表格图片的内容识别

接到个任务需要将几万张带表格的图片转换成结构化数据。

1. 大步骤

最终算是完成任务，但是识别率上还有一点问题，人工再过一下，还是蛮快的。先说一下大的步骤：

1. 分割单元格。将图片中的表格全部定位出来，然后按单元格裁剪成一个个小图片，以便后续分析及操作；
2. 聚焦。其实就是将单元格中的文本区域裁剪出来，将多余的空白去掉；
3. 大图片的识别。对于大图片用图像相似性的算法（phash+汉明距离）做识别；
4. 小图片的识别。对于小图片，做字符分割，然后用NN做分类识别；
5. 识别结果输出到txt；
6. txt输出到excel。将全部txt按照目标表格的格式，解析输出到excel。

1.1 分割单元格

既然只关心表格区域，所以第一步先将各个单元格拆分出来，截取成一个个小图片。尝试用图像的膨胀、腐蚀来定位表格区域，图像处理包skimage，最后算是定位出了表格区域，也分割出了各个单元格图片，其中部分中间过程的图片如下：

rowcol.png

分割单元格这一块的基本流程是：

1. 读取图像；
2. 二值化处理；
3. 横向、纵向的膨胀、腐蚀操作，得到横线图img_row和竖线图img_col；
4. 得到点图，img_row + img_col=img_dot；
5. 得到线图，img_row × img_col=img_line（线图只是拿来看看的，后续没有用到）；
6. 浓缩点团到单个像素；
7. 开始遍历各行的点，将各个单元格从二值图像上裁剪出来，保存到temp文件夹。

参考资料：

1. OpenCV-检测并提取表格 - CSDN博客
2. python数字图像处理（1）：环境安装与配置 - denny402 - 博客园

1.1.1 读取图像、二值化

import skimage
# 读取图片，并转灰度图
img=io.imread(imgFilePath,True)
#二值化
bi_th=0.81
img[img<=bi_th]=0
img[img>bi_th]=1

1.1.2 膨胀、腐蚀操作

# 膨胀腐蚀操作
def dil2ero(img,selem):
    img=morphology.dilation(img,selem)
    imgres=morphology.erosion(img,selem)
    return imgres

# 求图像中的横线和竖线
rows,cols=img.shape
scale=80

col_selem=morphology.rectangle(cols//scale,1)
img_cols=dil2ero(img,col_selem)

row_selem=morphology.rectangle(1,rows//scale)
img_rows=dil2ero(img,row_selem)

1.1.3 得到点图、线图

# 线图
img_line=img_cols*img_rows
# 点图
img_dot=img_cols+img_rows_temp
img_dot[img_dot>0]=1
img_dot=clearEdge(img_dot,3)

1.1.4 浓缩点为单个像素

# 收缩点团为单像素点（3×3）
def isolate(img):
    idx=np.argwhere(img<1)
    rows,cols=img.shape
    
    for i in range(idx.shape[0]):
        c_row=idx[i,0]
        c_col=idx[i,1]
        if c_col+1<cols and c_row+1<rows:
            img[c_row,c_col+1]=1
            img[c_row+1,c_col]=1
            img[c_row+1,c_col+1]=1
        if c_col+2<cols and c_row+2<rows:
            img[c_row+1,c_col+2]=1
            img[c_row+2,c_col]=1
            img[c_row,c_col+2]=1
            img[c_row+2,c_col+1]=1
            img[c_row+2,c_col+2]=1
    return img

img_dot=isolate(img_dot)

1.1.5 遍历各dot，裁剪图片

按行遍历各个顶点，判断这些顶点是否是目标单元格的顶点，即可将图片裁出。

2.png

1.2 聚焦

图片中的表格的各个单元格都已经截取出来，但是单元格有高有矮，不利于后续分析，所以想到只要聚焦文字区域就行，即单元格里的文字区域截取出，其余空白就不要了。聚焦方法就是按行、列分别求和，因为图片白色区域值为1，黑色区域值为0，所以按行求和后，全白部分的sum=width，文字区域及sum<width的部分。比如下边这张图，通过行列求和，即可定位出文字区域，截图即可。

ori.png
3.png

代码如下：

def focusImg(imgPath):
    img=io.imread(imgPath)
    img=color.rgb2gray(img)
    img=img_as_float(img)
    img=clearEdge(img,3)

    # 求各列的和
    col_sum=img.sum(axis=0)
    # 求各行的和
    row_sum=img.sum(axis=1)

    idx_col_sum=np.argwhere(col_sum<col_sum.max())
    if len(idx_col_sum)==0:
        os.remove(imgPath)
        return
    col_start,col_end=idx_col_sum[0,0]-1,idx_col_sum[-1,0]+2
    
    idx_row_sum=np.argwhere(row_sum<row_sum.max())
    if len(idx_row_sum)==0:
        os.remove(imgPath)
        return
    row_start,row_end=idx_row_sum[0,0]-1,idx_row_sum[-1,0]+2

经过聚焦操作，图片中的各个元素大可分成以下这些类别：

4.png

大概分析了一下图片，碰巧发现，焦后的标题类图片高度都大于13（大图片），而数值类图片高度都小于等于13（小图片）。大图片的种类数量不算多，大概一百多种。小图片基本上是金融、日期，还有一些特定字符比如 “/”、"N"、"*"什么的，所以对小图再做字符分割，也就十多种。

这时关于单元格里内容的识别，就有了以下操作：

1. 对于大图片，将一百多张图片作为模板，将输入的图片逾模板里的图片做相似性对比（phash+汉明距离）；
2. 对于小图片，做字符分割，使用pytorch+CNN做识别；

1.3 大图片识别（标题部分）

大图片内容的识别，基本上就是靠的模板匹配，具体算法原理看参考资料：

1. 在Python中用小波分析图像的哈希值 – 麦穗技术
2. 相似性图片搜索的原理——阮一峰的网络日志

耗费了些时间整理好了模板文件夹，将图片里的文字作为文件名，在做模板初始化的时候就很方便的生成模板phash字典了：dic{key,value} => dic{fname,phash}

5.png

代码如下：

hash_size=20
phashHamming_th=100

def hamming(h1, h2):
    '''计算两图的汉明距离'''
    return sum(sum(h1.hash^h2.hash))


def getText(img,bigPicTempleDic):
    hashHere=imagehash.phash(img,hash_size=hash_size)
    seq=[]
    for key in bigPicTempleDic.keys():
        seq.append((hamming(hashHere,bigPicTempleDic[key]),key))
        
    res_minDis,res_key=sorted(seq,key=lambda x:x[0])[0]
    #print('HMdis:{0}'.format(res_minDis))
    if res_minDis<phashHamming_th:
        return res_key
    else:
        return '未识别出来'
    
    
#模板文件夹的路径
templePath=r'...\bigPicTemple'
bigPicTempleDic={'keyname':'phash'}
# 初始化模板字典
# dict{文件名，phash}
for fpath,fdir,fs in os.walk(templePath):
    for f in fs:
        fname,fext=os.path.splitext(f)
        bigPicTempleDic[fname]=imagehash.phash(
            Image.open(os.path.join(fpath,f)),
            hash_size=hash_size)
        
del bigPicTempleDic['keyname']

1.4 小图片识别（字符分割+CNN）

对于小图片，则继续分割字符，再将单个字符输入CNN，识别结果。

1.4.1 字符分割

比如‘1,234’，分割为五个字符：‘1’，‘，’，‘2’，‘3’，‘4’。基本原理跟上文的聚焦差不多，就是找到字符之间的空隙。

def splitChar(img):
    imgF=img_as_float(img)
    # 求各列的和
    col_sum=imgF.sum(axis=0)
    idx=np.argwhere(col_sum==col_sum.max())

    images=[]
    for i in range(1,len(idx)):
        if idx[i,0]-idx[i-1,0]>1:
            imgHere=img.crop((idx[i-1,0],0,idx[i,0]+1,img.height))
            images.append(imgHere)
    
    return images

1.4.2 pytorch+CNN字符识别

用这个主要是之前看到些minst的文章，也想试试手pytorch这些ML框架。其实一开始使用的softmax多分类，测试发现效果并不好，比如数字2、3、7经常会搞混。后来考虑到softmax输入的图片是转为一维数组输入，也丢失图像的像素之间的结构关系，所以就换成CNN了。

参考资料：

1. PyTorch学习之路（level1）——训练一个图像分类模型 - CSDN博客
2. PyTorch学习之路（level2）——自定义数据读取 - CSDN博客
3. 10分钟快速入门 PyTorch (4) - CNN - PyTorch Tutorialt

pytorch下载的时候，可能是上网不科学的缘故，安装地址刷不出，可以去这里试试：PyTorch 中文社区 - ApacheCNW

6.png

代码如下：

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, transforms
from torch.autograd import Variable

dicRes={
    0:'0',
    1:'1',
    2:'2',       
    3:'3',
    4:'4',
    5:'5',       
    6:'6',
    7:'7',
    8:'8',       
    9:'9',
    10:'N',
    11:',',     
    12:'.',
    13:'—',
    14:'/',    
    15:'*',
    16:'无'           
}

def cnnPred(data):
    '''data是一个[1,1,28,28]的图'''
    data.resize((1,1,28,28))
    data=torch.FloatTensor(data)
    data=Variable(data, volatile=True)
    output = model(data)
    # get the index of the max
    pred = output.data.max(1, keepdim=True)[1]
    return dicRes[int(pred)]


class CNN(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(CNN, self).__init__()
        #1*28*28
        self.conv1=nn.Sequential(
            #16*28*28
            #padding=(ks-1)/2时，图像大小不变
            nn.Conv2d(in_channels=1,out_channels=16,kernel_size=5,stride=1,padding=2),
            nn.ReLU(),
            #16*14*14
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2)
        )
        self.conv2=nn.Sequential(
            #32*14*14
            nn.Conv2d(16,32,5,1,2),
            nn.ReLU(),
            #32*7*7
            nn.MaxPool2d(2)
        )
        self.out=nn.Linear(32*7*7,17)
        
    def forward(self, x):
        x = self.conv1(x)
        x = self.conv2(x)
        x = x.view(x.size(0),-1)
        output = self.out(x)
        return output

model = CNN()
# 加载已训练好的参数
model.load_state_dict(torch.load('my_CNN_params.pkl'))

1.5 结果输出

单个图片输入，识别的结果输出到txt文本。将全部txt按照目标表格的样式，输出到excel，这些基本都是文件、文本、字符串的操作，就不细说了，参考资料：

1. python操作Excel的几种方式 - lingwang3 - 博客园

2. 其他问题

2.1 有的表格的一条边颜色较浅

由于之前采用的是全局二值化，所以遇到这种表格一条边偏白的状况，二值化后就没了，导致表格的一些顶点没定位出来，最终结果就是输出到excel的时候，才发现一些数据错列了。

解决思路无非就是考虑自适应的二值化，或者是粗暴一点的分类二值化。由于赶时间，我用了比较粗暴的方法：

1. 即原全局二值化的图片img_forSplit，继续作为分割单元格的底图；
2. 查看表格的浅色边的灰度值，直接以该值再做一个全局二值化图img，作为定位顶点的图。

代码如下：

# 读取图片，并转灰度图
img=io.imread(imgFilePath,True)
#二值化
img_forSplit=copy.deepcopy(img)
#img 提取边框用
bi_th=img.max()*0.875
img[img<bi_th]=0
img[img>=bi_th]=1
# img_forSplit 分割用
bi_th=0.733
img_forSplit[img_forSplit<bi_th]=0
img_forSplit[img_forSplit>=bi_th]=1

2.2 字符分割有出错

测试发现对于两个0相连，或者是8相连这种容易分割失败。比如‘000’，理想状况是分割出3个‘0’，但往往还是割出‘000’。放大图像就发现了，0这种算是数字里比较宽的字符了，几个0放一起，中间的像素会有些模糊的黏连，这块我还没想好解决方法。

7.png