Система распознавания шрифта Брайля. Читаем написанное белым по белому

02.06.2022

В 2018 году мы взяли из детдома в семью слепую девочку Анжелу. Тогда я думал, что это чисто семейное обстоятельство, никак не связанное с моей профессией разработчика систем компьютерного зрения. Но благодаря дочери через два года появилась программа и интернет-сервис для распознавания текстов, написанных шрифтом Брайля - Angelina Braille Reader.

Сейчас этот сервис используют сотни людей и в России, и за ее пределами. Тема оказалась хайповой, сюжет о программе даже показали в федеральных новостях на ТВ. Но что важнее - за свою многолетнюю карьеру в ИТ ни в одном проекте я не получал столько искренних благодарностей от пользователей.

Ниже расскажу о том, как делалась эта разработка и с какими трудностями пришлось столкнуться. Более развернутое описание приведено в публикациях [1,2].

Возможно, кто-то захочет внести в проект свой вклад.

Лень — двигатель прогресса

Вы все видели брайлевские символы в лифте и в поликлинике. Каждая буква задана выпуклыми точками. Брайль разработал свою азбуку в 1824 году, и ничего лучше для чтения и письма с тех пор не придумали.

Сейчас слепые активно используют компьютеры и смартфоны с голосовым помощником, свободно перемещаются по всему миру без сопровождения, устраиваются на работу, требующую высокой квалификации. Представление о том, что слепые сидят дома и плетут на заказ авоськи, давно устарело.

Но слепые школьники до сих пор читают и пишут на Брайле. Все как у обычных людей. Когда вы последний раз писали страницу текста от руки? А школьники делают это ежедневно, и пропустить этот этап нельзя.

Когда мы отдавали дочь в первый класс, то думали, что будет непросто выучить шрифт Брайля. Но это оказалось ерундовой задачей, не труднее, чем выучить любой незнакомый язык в объеме «алфавит в совершенстве».

А вот дальше сложнее. Дело в том, что брайлевские книги - это выдавленные на белой бумаге пупырышки ("точки"), никак не выделенные цветом. Слепые тратят год начальной школы на то, чтобы научиться их нащупывать. У нас такая чувствительность пальцев не развивается за ненадобностью, поэтому 99% брайлевских педагогов и родителей читают это глазами.

Более того! Как и обычная книга, брайлевская книга обычно двусторонняя. Вместе с выступающими точками, которые надо читать, на той же странице есть точки, выдавленные в обратную сторону. Пальцы слепого эти впуклости не замечают, а глаза зрячего видят, и все это вместе превращается в абсолютную кашу. Вообразите, что вы читаете текст на неродном языке, напечатанный светло-серым на прозрачной пленке с двух сторон.

Фрагмент брайлевской книги с двусторонней печатью (вверху). На нижнем фото отмечены те точки, которые надо читать. Остальные точки - это текст с обратной стороны страницы, на них можете не обращать внимание (если сможете).
Фрагмент брайлевской книги с двусторонней печатью (вверху). На нижнем фото отмечены те точки, которые надо читать. Остальные точки - это текст с обратной стороны страницы, на них можете не обращать внимание (если сможете).

Рукописный брайлевский текст обычно односторонний, читать его несколько легче, но все равно непросто. В Союзе педагоги приспособились тереть работы школьников копиркой, чтобы сделать точки заметнее, но это решает проблему только отчасти.


За время обучения дочки в первом классе мы, оба родителя, так замучились таким чтением, что стали весьма мотивированы что-то с этим делать. Мы решили, что приспособить к чтению Брайля компьютер - намного более полезное занятие для папы в свободное время, чем решать конкурсы на Каггле. Потом оказалось, что это нужно не только моей семье, а буквально всем, кто работает со слепыми.

Хочешь сделать хорошо - сделай сам

Разумеется, я был не первым человеком, который занялся компьютерным распознаванием шрифта Брайля на изображении. Есть даже устойчивый термин: OBR (Optical Braille Recognition). Поэтому для начала я попытался найти готовое решение. Напрасно! В открытом доступе имеются только экспериментальные поделки, непригодные для практического применения. Из коммерческих разработок существует специализированный аппаратно-программный комплекс компании ЭлекЖест размером со стол. Это явно не то решение, о котором я мечтал, цену я даже не уточнял.

Система оптического распознавания Брайля от компании ЭлекЖест
Система оптического распознавания Брайля от компании ЭлекЖест

Попадались программы для распознавания, но они требовали отсканировать лист, причем со специальным светофильтром. Не слишком удобно, тем более что в стандартный сканер А4 брайлевский учебник не помещается. Но хуже то, что даже со сканером и светофильтром у меня не получилось получить приемлемый результат.

После фиаско с поиском готового решения пришлось переключиться на изучение литературы. Статей по оптическому распознаванию Брайля написано много. Во всех статьях процесс распознавания разбивался на этапы, обусловленные ключевым отличием шрифта Брайля от обычных алфавитов в разных языках.

В обычном письме буквы представлены связанными линиями, а в письме по Брайлю - комбинацией от 1 до 6 точек, расположенных в узлах воображаемой сетки. Группировка точек в буквы определяется привязкой к этой сетке.

Кодирование букв латинского алфавита шрифтом Брайля
Кодирование букв латинского алфавита шрифтом Брайля

Вне привязки к сетке, образуемой всеми брайлевскими буквами в целом, точки не имеют смысла. Так, если мы видим на пустом листе бумаги букву А, то мы легко понимаем, что это буква А. Если мы видим одинокую брайлевскую точку, нельзя определить, что это такое: буква А, запятая (она обозначается единственной точкой, но в другом узле сетки) или просто дефект бумаги.

Вследствие этого, для описанных в литературе алгоритмов OBR практически стандартом оказывается следующий набор шагов (см. обзоры [3,4]):

  1. Найти брайлевские точки.

  2. Восстановить воображаемую сетку.

  3. Сопоставить найденные точки с узлами сетки.

  4. Распознать брайлевские символы.

  5. Конвертировать последовательность брайлевских символов в обычный текст.

Разные авторы используют разные методы нахождения точек и, главное, отделения точек лицевой и обратной стороны: динамический порог, детектор окружностей на основе преобразования Хафа, HOG, LBP, SVM, признаки Хаара и алгоритм Виолы-Джонса, - в общем, практически весь джентльменский набор методов классического компьютерного зрения. В более поздних работах нейросетки тоже применяют.

После этого для восстановления сетки используют линейную регрессию, преобразования Хафа, изменения гистограмму распределения координат точек при пошаговом повороте листа...

Не буду приводить подробный обзор литературы (его можно найти в [1,3,4]). Важно, что при таком подходе требуется единая на весь лист воображаемая сетка, к которой привязаны брайлевские точки. Именно поэтому страница должна быть не просто сфотографирована, а отсканирована. Только в этом случае на всем листе точки расположены на параллельных линиях сетки. На случай, если страница при сканировании покосилась, описаны методы нахождения необходимого поворота страницы в исходное положение.

Я не нашел никаких методов для компенсации перспективных искажений (а без них фотографию не сделаешь). Еще сложнее, если сфотографирован не одиночный лист, а страница раскрытой книги. Брайлевские книги толстые и плотные, полностью расправить страницу невозможно. Линии сетки превращаются в дуги. Так что по всему выходило, что для применения опубликованных методов нужен сканер, причем специальный — обычный бытовой мал.

А хотелось сделать так, чтобы достаточно было сделать фото на смартфон и - вжух! - получить расшифрованный текст. Пришлось делать самому.

У нее внутре нейронка

Когда я начинал эту работу (2019г), нейронные сети уже вовсю покоряли задачи компьютерного зрения. В литературе по распознаванию Брайля тоже говорилось об их использовании. Но весьма ограниченном, не выходя за пределы описанного выше шаблона: или для поиска точек, или для разделения точек лицевой и обратной стороны, или для распознавания отдельного символа после того, как будет восстановлена сетка и точки поделены на символы.

И это при том, что уже несколько лет как были опубликованы one step детекторы типа YOLO[5] и SSD[6], которые решали задачу поиска объектов на изображении за один шаг, совмещая одновременно несколько функций - детекции, классификации, регрессии ограничивающего прямоугольника. Можно было ожидать, что нейросеть справится одновременно с задачей поиска точек, восстановления брайлевской сетки в окрестности каждого символа и распознавания символа за один проход. Это позволяло отойти от требования наличия единой сетки для всего листа и, соответственно, обрабатывать изображения искривленных листов и изображения с небольшими перспективными искажениями.

За основу я взял RetinaNet[7] с некоторыми изменениями по сравнению с исходными настройками: с учетом того, что мы ищем символы примерно известного размера и пропорций, был изменен набор "якорей" и другие параметры.

В конце концов этот подход дал результат, который я считаю весьма успешным. Но его применение упиралось в серьезную проблему.

Где взять данные, или Мойдодыр спешит на помощь.

Как хорошо известно, для решения обучения нейросети требуется много обучающих данных. И если при решении частных задач вроде поиска и классификации точек или даже отдельных символов каждая страница текста порождает множество обучающих примеров, то для обучения object detection сети необходимы достаточно большие фрагменты текста. Поэтому требуется множество размеченных изображений брайлевских страниц.

Сделать фотографии сотни-другой страниц в разных условиях - несложно. А вот разметка... Как выглядят эти страницы, было показано на рисунке выше, трудоемкость разметки можете себе представить. Идея разметить прямоугольниками каждую букву на сотнях таких страниц совсем не вызывала энтузиазма.

В сети удалось найти единственный публично доступный подходящий датасет: DSBI, опубликованный китайскими товарищами. Он включает 114 размеченных страниц брайлевских текстов. Тексты там на китайском, но это как раз неважно (сами по себе брайлевские символы одинаковы во всех языках). Хуже то, что изображения получены с помощью сканера с идеально плоского листа (это позволило авторам упростить процедуру разметки) и очень мало отличаются друг от друга. Поэтому качественно обучить на нем нейросеть для решения поставленной задачи было невозможно. RetinaNet, обученная на этих данных, выдала на реальных фотографиях брайлевских книг более чем скромный результат — от четверти до половины правильно распознанных символов.

Лучшего я и не ждал. Однако надо же было с чего-то начать! А дальше на помощь пришел подход Active Learning[8].

Идея традиционного Active Learning состоит в том, что мы обучаем нейросеть на имеющихся данных, применяем ее к неразмеченным данным, оцениваем результат (вручную или автоматически с помощью какого-либо критерия), отбираем неразмеченные примеры, которые распознались хуже всех, размечаем их вручную и повторяем обучение на расширенной выборке. И так несколько раз. Тем самым экономятся трудозатраты на разметку тех примеров, с которыми нейросеть и так справляется. Однако в этой задаче я применил полностью противоположный подход. Дело в том, что разметить страницу, состоящую сплошь из ошибок, гораздо сложнее, чем исправить несколько ошибок там, где существенная часть текста внятно распознана.

Особенностью задачи было то, что для многих неразмеченных страниц можно было найти напечатанный там текст в привычном нам виде. Текст, написанный прозой, сопоставить с изображением брайлевской страницы сложно, а вот со стихами все намного проще. Разбивка текста на строки известна, и если в распознанном тексте распознана хотя бы часть символов, которая позволяет идентифицировать строки, то недостающие и ошибочные символы можно восстановить, используя оригинальный текст. Причем лучше использовать даже не стихи, а детские стишки: написанные короткими строками, чтобы не возникало неожиданных переносов строки.

Поэтому первыми русскими текстами, на которых обучалась нейронная сеть, оказались сказки про Мойдодыра, Телефон, Чудо-дерево. Мысль, что иногда автор относится к своему проекту как к собственному ребенку, заиграла новыми красками.

Когда после нескольких итераций активного обучения качество распознавания достаточно повысилось, можно было включить в обучающий набор прозаические тексты. Сопоставлять их с оригинальным текстом так же, как стихи, было уже слишком сложно, но результаты распознавания можно было преобразовать в плоский текст и проверить спелл-чекером. Большая часть ошибок распознавания при этом подсвечивается, так что разметка радикально облегчается.

Описанный подход привел к идее сделать дальнейший процесс полностью автоматическим. Есть известный метод дообучения нейросети на неразмеченных данных - pseudo labeling[9]. Основная идея метода состоит в том, что результаты распознавания тех неразмеченных данных, где нейросеть показала высокую степень уверенности, включают в обучающий набор в дополнение к исходным размеченным данным, и обучение повторяется.

В описываемой работе в этот цикл я включил этап, на котором учитывается, что найденные нейросетью символы существуют не сами по себе, а должны подчиняться определенным правилам. В первую очередь, можно скорректировать положения символов так, чтобы символы образовывали ровные строки, а также проверить получившиеся слова спелл-чекером и исключить те результаты, которые такую проверку не проходят. Такой подход я предложил назвать "семантически усиленной псевдо-разметкой". В общем случае это - включение в процедуру псевдо-разметки этапа, когда автоматически полученная разметка оценивается и корректируются, используя внешние соображения о допустимости полученных результатов. Это дает существенное улучшение результатов по сравнению с обычной псевдо-разметкой (см. [2]). Возможность вытаскивать самого себя за волосы, обучая нейросеть на ее собственных результатах, заканчивается достаточно быстро и ограничена примерами из того же домена, что и исходные размеченные данные. При семантически усиленной псевдо-разметке в процесс обучения включается дополнительная объективная информация. Это не только позволяет использовать больший объем неразмеченных данных, но и дообучить сеть на неразмеченных данных из домена, отличного от того, к которому относятся исходная размеченная обучающая выборка [2].

Обычная (а) и семантически-усиленная (б) псевдо-разметка.
Обычная (а) и семантически-усиленная (б) псевдо-разметка.

В результате применения описанных подходов получалось программное решение, дающее менее 0.5% ошибочных символов при использовании достаточно качественных изображений (хорошая камера, правильное освещение). Я написал простенький сервис на Flask и развернул на домашнем компьютере сервис, которым стал пользоваться я сам и некоторые наши знакомые по сообществу родителей слепых детей.

Кроме того, в результате этой работы получился "наш ответ Китаю": датасет Angelina Braille Dataset из 240 размеченных фотографий брайлевских текстов. Существенно более сложный и разнообразный по сравнению датасетом DSBI, опубликованным китайскими разработчиками.

Искусство - в массы

Итак, первое время сервис работал на моем домашнем компьютере и количество пользователей прибывало методом сарафанного радио.

В 2021 описываемый сервис стал одним из победителей конкурса World AI & Data Challenge, который проводит Агентство Стратегических Инициатив. В конкурсе участвуют решения самых разных социльных проблем, построенные с помощью AI и Data science. То, что мой проект занял 2-е место в этом конкурсе, привело к двум важным практическим результатам.

Во-первых, АСИ обеспечило информационную поддержку: в специализированные школы по обучению слепых было направлено официальное письмо с поручением ознакомиться с сервисом и дать отзыв. Организовало несколько zoom-конференций с преподавателями-тифлопедагогами. В результате я получил множество очень мотивирующих отзывов. Самый короткий и емкий прозвучал на одной из видеовстреч: "мы ждали эту программу всю жизнь". Но, самое важное - потенциальные пользователи узнали о программе, преодолели "порог вхождения". Только сарафанным радио достичь такого результата было бы невозможно.

Во-вторых, компания Яндекс выделила победителям конкурса грант на использование вычислительных мощностей Яндекс-облака. Я мог больше не держать сервис на своем домашнем компьютере, а разместить его на выделенной машине Яндекса.

Подробное описание опыта работы с облачной структурой Яндекса заслуживает отдельной статьи. Приведу основной вывод, к которому я пришел. Облачная структура Яндекса очень хороша для масштабных вычислений. Возможность запустить сразу несколько серверов с Tesla V100 - это прекрасно. Однако пока там нет возможности развернуть бюджетный слабонагруженный сервис, если для работы требуется GPU. Выделенная машина с Tesla V100 для данной задачи - сильный "оверкилл за оверпрайс". Надеюсь, что со временем и для этой ниши будет предложено подходящее решение.

Решить проблему помог грант Фонда Президенских Грантов, предоставленный АНО "Ангелина" (для эксплуатации сервиса была создана некоммерческая организация). Такие гранты выделяются на различные социальные проекты. В данном случае грант был выдан на приобретение выделенного сервера и размещение его в дата-центре. Пока это оказывается более доступным способом развертывания малонагруженного интернет-сервиса, требующего GPU, чем облачная структу

Так что, проблема решена?

До сих пор я говорил о проблеме оптического распознавания письма на Брайле. И за кадром осталась задача преобразования шрифра Брайля в обычный текст.

Дело в том, что в брайлевской азбуке всего 63 символа. Нет привычных зрячим людям подчеркиваний, курсива, верхних и нижних индексов и т.п. Буквы разных языков, цифры, математические знаки кодируются одними и теми же символами. Например, символы б, Б, b, β, 2 - это один и тот же брайлевский символ ⠃. Значение зависит от контекста. Например, перед числом ставится специальный числовой знак ⠼. Т.е. ⠼⠃⠃ - это "22". Другие правила сложнее. А полное описание использования шрифта Брайля, включая математические уравнения, дроби, использование различных языков, символов №, %, $, синтаксический и грамматический разбор предложения и т.п. занимает десятки страниц и очень напоминает Драконий Покер Р.Асприна. Кроме того, в английском языке существует система сокращений, когда длинные распространенные слова заменяются более короткими (вместо immediate пишут imm, а вместо friend - fr и т.д.).

Сейчас в сервисе эти правила реализованы в минимальном объеме, достаточно прямолинейно: в виде проверки различных условий и переключения в зависимости от них на на различные словари трансляции. Вряд ли разумно дальше развивать этот подход. И не только потому, что исходный код станет совсем нечитаемым. Многие соглашения используются неформально, предполагают контекст. Так, есть специальный символ, обозначающий переход с русского языка на английский. Но иногда он может применяться к отдельному слову, иногда ко всему следующему тексту, пока не встретится знак перехода на русский. Иногда его не ставят вовсе, если фразы вроде «O, yes, - только и смог сказать сыщик» читают интуитивно.

Существует open source библиотека Liblouis для конвертации между Брайлем и обычным плоским письмом, но в основном она применяется для преобразования плоского письма в Брайль, эта задача намного проще. Обратный перевод там реализован плохо, особенно для русского языка.

Думаю, для решения задачи перевода брайлевского текста в обычный нужно применять подходы, основанные на машинном обучении. Но тут снова мы упираемся в вопрос, где взять обучающую выборку.

Так что проблем еще хватает. Описанная - главная, но не единственная. Есть что улучшить и в оптическом распознавании, и в веб-интерфейсе. Проект открытый, буду рад сотрудничеству. Репозитории на GitHub:

  • Собственно система распознавания Angelina Braille Reader

  • Angelina Braille Dataset

  • Веб-интерфейс

Литература

1. Ovodov I. G. Optical Braille Recognition Using Object Detection Neural Network //Proceedings of the IEEE/CVF International Conference on Computer Vision. – 2021. – С. 1741-1748.

2. Ovodov I. G. Semantic-based annotation enhancement algorithm for semi-supervised machine learning efficiency improvement applied to optical Braille recognition //2021 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus). – IEEE, 2021. – С. 2190-2194.

3. A review on software algorithms for optical recognition of embossed braille characters / V. Udayashankara [и др.] // International Journal of computer applications. — 2013. — Т. 81, № 3. — С. 25—35.

4. Isayed, S. A review of optical Braille recognition / S. Isayed, R. Tahboub //2015 2nd World Symposium on Web Applications and Networking (WSWAN). — IEEE. 2015. — С. 1—6.

5. Joseph Redmon, Santosh Divvala, Ross Girshick, and Ali Farhadi. You only look once: Unified, real-time object detection. In Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition, pages 779–788, 2016

6. Wei Liu, Dragomir Anguelov, Dumitru Erhan, Christian Szegedy, Scott Reed, Cheng-Yang Fu, and Alexander C Berg. Ssd: Single shot multibox detector. In European conference on computer vision, pages 21–37. Springer, 2016

7. Tsung-Yi Lin, Priya Goyal, Ross Girshick, Kaiming He, and Piotr Dollar. Focal loss for dense object detection. In ´ Proceedings of the IEEE international conference on computer vision, pages 2980–2988, 2017

8. Settles B. Active learning literature survey. University of Wisconsin //Computer Science Department. – 2010.

9. Lee D. H. et al. Pseudo-label: The simple and efficient semi-supervised learning method for deep neural networks //Workshop on challenges in representation learning, ICML. – 2013. – Т. 3. – №. 2. – С. 896.