6%最终的f-measure为76.7%。图7显示了UNLV正确分类的表格区域而图8显示了不正确分类的表格区域。 结论
论文提出了一种基于region-based的可变形卷积神经网络的端到端表格检测方法。从对所提出方法的广泛评估中可以明显看出为自然场景中目标检测而开发的深度架构辅以可变形特性可以全面优于非变形的方法。 Semi-Supervised Deformable DETR
2023年的论文《Towards End-to-End Semi-Supervised Table Detection with Deformable Transformer》本文提出了一种新的端到端半监督表格检测方法利用可变形transformer来检测表格对象。本方法在PubLayNet、DocBank、ICADR-19和TableBank数据集上评估了我们的半监督方法它比以往的方法取得了更好的性能。 算法原理
Deformable DETR
可变形的DETR 包含一个Transformer encoder-decoder网络它将目标检测视为一个可设置的预测任务。它使用了Hungarian损失并通过双向图匹配避免了对ground truth边界框的重叠预测。它消除了对人工参与的元素的需要如锚点和后处理阶段如在基于cnn的对象检测器中使用的非最大抑制NMS。可变形的DETR是DETR体系结构的一个扩展它解决了DETR的一些限制如训练收敛速度慢和在小对象上的性能差。可变形的DETR在体系结构中引入了可变形的卷积这允许更灵活的对象形状建模和更好地处理不同尺度的对象。这可以提高性能特别是在小物体上并在训练过程中更快地收敛。图1显示了可变形transformer所有模块包括多尺度特征和编解码器网络。 Transformer Decoder
解码器网络以编码器特征的输出和N个对象query作为输入。它包含两种注意类型和self-attention和cross-attention。self-attention模块查找对象query之间的连接。这里的key和query矩阵都包含对象query。cross-attention模块使用对象query从输入特征图中提取特征。这里的key矩阵包含编码器模块提供的特征映射query矩阵是作为解码器输入的对象query。在注意模块之后添加前馈网络FFN和线性投影层作为预测头。线性投影层预测类标签而FFN提供最终的边界框坐标值。
Deformable Attention Module
DETR网络中的Attention模块考虑了输入特征图的所有空间位置这使得训练的收敛速度较慢。然而一个可变形的DETR可以利用基于可变形卷积的Attention网络和多尺度输入特征来解决这一问题。它只考虑一个参考像素附近的几个样本像素无论输入特征的大小如何如图2所示。Query矩阵只需要一小部分key解决了DETR训练收敛速度慢的问题。 Semi-Supervised Deformable DETR
半监督可变形DETR是一种统一的学习方法它使用完全标记和未标记的数据来进行目标检测。它包含两个模块一个是学生模块和一个是教师模块。训练数据有两种数据类型标签数据和未标记数据。学生模块将标记和未标记图像作为输入其中对未标记数据应用强增强而对标签数据应用强增强和弱增强。学生模块通过伪框使用已标记数据和未标记数据的检测损失进行训练。未标记的数据包含两组用于提供类标签的伪框及其边界框。教师模块在应用弱增强后只将未标记的图像作为输入。图3是pipeline的摘要。教师模块将预测结果提供给伪标记框架得到伪标签。然后学生模块使用这些伪标签进行监督训练。这里教师模块使用对未标记数据的弱增强来生成更精确的伪标签。通过对未标记数据的强增强使学生模块具有更具挑战性的学习。学生模块还以一小部分具有强增强和弱增强的标记图像作为输入。对学生模块sm进行了优化总损失如下 训期间学生模块使用指数移动平均EMA策略不断更新教师模块。将概率分布视为伪标签伪标签生成是简单的。相比之下目标检测任务更加复杂因为一个图像可能包含许多对象而注释包含对象位置和类标签。基于cnn的对象检测器使用锚点作为对象建议并通过非最大抑制NMS等后处理步骤去除冗余的方框。 下篇继续介绍
