基于FPGA的OCR文字識別技術(shù)的深度解析

OCR在通用文字識別等場景下有廣泛應(yīng)用，基于FPGA異構(gòu)加速的OCR識別相比CPU/GPU實現(xiàn)具有延時小、成本低的優(yōu)勢。我們設(shè)計了多FPGA芯片協(xié)同的異構(gòu)加速架構(gòu)，能快速適配業(yè)務(wù)OCR模型變化，檢測識別整體性能為GPU P4 130%，處理延時僅為P4的1/10，CPU的1/30。

1.文字識別技術(shù)- OCR

OCR技術(shù)，通俗來講就是從圖像中檢測并識別字符的一種方法，在證通用文字識別、書籍電子化、自動信息采集、證照類識別等應(yīng)用場景中得到了廣泛應(yīng)用。通用場景的OCR因此通用場景下的OCR技術(shù)一直都是人工智能領(lǐng)域挑戰(zhàn)性極強的研究領(lǐng)域，不需要針對特殊場景進行定制，可以識別任意場景圖片中的文字。

通用OCR技術(shù)包含兩大關(guān)鍵技術(shù)：文本檢測和文字識別。檢測模型的作用簡單來說就是確定圖片中哪里有字，并把有字的區(qū)域框出來。文字識別是將文本檢測box作為輸入，識別出其中的字符。

近年來深度學(xué)習(xí)逐漸被應(yīng)用到音頻、視頻以及自然語言理解等時序數(shù)據(jù)建模的領(lǐng)域。通過深度學(xué)習(xí)的端到端學(xué)習(xí)提升Sequence Learning的效果已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點。基本思路是CNN與RNN結(jié)合：CNN被用于提取有表征能力的圖像特征，將RNN的序列化特性引入到文本檢測，增加了文本檢測候選區(qū)域的上下文信息，可以有效地提升文本檢測任務(wù)的性能。CNN+RNN的混合網(wǎng)絡(luò)將文本串識別領(lǐng)域的效果推到了一個新的高度。

1：CRNN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

我們以目前應(yīng)用十分廣泛的CRNN模型為例，它是DCNN和RNN的組合，可以直接從序列標(biāo)簽學(xué)習(xí)，不需要詳細(xì)的標(biāo)注；比標(biāo)準(zhǔn)DCNN模型包含的參數(shù)要少很多。同時CRNN在圖像特征和識別內(nèi)容序列之間嚴(yán)格保序，擅長識別字分割比較困難的文字序列。

架構(gòu)包括三部分：

1) 卷積層，從輸入圖像中提取特征序列，將圖像進行空間上的保序壓縮，相當(dāng)于沿水平方向形成若干切片，每個切片對應(yīng)一個特征向量；

2) 循環(huán)層，預(yù)測每一幀的標(biāo)簽分布；采用雙層雙向的LSTM，進一步學(xué)習(xí)上下文特征，據(jù)此得到切片對應(yīng)的字符類別。

3) TranscripTIon層，利用CTC和前向后向算法求解最優(yōu)的label序列。

2. OCR加速架構(gòu)

依賴于FPGA的可編程性、高性能以及高通信帶寬，我們設(shè)計了一個多FPGA芯片協(xié)同的異構(gòu)加速架構(gòu)。單一芯片針對一種類型的模型進行深度定制優(yōu)化，不同芯片之間通過負(fù)載均衡以及流水化來完成整個混合模型的加速過程。

圖2：OCR加速硬件架構(gòu)

FPGA 0配置為通用的CNN加速架構(gòu)

FPGA 1配置為通用的LSTM加速架構(gòu)

對于計算量較小的FC使用CPU進行計算，保持模型靈活性

FPGA與服務(wù)器CPU通過PCIe Gen3進行數(shù)據(jù)通信，負(fù)載均衡由CPU進行控制

FPGA間通過AURORA輕量級協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)交換延時ns級，類似不同板卡間內(nèi)存共享

平臺后續(xù)升級可支持服務(wù)器間的多任務(wù)并行/流水調(diào)度

為特定的深度學(xué)習(xí)模型進行底層深度架構(gòu)優(yōu)化，通過架構(gòu)層面上的優(yōu)化來充分發(fā)揮異構(gòu)加速器件的性能，達(dá)到最大的計算收益。