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Author: MissPenguin

doc/doc_ch/PP-OCRv3_introduction.md

@@ -8,85 +8,105 @@
 - [4. 端到端评估](#4)
 
 
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 <a name="1"></a>
 ## 1. 简介
 
-PP-OCRv3在PP-OCRv2的基础上进一步升级。检测模型仍然基于DB算法，优化策略采用了带残差注意力机制的FPN结构RSEFPN、增大感受野的PAN结构LKPAN、基于DML训练的更优的教师模型；识别模型将base模型从CRNN替换成了IJCAI 2022论文[SVTR](https://arxiv.org/abs/2205.00159)，并采用SVTR轻量化、带指导训练CTC、数据增广策略RecConAug、自监督训练的更好的预训练模型、无标签数据的使用进行模型加速和效果提升。更多细节请参考PP-OCRv3[技术报告](./PP-OCRv3_introduction.md)。
-
-PP-OCRv3系统pipeline如下：
+PP-OCRv3在PP-OCRv2的基础上进一步升级。整体的框架图保持了与PP-OCRv2相同的pipeline，针对检测模型和识别模型进行了优化。其中，检测模型仍基于DB模型优化，而识别模型不再采用CRNN，换成了会议IJCAI 2022中的最新方法[SVTR](https://arxiv.org/abs/2205.00159)，PP-OCRv3系统框图如下所示（粉色框中为PP-OCRv3新增策略）：
 
 <div align="center">
     <img src="../ppocrv3_framework.png" width="800">
 </div>
 
+
+从算法改进思路上看，分别针对检测和识别模型，进行了共八个方面的改进：
+
+
+- 检测模型优化：
+    - LK-PAN：增大感受野的PAN模块；
+    - DML：教师模型互学习策略；
+    - RSE-FPN：带残差注意力机制的FPN模块；
+
+
+- 识别模型优化：
+    - SVTR_LCNet：轻量级文本识别网络；
+    - GTC：Attention指导CTC训练策略；
+    - TextConAug：丰富图像上下文信息的数据增广策略；
+    - TextRotNet：自监督的预训练模型；
+    - UIM：无标签数据挖掘方案。
+
+从效果上看，速度可比情况下，多种场景精度均有大幅提升：
+- 中文场景，相对于PP-OCRv2中文模型提升超5%；
+- 英文数字场景，相比于PP-OCRv2英文模型提升11%；
+- 多语言场景，优化80+语种识别效果，平均准确率提升超5%。
+
+
 <a name="2"></a>
 ## 2. 检测优化
 
-PP-OCRv3采用PP-OCRv2的[CML](https://arxiv.org/pdf/2109.03144.pdf)蒸馏策略，CML蒸馏包含一个教师模型和两个学生模型，在训练过程中，教师模型不参与训练，学生模型受到来自标签和教师模型的监督，同时两个学生模型互相学习。相比较PP-OCRv2，PP-OCRv3在教师模型、学生模型的精度提升两个方面进一步优化。
+PP-OCRv3检测模型整体训练方案仍采用PP-OCRv2的[CML](https://arxiv.org/pdf/2109.03144.pdf)蒸馏策略，CML蒸馏包含一个教师模型和两个学生模型，在训练过程中，教师模型不参与训练，学生模型受到来自标签和教师模型的监督，同时两个学生模型互相学习。PP-OCRv3分别针对教师模型、学生模型进一步优化。其中，在对教师模型优化时，采用了增大感受野的PAN模块LK-PAN和DML蒸馏策略；在对学生模型优化时，采用了带残差注意力机制的FPN模块RSE-FPN。
+
 PP-OCRv3 CML蒸馏训练框架图如下：
 
 <div align="center">
     <img src=".././ppocr_v3/ppocrv3_det_cml.png" width="800">
 </div>
 
-- 在教师模型精度提升方面，提出了LK-PAN结构替换PP-OCRv2的FPN结构提升模型的召回，并且使用ResNet50作为Backbone。
-另外，使用Deep Mutual Learning([DML](https://arxiv.org/abs/1706.00384))蒸馏策略进一步提升教师模型的精度，DML是一种自蒸馏策略，区别于传统的教师模型监督学生模型的蒸馏方法。DML是多个学生模型以协作的方式互相监督。加上DML自蒸馏后，教师模型Hmean进一步提升到86.0%。
+消融实验如下：
 
-LK-PAN(Large Kernel PAN)是一个具有更大感受野的轻量级[PAN](https://arxiv.org/pdf/1803.01534.pdf)结构。在LK-PAN的path augmentation中，使用卷积核为`9*9`的卷积；更大的卷积核意味着更大的感受野，更容易检测大字体的文字以及极端长宽比的文字。LK-PAN将ppocr_server检测模型的精度hmean从83.2%提升到85.0%。
+|序号|策略|模型大小|hmean|速度（cpu + mkldnn)|
+|-|-|-|-|-|
+|baseline teacher|PP-OCR server|49M|83.2%|171ms|
+|teacher1|DB-R50-LK-PAN|124M|85.0%|396ms|
+|teacher2|DB-R50-LK-PAN-DML|124M|86.0%|396ms|
+|baseline student|PP-OCRv2|3M|83.2%|117ms|
+|student0|DB-MV3-RSE-FPN|3.6M|84.5%|124ms|
+|student1|DB-MV3-CML（teacher2）|3M|84.3%|117ms|
+|student2|DB-MV3-RSE-FPN-CML（teacher2）|3.6M|85.4%|124ms|
+
+测试环境： Intel Gold 6148 CPU，预测时开启MKLDNN加速。
+
+**（1）增大感受野的PAN模块LK-PAN（Large Kernel PAN）**
+
+LK-PAN(Large Kernel PAN)是一个具有更大感受野的轻量级[PAN](https://arxiv.org/pdf/1803.01534.pdf)结构。在LK-PAN的path augmentation中，使用卷积核为`9*9`的卷积；更大的卷积核意味着更大的感受野，更容易检测大字体的文字以及极端长宽比的文字。LK-PAN将PP-OCR server检测模型的hmean从83.2%提升到85.0%。
 
 <div align="center">
     <img src="../ppocr_v3/LKPAN.png" width="1000">
 </div>
 
+**（2）DML（Deep Mutual Learning）蒸馏进一步提升teacher模型精度。**
+
+[DML](https://arxiv.org/abs/1706.00384) 互学习蒸馏方法，通过两个结构相同的模型互相学习，相比于传统的教师模型监督学生模型的蒸馏方法，DML 摆脱了对大的教师模型的依赖，蒸馏训练的流程更加简单。在PP-OCRv3的检测模型训练中，使用DML蒸馏策略进一步提升教师模型的精度，并使用ResNet50作为Backbone。DML策略将教师模型的Hmean从85%进一步提升至86%。
 
-教师模型DML训练的pipeline如下：
+教师模型DML训练流程图如下：
 
 <div align="center">
     <img src="../ppocr_v3/teacher_dml.png" width="800">
 </div>
 
-- 在学生模型精度提升方面，使用Hmean指标为86%的模型作为CML的教师模型，精度更高的教师模型可以给学生模型更好的监督信息。相比较PP-OCRv2，使用Hmean指标为86%的模型作为教师模型，Hmean指标从83.2提升到84.3%。另外，提出了基于残差结构的通道注意力模块RSE-FPN（Residual Squeeze-and-Excitation FPN），用于提升学生模型精度和召回。
+**（3）带残差注意力机制的FPN模块RSE-FPN（Residual SE-FPN）。**
 
-RSE-FPN的网络结构如下图所示，RSE-FPN在PP-OCRv2的FPN基础上，将FPN中的卷积层更换为了通道注意力结构的RSEConv层。
+残差结构的通道注意力模块RSE-FPN结构如下图所示，RSE-FPN在PP-OCRv2的FPN基础上，将FPN中的卷积层更换为通道注意力结构的RSEConv层。考虑到PP-OCRv2的FPN通道数仅为96和24，如果直接用SEblock代替FPN中卷积会导致某些通道的特征被抑制，进而导致精度下降，RSEConv引入残差结构防止训练中包含重要特征的通道被抑制。直接添加RSE-FPN模块，可将PP-OCR检测模型的精度Hmean从81.3%提升到84.5%。在学生模型中加入RSE-FPN后进行CML蒸馏，比不加时，Hmean指标从83.2提升到84.3%。
 
 <div align="center">
     <img src=".././ppocr_v3/RSEFPN.png" width="1000">
 </div>
 
-PP-OCRv2的FPN通道数仅为96和24，如果直接用SEblock代替FPN中卷积会导致某些通道的特征被抑制，进而导致精度下降，RSEConv引入残差结构可以防止训练中包含重要特征的通道被抑制，使精度提升。RSE-FPN将PP-OCR检测模型的精度Hmean从81.3%提升到84.5%。模型大小从3M变为3.6M。CPU预测速度从平均117ms/image变为124ms/image。
-
-消融实验如下：
-|序号|策略|模型大小|hmean|速度（cpu + mkldnn)|
-|-|-|-|-|-|
-|0|PP-OCRv2|3M|83.2%|117ms|
-|1|PP-OCR server|49M|83.2%|171ms|
-|2|teacher1：DB-R50-LK-PAN|124M|85.0%|396ms|
-|3|teacher2：DB-R50-LK-PAN-DML|124M|86.0%|396ms|
-|4|DB-MV3-RSE-FPN|3.6M|84.5%|124ms|
-|5|DB-MV3-CML（teacher2）|3M|84.3%|117ms|
-|6|DB-MV3-RSE-FPN-CML（teacher2）|3.6M|85.4%|124ms|
-
-注： CPU速度测试硬件是Intel Gold 6148，paddlepaddle版本是2.2.2，速度耗时为305张图的平均预测时间，预测时开启MKLDNN加速。
-
 
 <a name="3"></a>
 ## 3. 识别优化
 
-PP-OCRv3 识别模型在 PP-OCRv2 的基础上从8个策略上进一步优化，PP-OCRv3系统流程图如下：
+PP-OCRv3识别模型从网络结构、训练策略、数据增广等多个方面进行了优化，PP-OCRv3系统流程图如下所示：
+
 <div align="center">
     <img src="../ppocr_v3/v3_rec_pipeline.png" width=800>
 </div>
-总体来讲PP-OCRv3识别主要从网络结构、蒸馏策略、数据增强三个方向做了进一步优化:
 
-- 网络结构上：考虑[SVTR](https://arxiv.org/abs/2205.00159) 在中英文效果上的优越性，采用SVTR_Tiny作为base，选取Global Mixing Block和卷积组合提取特征，并将Global Mixing Block位置后移进行加速; 参考 [GTC](https://arxiv.org/pdf/2002.01276.pdf) 策略，使用注意力机制模块指导CTC训练，定位和识别字符，提升不规则文本的识别精度。
-- 蒸馏策略上：参考 [SSL](https://github.com/ku21fan/STR-Fewer-Labels) 设计了方向分类前序任务，获取更优预训练模型，加速模型收敛过程，提升精度; 使用UDML蒸馏策略、监督attention、ctc两个分支得到更优模型。
-- 数据增强上：基于 [ConCLR](https://www.cse.cuhk.edu.hk/~byu/papers/C139-AAAI2022-ConCLR.pdf) 中的ConAug方法，改进得到 TextConAug 数据增广方法，支持随机结合任意多张图片，提升训练数据的上下文信息丰富度，增强模型鲁棒性
-- 无标注数据： 使用 SVTR_large 预测无标签数据，向训练集中补充81w高质量真实数据。
+上图中，蓝色方块中列举了PP-OCRv3识别模型的6个主要模块。首先在模块①，将base模型从CRNN替换为精度更高的单一视觉模型[SVTR](https://arxiv.org/abs/2205.00159)，并进行一系列的结构优化进行加速，得到全新的轻量级文本识别网络SVTR_LCNet（如图中红色虚线框所示）；在模块②，借鉴[GTC](https://arxiv.org/pdf/2002.01276.pdf)策略，引入Attention指导CTC训练，进一步提升模型精度；在模块③，使用基于上下文信息的数据增广策略TextConAug，丰富训练数据上下文信息，提升训练数据多样性；在模块④，使用TextRotNet训练自监督的预训练模型，充分利用无标注识别数据的信息；模块⑤基于PP-OCRv2中提出的UDML蒸馏策略进行蒸馏学习，除计算2个模型的CTC分支的DMLLoss外，也计算2个模型的Attention分支之间的DMLLoss，从而得到更优模型；在模块⑥中，基于UIM无标注数据挖掘方法，使用效果好但速度相对较慢的SVTR_tiny模型进行无标签数据挖掘，为模型训练增加更多真实数据。
+
 
 基于上述策略，PP-OCRv3识别模型相比PP-OCRv2，在速度可比的情况下，精度进一步提升4.6%。 具体消融实验如下所示：
 
-| ID | 策略 |  模型大小 | 精度 | 速度（CPU + MKLDNN)|
+| ID | 策略 |  模型大小 | 精度 | 预测耗时（CPU + MKLDNN)|
 |-----|-----|--------|----| --- |
 | 01 | PP-OCRv2 | 8M | 74.8% | 8.54ms |
 | 02 | SVTR_Tiny | 21M | 80.1% | 97ms |
@@ -100,16 +120,17 @@ PP-OCRv3 识别模型在 PP-OCRv2 的基础上从8个策略上进一步优化，
 注： 测试速度时，实验01-03输入图片尺寸均为(3,32,320)，04-08输入图片尺寸均为(3,48,320)。在实际预测时，图像为变长输入，速度会有所变化。
 
 
-下面具体介绍各策略的设计思路：
+**（1）轻量级文本识别网络SVTR_LCNet。**
 
-网络结构上，PP-OCRv3将base模型从CRNN替换成了[SVTR](https://arxiv.org/abs/2205.00159)，SVTR证明了强大的单视觉模型（无需序列模型）即可高效准确完成文本识别任务，在中英文数据上均有优秀的表现。经过实验验证，SVTR_Tiny 在自建的 [中文数据集上](https://arxiv.org/abs/2109.03144) ，识别精度可以提升至80.1%，SVTR_Tiny 网络结构如下所示：
+PP-OCRv3将base模型从CRNN替换成了[SVTR](https://arxiv.org/abs/2205.00159)，SVTR证明了强大的单视觉模型（无需序列模型）即可高效准确完成文本识别任务，在中英文数据上均有优秀的表现。经过实验验证，SVTR_Tiny 在自建的[中文数据集](https://arxiv.org/abs/2109.03144)上 ，识别精度可以提升至80.1%，SVTR_Tiny 网络结构如下所示：
 
 <div align="center">
     <img src="../ppocr_v3/svtr_tiny.png" width=800>
 </div>
-由于 MKLDNN 加速库支持的模型结构有限，SVTR 在 CPU+MKLDNN 上相比 PP-OCRv2 慢了10倍。
 
-PP-OCRv3 期望在提升模型精度的同时，不带来额外的推理耗时。通过分析发现，SVTR_Tiny 结构的主要耗时模块为 Mixing Block，因此我们对 SVTR_Tiny 的结构进行了一系列优化（详细速度数据请参考下方消融实验表格）:
+
+由于 MKLDNN 加速库支持的模型结构有限，SVTR 在 CPU+MKLDNN 上相比 PP-OCRv2 慢了10倍。PP-OCRv3 期望在提升模型精度的同时，不带来额外的推理耗时。通过分析发现，SVTR_Tiny 结构的主要耗时模块为 Mixing Block，因此我们对 SVTR_Tiny 的结构进行了一系列优化（详细速度数据请参考下方消融实验表格）:
+
 
 1. 将 SVTR 网络前半部分替换为 PP-LCNet 的前三个stage，保留4个 Global Mixing Block ，精度为76%，加速69%，网络结构如下所示：
 <div align="center">
@@ -136,28 +157,65 @@ PP-OCRv3 期望在提升模型精度的同时，不带来额外的推理耗时
 
 注： 测试速度时，输入图片尺寸均为(3,32,320)； PP-OCRv2-baseline 代表没有借助蒸馏方法训练得到的模型
 
+**（2）采用Attention指导CTC训练。**
+
 为了提升模型精度同时不引入额外推理成本，PP-OCRv3 参考 GTC(Guided Training of CTC) 策略，使用 Attention 监督 CTC 训练，预测时完全去除 Attention 模块，在推理阶段不增加任何耗时, 精度提升3.8%，训练流程如下所示：
 <div align="center">
     <img src="../ppocr_v3/GTC.png" width=800>
 </div>
 
+**（3）TextConAug数据增广策略。**
 
-在蒸馏策略方面:
+在论文[ConCLR](https://www.cse.cuhk.edu.hk/~byu/papers/C139-AAAI2022-ConCLR.pdf)中，作者提出ConAug数据增广，在一个batch内对2张不同的图像进行联结，组成新的图像并进行自监督对比学习。PP-OCRv3将此方法应用到有监督的学习任务中，设计了TextConAug数据增强方法，支持更多图像的联结，从而进一步丰富了图像的上下文信息。最终将识别模型精度进一步提升0.5%。TextConAug示意图如下所示：
 
-PP-OCRv3参考 [SSL](https://github.com/ku21fan/STR-Fewer-Labels) 设计了文本方向任务，训练了适用于文本识别的预训练模型，加速模型收敛过程，精度提升了0.6%; 使用UDML蒸馏策略，进一步提升精度1.5%，训练流程所示：
 <div align="center">
-    <img src="../ppocr_v3/SSL.png" width="300"> <img src="../ppocr_v3/UDML.png" width="500">
+    <img src="../ppocr_v3/recconaug.png" width=800>
 </div>
 
 
-数据增强方面：
+**（4）TextRotNet自监督训练优化预训练模型。**
+
+为了充分利用自然场景中的大量无标注文本数据，PP-OCRv3参考论文[STR-Fewer-Labels](https://github.com/ku21fan/STR-Fewer-Labels)，设计TextRotNet自监督任务，对识别图像进行旋转并预测其旋转角度，同时结合中文场景文字识别任务的特点，在训练时适当调整图像的尺寸，添加文本识别数据增广，最终产出针对文本识别任务的PP-LCNet预训练模型，帮助识别模型精度进一步提升0.6%。TextRotNet训练流程如下图所示：
 
-1. 基于 [ConCLR](https://www.cse.cuhk.edu.hk/~byu/papers/C139-AAAI2022-ConCLR.pdf) 中的ConAug方法，设计了 RecConAug 数据增强方法，增强数据多样性，精度提升0.5%，增强可视化效果如下所示：
 <div align="center">
-    <img src="../ppocr_v3/recconaug.png" width=800>
+    <img src="../ppocr_v3/SSL.png" width="500"> 
+</div>
+
+
+**（5）UIM（Unlabeled Images Mining）无标注数据挖掘策略。**
+
+为更直接利用自然场景中包含大量无标注数据，使用PP-OCRv2检测模型以及SVTR_tiny识别模型对百度开源的40W [LSVT弱标注数据集](https://ai.baidu.com/broad/introduction?dataset=lsvt)进行检测与识别，并筛选出识别得分大于0.95的文本，共81W文本行数据，将其补充到训练数据中，最终进一步提升模型精度1.0%。
+
+<div align="center">
+    <img src="../ppocr_v3/UIM.png" width="500"> 
 </div>
-2. 使用训练好的 SVTR_large 预测 120W 的 lsvt 无标注数据，取出其中得分大于0.95的数据，共得到81W识别数据加入到PP-OCRv3的训练数据中，精度提升1%。
 
 
 <a name="4"></a>
 ## 4. 端到端评估
+
+经过以上优化，最终PP-OCRv3在速度可比情况下，中文场景端到端Hmean指标相比于PP-OCRv2提升5%，效果大幅提升。具体指标如下表所示：
+
+| Model | Hmean |  Model Size (M) | Time Cost (CPU, ms) | Time Cost (T4 GPU, ms) |
+|-----|-----|--------|----| --- |
+| PP-OCR mobile | 50.3% | 8.1 | 356  | 116 |
+| PP-OCR server | 57.0% | 155.1 | 1056 | 200 |
+| PP-OCRv2 | 57.6% | 11.6 | 330 | 111 |
+| PP-OCRv3 | 62.9% | 15.6 | 331 | 86.64 |
+
+测试环境：CPU型号为Intel Gold 6148，CPU预测时开启MKLDNN加速。
+
+
+除了更新中文模型，本次升级也同步优化了英文数字模型，端到端效果提升11%，如下表所示：
+
+| Model | Recall |  Precision | Hmean |
+|-----|-----|--------|----|
+| PP-OCR_en | 38.99% | 45.91% | 42.17%  |
+| PP-OCRv3_en | 50.95% | 55.53% | 53.14% |
+
+同时，也对已支持的80余种语言识别模型进行了升级更新，在有评估集的四种语系识别准确率平均提升5%以上，如下表所示：
+
+| Model | 拉丁语系 |  阿拉伯语系 | 日语 | 韩语 |
+|-----|-----|--------|----| --- |
+| PP-OCR_mul | 69.6% | 40.5% | 38.5%  | 55.4% |
+| PP-OCRv3_mul | 75.2%| 45.37% | 45.8% | 60.1% |