大话文字检测经典模型：PixelLink
文字检测是AI的一项重要应用，在之前的文章中已经介绍过了几种基于深度学习的文字检测模型：CTPN（详见文章：大话文字检测经典模型CTPN）、SegLink（详见文章：大话文字检测经典模型SegLink）、EAST（详见文章：大话文字检测经典模型EAST），这些模型主要依赖于深度学习，可应用于自然场景中进行文字检测，其主要的实现步骤是判断是不是文本，并且给出文本框的位置和角度，如下图：
从上图可以看出，CTPN、SegLink、EAST等文字检测模型至少需要执行两个预测：通过分类判断是文本/非文本，通过回归确定边界框的位置和角度。回归的耗时比分类要多得多，而且准确率也是一个挑战。那么有没有一种方法是只需要利用“分类”，就能实现对文本/非文本的判断，并同时给出文本框的位置和角度呢？
答案是“有的”，这就是今天要介绍的另一个文字检测的经典模型：PixelLink（像素连接）
1、PixelLink整体框架
PixelLink的整体框架如下图：
从模型的名称PixelLink（像素连接）可以看出，该模型主要有两个关键部分：Pixel（像素）、Link（连接）。
PixelLink主要是基于CNN网络，做某个像素（pixel）的文本/非文本的分类预测，以及该像素的8个邻域方向是否存在连接（link）的分类预测（即上图中虚线框内的八个热图，代表八个方向的连接预测）。然后基于OpenCV的minAreaRect（最小外接矩形）这种基于连通域的操作，获取不同大小的文本连通域，再进行噪声滤除操作，最后通过“并查集”(disjoint-set data structure)并出最终的文本边界框。
2、PixelLink网络结构
PixelLink的网络结构如下图所示：
PixelLink网络结构的骨干（backbone）采用VGG16作为特征提取器，将最后的全连接层fc6、fc7替换为卷积层，特征融合和像素预测的方式基于FPN思想（feature pyramid network，金字塔特征网络），即卷积层的尺寸依次减半，但卷积核的数量依次增倍，这种思想跟EAST模型的网络结构很像（详见文章：大话文字检测经典模型EAST）。
该模型结构有两个独立的头，一个用于文本/非文本预测（Text/non-text Prediction），另一个用于连接预测（Link Prediction），这两者都使用了Softmax，输出1x2=2通道（文本/非文本的分类）和8x2=16通道（8个邻域方向是否有连接的分类）。
在论文中作者给出了两种网络结构：PixelLink+VGG16 2s和PixelLink+VGG16 4s 。其中conv2_2的feature map（特征图）大小为原图1/2，而conv3_3的feature map（特征图）大小为原图1/4，如果最后的输出部分是从conv2_2中汇聚出来，则为PixelLink+VGG16 2s，如果是从conv3_3中汇聚出来，则为PixelLink+VGG16 4s。
3、PixelLink实现过程
（1）Pixel定义
Pixel（像素）分为正像素（positive）、负像素（negative）。所有落在文本区域内的像素标记为正像素（positive），文本区域以外的像素标记为负像素（negative），多个文本交叠区域也标记为负像素（negative）。
（2）Link定义
Link是由两个Pixel双向决定的，对于一个给定的像素以及其临近的八个像素点，如果：
两个像素都是正像素（positive），则它们之间的Link为正连接（positive）
如果一个像素是正像素，另一个是负像素，则它们之间的Link也为正连接（positive）
如果两个像素都是负像素，则它们之间的Link为负连接（negative）
（3）实例分割
对于Pixel（像素）、Link（连接）的预测结果，通过设定两个不同的阈值得到pixel positive集合和link positive集合（如超过指定阈值，则判为positive，否则为negative），使用正连接将正像素分组在一起，产生CCs（conected compoents，连通域）集合，集合中的每个元素代表的就是文本实例，每个CC就表示检测到的文本实例，这就实现了文本的实例分割，如下图：
（4）提取文本框
通过对CC（连通域）集合使用OpenCV的连通域方法minAreaRect获得最终的连通域，此时每个连通域都有自己的最小外接矩形，最后使用disjoint-set（并查集）方法形成最终的文本框，并查集主要用于将具有某种关联关系的集合进行合并的操作方法，如下图对集合的合并处理：
从这一步可以看出，文本边界框是直接从实例分割获得的，并不是通过位置回归获得的，这是跟其它检测方法的区别。另外，对文本的方向没有限制，也即可实现多角度的检测。
（5）去除噪声
由于使用基于连通域的方法进行文本像素汇聚，该方法对噪声比较敏感，最终会产生一些比较小的错误连通域，因此，通过对长度、宽度、面积、长宽比等信息，根据一定的阈值进行去除处理。具体方法是，选择训练数据集中排在99%位的作为阈值，例如在IC15数据集中99%的文本实例短边≥10像素，99%的文本域面积≥300像素，因此，将短边小于10像素或面积小于300像素的当作错误连通域进行去除。
4、PixelLink检测效果
基于IC15数据集的检测效果，如下表所示：
可以看出，PixelLink在召回率（R）、准确率（P）、F分值（F）都要比EAST、SegLink、CTPN等方法的效果要好
PixelLink的检测效果，如下图所示，支持多角度的文本检测：
5、总结
（1）PixelLink采用纯分割的思路，完全没有利用目标检测的方法，放弃了采用边界框回归的方法，而是进行实例分割，再直接生成边界框。PixelLink全部转化为分类任务，这样做的优势是训练更容易学习，训练速度更快，效果更好。
（2）PixelLink方法，只需对feature map（特征图）上的像素以及它相邻的像素进行预测，即每个神经元只负责检测自己及其邻域内的状态，这就不需要大的感受野就能把这些信息学到，对感受野的要求少，因此也就更加容易学习，减少迭代次数。但也导致不能检测字与字之间相隔太远的文本（因为太远了Link不到）。
（3）不需要采用预训练模型，直接使用通过xavier（一种很有效的神经网络初始化方法）随机初始化的VGG网络，在训练过程中也不需要太多的数据，迭代次数也比较少。
（4）该方法适合于进行端到端的文字检测，直接输入图片，然后得到检测结果。
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