TensorFlow 2.0实践之中文手写字识别

问题导读：
1、相比于简单minist识别，汉字识别具有哪些难点？
2、如何快速的构建一个OCR网络模型？
3、读取的时候有哪些点需要注意?
4、如何让模型更简单的收敛？




还在玩minist？fashionmnist？不如来尝试一下类别多大3000+的汉字手写识别吧！！虽然以前有一些文章教大家如何操作，但是大多比较古老，这篇文章将用全新的TensorFlow 2.0 来教大家如何搭建一个中文OCR系统！

让我们来看一下，相比于简单minist识别，汉字识别具有哪些难点：

    搜索空间空前巨大，我们使用的数据集1.0版本汉字就多大3755个，如果加上1.1版本一起，总共汉字可以分为多达7599+个类别！这比10个阿拉伯字母识别难度大很多！数据集处理挑战更大，相比于mnist和fasionmnist来说，汉字手写字体识别数据集非常少，而且仅有的数据集数据预处理难度非常大，非常不直观，但是，千万别吓到，相信你看完本教程一定会收货满满!汉字识别更考验选手的建模能力，还在分类花？分类猫和狗？随便搭建的几层在搜索空间巨大的汉字手写识别里根本不work！你现在是不是想用很深的网络跃跃欲试？更深的网络在这个任务上可能根本不可行！！看完本教程我们就可以一探究竟！总之一句话，模型太简单和太复杂都不好，甚至会发散！（想亲身体验模型训练发散抓狂的可以来尝试一下！）。

但是，挑战这个任务也有很多好处：

    本教程基于TensorFlow2.0，从数据预处理，图片转Tensor以及Tensor的一系列骚操作都包含在内！做完本任务相信你会对TensorFlow2.0 API有一个很深刻的认识！如果你是新手，通过这个教程你完全可以深入体会一下调参（或者说随意修改网络）的纠结性和蛋疼性！


本项目实现了基于CNN的中文手写字识别，并且采用标准的tensorflow 2.0 api 来构建！相比对简单的字母手写识别，本项目更能体现模型设计的精巧性和数据增强的熟练操作性，并且最终设计出来的模型可以直接应用于工业场合，比如 票据识别, 手写文本自动扫描 等，相比于百度api接口或者QQ接口等，具有可优化性、免费性、本地性等优点。


数据准备

在开始之前，先介绍一下本项目所采用的数据信息。我们的数据全部来自于CASIA的开源中文手写字数据集，该数据集分为两部分：

    CASIA-HWDB：离线的HWDB，我们仅仅使用1.0-1.2，这是单字的数据集，2.0-2.2是整张文本的数据集，我们暂时不用，单字里面包含了约7185个汉字以及171个英文字母、数字、标点符号等；CASIA-OLHWDB：在线的HWDB，格式一样，包含了约7185个汉字以及171个英文字母、数字、标点符号等，我们不用。

其实你下载1.0的train和test差不多已经够了，可以直接运行 dataset/get_hwdb_1.0_1.1.sh 下载。原始数据下载链接点击这里.由于原始数据过于复杂，我们使用一个类来封装数据读取过程，这是我们展示的效果：


看到这么密密麻麻的文字相信连人类都.... 开始头疼了，这些复杂的文字能够通过一个神经网络来识别出来？？答案是肯定的.... 不有得感叹一下神经网络的强大。。上面的部分文字识别出来的结果是这样的：


关于数据的处理部分，从服务器下载到的原始数据是 trn_gnt.zip 解压之后是 gnt.alz， 需要再次解压得到一个包含 gnt文件的文件夹。里面每一个gnt文件都包含了若干个汉字及其标注。直接处理比较麻烦，也不方便抽取出图片再进行操作，虽然转为图片存入文件夹比较直观，但是不适合批量读取和训练, 后面我们统一转为tfrecord进行训练。

更新:实际上，由于单个汉字图片其实很小，差不多也就最大80x80的大小，这个大小不适合转成图片保存到本地，因此我们将hwdb原始的二进制保存为tfrecord。同时也方便后面训练，可以直接从tfrecord读取图片进行训练。



在我们存储完成的时候大概处理了89万个汉字，总共汉字的空间是3755个汉字。由于我们暂时仅仅使用了1.0，所以还有大概3000个汉字没有加入进来，但是处理是一样。使用本仓库来生成你的tfrecord步骤如下：

cd dataset && python3 convert_to_tfrecord.py, 请注意我们使用的是tf2.0；你需要修改对应的路径，等待生成完成，大概有89万个example，如果1.0和1.1都用，那估计得double。

模型构建

关于我们采用的OCR模型的构建，我们构建了3个模型分别做测试，三个模型的复杂度逐渐的复杂，网络层数逐渐深入。但是到最后发现，最复杂的那个模型竟然不收敛。这个其中一个稍微简单模型的训练过程：


大家可以看到，准确率可以在短时间内达到87%非常不错，测试集的准确率大概在40%，由于测试集中的样本在训练集中完全没有出现，相对训练集的准确率来讲偏低。可能原因无外乎两个，一个事模型泛化性能不强，另外一个原因是训练还不够。

不过好在这个简单的模型也能达到训练集90%的准确率，it's a good start. 让我们来看一下如何快速的构建一个OCR网络模型：

[mw_shl_code=python,true]def build_net_003(input_shape, n_classes):
    model = tf.keras.Sequential([
        layers.Conv2D(input_shape=input_shape, filters=32, kernel_size=(3, 3), strides=(1, 1),
                      padding='same', activation='relu'),
        layers.MaxPool2D(pool_size=(2, 2), padding='same'),
        layers.Conv2D(filters=64, kernel_size=(3, 3), padding='same'),
        layers.MaxPool2D(pool_size=(2, 2), padding='same'),
​
        layers.Flatten(),
        layers.Dense(n_classes, activation='softmax')
    ])
    return model[/mw_shl_code]

这是我们使用keras API构建的一个模型，它足够简单，仅仅包含两个卷积层以及两个maxpool层。下面我们让大家知道，即便是再简单的模型，有时候也能发挥出巨大的用处，对于某些特定的问题可能比更深的网络更有用途。关于这部分模型构建大家只要知道这么几点：

• 如果你只是构建序列模型，没有太fancy的跳跃链接，你可以直接用keras.Sequential 来构建你的模型；
• Conv2D中最好指定每个参数的名字，不要省略，否则别人不知道你的写的事输入的通道数还是filters。
  

最后，在你看完本篇博客后，并准备自己动手复现这个教程的时候， 可以思考一下为什么下面这个模型就发散了呢？（仅仅稍微复杂一点）：

[mw_shl_code=python,true]​
def build_net_002(input_shape, n_classes):
    model = tf.keras.Sequential([
        layers.Conv2D(input_shape=input_shape, filters=64, kernel_size=(3, 3), strides=(1, 1),
                      padding='same', activation='relu'),
        layers.MaxPool2D(pool_size=(2, 2), padding='same'),
        layers.Conv2D(filters=128, kernel_size=(3, 3), padding='same'),
        layers.MaxPool2D(pool_size=(2, 2), padding='same'),
        layers.Conv2D(filters=256, kernel_size=(3, 3), padding='same'),
        layers.MaxPool2D(pool_size=(2, 2), padding='same'),
​
        layers.Flatten(),
        layers.Dense(1024, activation='relu'),
        layers.Dense(n_classes, activation='softmax')
    ])
    return model[/mw_shl_code]

数据输入
其实最复杂的还是数据准备过程啊。这里着重说一下，我们的数据存入tfrecords中的事image和label，也就是这么一个example：
[mw_shl_code=python,true]example = tf.train.Example(features=tf.train.Features(
                        feature={
                            "label": tf.train.Feature(int64_list=tf.train.Int64List(value=[index])),
                            'image': tf.train.Feature(bytes_list=tf.train.BytesList(value=[img.tobytes()])),
                            'width': tf.train.Feature(int64_list=tf.train.Int64List(value=[w])),
                            'height': tf.train.Feature(int64_list=tf.train.Int64List(value=[h])),
                        }))[/mw_shl_code]

然后读取的时候相应的读取即可，这里告诉大家几点坑爹的地方：

•     将numpyarray的bytes存入tfrecord跟将文件的bytes直接存入tfrecord解码的方式事不同的，由于我们的图片数据不是来自于本地文件，所以我们使用了一个tobytes()方法存入的事numpy array的bytes格式，它实际上并不包含维度信息，所以这就是坑爹的地方之一，如果你不同时存储width和height，你后面读取的时候便无法知道维度，存储tfrecord顺便存储图片长宽事一个好的习惯.
• 关于不同的存储方式解码的方法有坑爹的地方，比如这里我们存储numpy array的bytes，通常情况下，你很难知道如何解码。。（不看本教程应该很多人不知道）
  

最后load tfrecord也就比较直观了：

[mw_shl_code=python,true]def parse_example(record):
    features = tf.io.parse_single_example(record,
                                          features={
                                              'label':
                                                  tf.io.FixedLenFeature([], tf.int64),
                                              'image':
                                                  tf.io.FixedLenFeature([], tf.string),
                                          })
    img = tf.io.decode_raw(features['image'], out_type=tf.uint8)
    img = tf.cast(tf.reshape(img, (64, 64)), dtype=tf.float32)
    label = tf.cast(features['label'], tf.int64)
    return {'image': img, 'label': label}
​
​
def parse_example_v2(record):
    """
    latest version format
    :param record:
    :return:
    """
    features = tf.io.parse_single_example(record,
                                          features={
                                              'width':
                                                  tf.io.FixedLenFeature([], tf.int64),
                                              'height':
                                                  tf.io.FixedLenFeature([], tf.int64),
                                              'label':
                                                  tf.io.FixedLenFeature([], tf.int64),
                                              'image':
                                                  tf.io.FixedLenFeature([], tf.string),
                                          })
    img = tf.io.decode_raw(features['image'], out_type=tf.uint8)
    # we can not reshape since it stores with original size
    w = features['width']
    h = features['height']
    img = tf.cast(tf.reshape(img, (w, h)), dtype=tf.float32)
    label = tf.cast(features['label'], tf.int64)
    return {'image': img, 'label': label}
​
​
def load_ds():
    input_files = ['dataset/HWDB1.1trn_gnt.tfrecord']
    ds = tf.data.TFRecordDataset(input_files)
    ds = ds.map(parse_example)
    return ds[/mw_shl_code]

这个v2的版本就是兼容了新的存入长宽的方式，因为我第一次生成的时候就没有保存。。。最后入坑了。注意这行代码：
[mw_shl_code=python,true]    img = tf.io.decode_raw(features['image'], out_type=tf.uint8)[/mw_shl_code]
它是对raw bytes进行解码，这个解码跟从文件读取bytes存入tfrecord的有着本质的不同。同时注意type的变化，这里以unit8的方式解码，因为我们存储进去的就是uint8.

训练过程

不瞒你说，我一开始写了一个很复杂的模型，训练了大概一个晚上结果准确率0.00012， 发散了。后面改成了更简单的模型才收敛。整个过程的训练pipleline：

[mw_shl_code=python,true]def train():
    all_characters = load_characters()
    num_classes = len(all_characters)
    logging.info('all characters: {}'.format(num_classes))
    train_dataset = load_ds()
    train_dataset = train_dataset.shuffle(100).map(preprocess).batch(32).repeat()
​
    val_ds = load_val_ds()
    val_ds = val_ds.shuffle(100).map(preprocess).batch(32).repeat()
​
    for data in train_dataset.take(2):
        print(data)
​
    # init model
    model = build_net_003((64, 64, 1), num_classes)
    model.summary()
    logging.info('model loaded.')
​
    start_epoch = 0
    latest_ckpt = tf.train.latest_checkpoint(os.path.dirname(ckpt_path))
    if latest_ckpt:
        start_epoch = int(latest_ckpt.split('-')[1].split('.')[0])
        model.load_weights(latest_ckpt)
        logging.info('model resumed from: {}, start at epoch: {}'.format(latest_ckpt, start_epoch))
    else:
        logging.info('passing resume since weights not there. training from scratch')
​
    if use_keras_fit:
        model.compile(
            optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(),
            loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(),
            metrics=['accuracy'])
        callbacks = [
            tf.keras.callbacks.ModelCheckpoint(ckpt_path,
                                               save_weights_only=True,
                                               verbose=1,
                                               period=500)
        ]
        try:
            model.fit(
                train_dataset,
                validation_data=val_ds,
                validation_steps=1000,
                epochs=15000,
                steps_per_epoch=1024,
                callbacks=callbacks)
        except KeyboardInterrupt:
            model.save_weights(ckpt_path.format(epoch=0))
            logging.info('keras model saved.')
        model.save_weights(ckpt_path.format(epoch=0))
        model.save(os.path.join(os.path.dirname(ckpt_path), 'cn_ocr.h5'))[/mw_shl_code]

在本系列教程开篇之际，我们就立下了几条准则，其中一条就是handle everything, 从这里就能看出，它事一个很稳健的训练代码，同事也很自动化：
自动寻找之前保存的最新模型；自动保存模型；捕捉ctrl + c事件保存模型。支持断点续训练
大家在以后编写训练代码的时候其实可以保持这个好的习惯。

OK，整个模型训练起来之后，可以在短时间内达到95%的准确率：


效果还是很不错的！

模型测试
最后模型训练完了，时候测试一下模型效果到底咋样。我们使用了一些简单的文字来测试：


这个字写的还真的。。。。具有鬼神之势。相信普通人类大部分字都能认出来，不过有些字还真的。。。。不好认。看看神经网络的表现怎么样！


这是大概2000次训练的结果， 基本上能识别出来了！神经网络的认字能力还不错的! 收工！

总结

通过本教程，我们完成了使用tensorflow 2.0全新的API搭建一个中文汉字手写识别系统。模型基本能够实现我们想要的功能。要知道，这个模型可是在搜索空间多大3755的类别当中准确的找到最相似的类别！！通过本实验，我们有几点心得：

    神经网络不仅仅是在学习，它具有一定的想象力！！比如它的一些看着很像的字：拜-佯， 扮-捞，笨-苯.... 这些字如果手写出来，连人都比较难以辨认！！但是大家要知道这些字在类别上并不是相领的！也就是说，模型具有一定的联想能力！不管问题多复杂，要敢于动手、善于动手。

最后希望大家对本文点个赞，编写教程不容易。希望大家多多支持。笨教程将支持为大家输出全新的tensorflow2.0教程！欢迎关注！！

作者：金天
来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/68356509

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