Segmentation of heterogeneous document images : an approach based on machine learning, connected components analysis, and texture analysis

par Omid Bonakdar Sakhi

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Laurent Najman.

Le président du jury était Laurent Wendling.

Le jury était composé de Laurent Najman, Xavier Hilaire.

Les rapporteurs étaient Nicolas Passat, Thierry Géraud.

  • Titre traduit

    Segmentation d'images hétérogènes de documents : une approche basée sur l'apprentissage automatique de données, l'analyse en composantes connexes et l'analyse de texture


  • Résumé

    La segmentation de page est l'une des étapes les plus importantes de l'analyse d'images de documents. Idéalement, une méthode de segmentation doit être capable de reconstituer la structure complète de toute page de document, en distinguant les zones de textes, les parties graphiques, les photographies, les croquis, les figures, les tables, etc. En dépit de nombreuses méthodes proposées à ce jour pour produire une segmentation de page correcte, les difficultés sont toujours nombreuses. Le chef de file du projet qui a rendu possible le financement de ce travail de thèse (*) utilise une chaîne de traitement complète dans laquelle les erreurs de segmentation sont corrigées manuellement. Hormis les coûts que cela représente, le résultat est subordonné au réglage de nombreux paramètres. En outre, certaines erreurs échappent parfois à la vigilance des opérateurs humains. Les résultats des méthodes de segmentation de page sont généralement acceptables sur des documents propres et bien imprimés; mais l'échec est souvent à constater lorsqu'il s'agit de segmenter des documents manuscrits, lorsque la structure de ces derniers est vague, ou lorsqu'ils contiennent des notes de marge. En outre, les tables et les publicités présentent autant de défis supplémentaires à relever pour les algorithmes de segmentation. Notre méthode traite ces problèmes. La méthode est divisée en quatre parties : - A contrario de ce qui est fait dans la plupart des méthodes de segmentation de page classiques, nous commençons par séparer les parties textuelles et graphiques de la page en utilisant un arbre de décision boosté. - Les parties textuelles et graphiques sont utilisées, avec d'autres fonctions caractéristiques, par un champ conditionnel aléatoire bidimensionnel pour séparer les colonnes de texte. - Une méthode de détection de lignes, basée sur les profils partiels de projection, est alors lancée pour détecter les lignes de texte par rapport aux frontières des zones de texte. - Enfin, une nouvelle méthode de détection de paragraphes, entraînée sur les modèles de paragraphes les plus courants, est appliquée sur les lignes de texte pour extraire les paragraphes, en s'appuyant sur l'apparence géométrique des lignes de texte et leur indentation. Notre contribution sur l'existant réside essentiellement dans l'utilisation, ou l'adaptation, d'algorithmes empruntés aux méthodes d'apprentissage automatique de données, pour résoudre les cas les plus difficiles. Nous démontrons en effet un certain nombre d'améliorations : sur la séparation des colonnes de texte lorsqu'elles sont proches l'une de l'autre~; sur le risque de fusion d'au moins deux cellules adjacentes d'une même table~; sur le risque qu'une région encadrée fusionne avec d'autres régions textuelles, en particulier les notes de marge, même lorsque ces dernières sont écrites avec une fonte proche de celle du corps du texte. L'évaluation quantitative, et la comparaison des performances de notre méthode avec des algorithmes concurrents par des métriques et des méthodologies d'évaluation reconnues, sont également fournies dans une large mesure.(*) Cette thèse a été financée par le Conseil Général de Seine-Saint-Denis, par l'intermédiaire du projet Demat-Factory, initié et conduit par SAFIG SA


  • Résumé

    Document page segmentation is one of the most crucial steps in document image analysis. It ideally aims to explain the full structure of any document page, distinguishing text zones, graphics, photographs, halftones, figures, tables, etc. Although to date, there have been made several attempts of achieving correct page segmentation results, there are still many difficulties. The leader of the project in the framework of which this PhD work has been funded (*) uses a complete processing chain in which page segmentation mistakes are manually corrected by human operators. Aside of the costs it represents, this demands tuning of a large number of parameters; moreover, some segmentation mistakes sometimes escape the vigilance of the operators. Current automated page segmentation methods are well accepted for clean printed documents; but, they often fail to separate regions in handwritten documents when the document layout structure is loosely defined or when side notes are present inside the page. Moreover, tables and advertisements bring additional challenges for region segmentation algorithms. Our method addresses these problems. The method is divided into four parts:1. Unlike most of popular page segmentation methods, we first separate text and graphics components of the page using a boosted decision tree classifier.2. The separated text and graphics components are used among other features to separate columns of text in a two-dimensional conditional random fields framework.3. A text line detection method, based on piecewise projection profiles is then applied to detect text lines with respect to text region boundaries.4. Finally, a new paragraph detection method, which is trained on the common models of paragraphs, is applied on text lines to find paragraphs based on geometric appearance of text lines and their indentations. Our contribution over existing work lies in essence in the use, or adaptation, of algorithms borrowed from machine learning literature, to solve difficult cases. Indeed, we demonstrate a number of improvements : on separating text columns when one is situated very close to the other; on preventing the contents of a cell in a table to be merged with the contents of other adjacent cells; on preventing regions inside a frame to be merged with other text regions around, especially side notes, even when the latter are written using a font similar to that the text body. Quantitative assessment, and comparison of the performances of our method with competitive algorithms using widely acknowledged metrics and evaluation methodologies, is also provided to a large extend.(*) This PhD thesis has been funded by Conseil Général de Seine-Saint-Denis, through the FUI6 project Demat-Factory, lead by Safig SA


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