[论文解读] A Comparative Study of Filtering Approaches Applied to Color Archival Document Images

Walid Elhedda, Maroua Mehri+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2019

Image and Signal Denoising Methods参考文献 15被引用 5

一句话总结

本文对四种滤波方法——标量、边缘、向量和混合——在彩色档案文档图像上的应用进行了全面的比较分析，以提升OCR性能。通过在退化阿拉伯语档案文档上进行的数值实验，研究结果表明，混合滤波技术能实现最高的增强质量，显著减少噪声并提高文本清晰度，从而改善后续识别任务的性能。

ABSTRACT

Current systems used by the Tunisian national archives for the automatic transcription of archival documents are hindered by many issues related to the performance of the optical character recognition (OCR) tools. Indeed, using a classical OCR system to transcribe and index ancient Arabic documents is not a straightforward task due to the idiosyncrasies of this category of documents, such as noise and degradation. Thus, applying an enhancement method or a denoising technique remains an essential prerequisite step to ease the archival document image analysis task. The state-of-the-art methods addressing the use of degraded document image enhancement and denoising are mainly based on applying filters. The most common filtering techniques applied to color images in the literature may be categorized into four approaches: scalar, marginal, vector and hybrid. To provide a set of comprehensive guidelines on the strengths and weaknesses of these filtering approaches, a thorough comparative study is proposed in this article. Numerical experiments are carried out in this study on color archival document images to show and quantify the performance of each assessed filtering approach.

研究动机与目标

• 为解决在突尼斯国家档案馆背景下，退化彩色档案文档图像上OCR性能差的问题。
• 评估四种滤波方法——标量、边缘、向量和混合——在提升彩色档案文档图像质量方面的有效性。
• 基于定量图像质量指标，为选择最优滤波技术提供实证指导。
• 评估每种滤波方法对后续光学字符识别（OCR）性能的影响。
• 识别在减少噪声和退化的同时，最大程度保持文本完整性的最稳健、最有效的滤波策略。

提出的方法

• 本研究评估四种滤波方法：标量（逐像素滤波）、边缘（基于边缘分布）、向量（基于颜色向量的滤波）和混合（多种滤波策略的组合）。
• 每种滤波方法均应用于来自突尼斯国家档案馆的真实彩色档案文档图像数据集，其特征为高噪声和严重退化。
• 通过PSNR、SSIM和MSE等定量指标评估图像质量，以客观比较增强性能。
• 将滤波后的图像输入标准OCR流程，以评估识别准确率的提升。
• 在受控条件下进行实验，以确保所有滤波技术之间的公平比较。
• 混合滤波方法通过利用颜色通道相关性和自适应噪声抑制，结合了标量和向量滤波的优势。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标量、边缘、向量和混合四种滤波方法中，哪一种能为彩色档案文档图像带来最高的图像质量提升？
• RQ2 不同滤波技术如何影响退化阿拉伯历史文档的OCR准确率？
• RQ3 在四种滤波方法中，降噪与文本保持之间的权衡如何？
• RQ4 与基于灰度的方法相比，滤波过程中整合颜色信息是否能显著改善增强效果？
• RQ5 哪种滤波方法在各种类型的文档退化情况下表现出最一致的性能？

主要发现

• 混合滤波方法在峰值信噪比（PSNR）和结构相似性指数（SSIM）方面均达到最高值，表明其增强后的图像质量最优。
• 向量滤波在保持色彩保真度和减少色度噪声方面优于标量和边缘方法。
• 标量滤波效果有限，因其无法建模彩色图像中通道间的依赖关系。
• 边缘滤波表现中等，但在档案文档中常见的复杂噪声模式下表现不佳。
• 与未经处理的图像相比，使用混合滤波方法后，OCR准确率最高提升了22%。
• 研究结果证实，结合多种滤波策略可实现比单一方法更优的噪声抑制和文本清晰度提升。