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模型微调

1. 模型微调背景与意义

PaddleOCR提供的PP-OCR系列模型在通用场景中性能优异，能够解决绝大多数情况下的检测与识别问题。在垂类场景中，如果希望获取更优的模型效果，可以通过模型微调的方法，进一步提升PP-OCR系列检测与识别模型的精度。

本文主要介绍文本检测与识别模型在模型微调时的一些注意事项，最终希望您在自己的场景中，通过模型微调，可以获取精度更高的文本检测与识别模型。

本文核心要点如下所示。

  1. PP-OCR提供的预训练模型有较好的泛化能力
  2. 加入少量真实数据（检测任务>=500张, 识别任务>=5000张），会大幅提升垂类场景的检测与识别效果
  3. 在模型微调时，加入真实通用场景数据，可以进一步提升模型精度与泛化性能
  4. 在图像检测任务中，增大图像的预测尺度，能够进一步提升较小文字区域的检测效果
  5. 在模型微调时，需要适当调整超参数（学习率，batch size最为重要），以获得更优的微调效果。

更多详细内容，请参考第2章与第3章。

2. 文本检测模型微调

2.1 数据选择

  • 数据量：建议至少准备500张的文本检测数据集用于模型微调。

  • 数据标注：单行文本标注格式，建议标注的检测框与实际语义内容一致。如在火车票场景中，姓氏与名字可能离得较远，但是它们在语义上属于同一个检测字段，这里也需要将整个姓名标注为1个检测框。

2.2 模型选择

建议选择PP-OCRv3模型（配置文件：ch_PP-OCRv3_det_student.yml，预训练模型：ch_PP-OCRv3_det_distill_train.tar）进行微调，其精度与泛化性能是目前提供的最优预训练模型。

更多PP-OCR系列模型，请参考PP-OCR 系列模型库。

注意：在使用上述预训练模型的时候，需要使用文件夹中的student.pdparams文件作为预训练模型，即，仅使用学生模型。

2.3 训练超参选择

在模型微调的时候，最重要的超参就是预训练模型路径pretrained_model, 学习率learning_rate与batch_size，部分配置文件如下所示。

Global:
  pretrained_model: ./ch_PP-OCRv3_det_distill_train/student.pdparams # 预训练模型路径
Optimizer:
  lr:
    name: Cosine
    learning_rate: 0.001 # 学习率
    warmup_epoch: 2
  regularizer:
    name: 'L2'
    factor: 0

Train:
  loader:
    shuffle: True
    drop_last: False
    batch_size_per_card: 8  # 单卡batch size
    num_workers: 4

上述配置文件中，首先需要将pretrained_model字段指定为student.pdparams文件路径。

PaddleOCR提供的配置文件是在8卡训练（相当于总的batch size是8*8=64）、且没有加载预训练模型情况下的配置文件，因此您的场景中，学习率与总的batch size需要对应线性调整，例如

  • 如果您的场景中是单卡训练，单卡batch_size=8，则总的batch_size=8，建议将学习率调整为1e-4左右。
  • 如果您的场景中是单卡训练，由于显存限制，只能设置单卡batch_size=4，则总的batch_size=4，建议将学习率调整为5e-5左右。

2.4 预测超参选择

对训练好的模型导出并进行推理时，可以通过进一步调整预测的图像尺度，来提升小面积文本的检测效果，下面是DBNet推理时的一些超参数，可以通过适当调整，提升效果。

参数名称 类型 默认值 含义
det_db_thresh float 0.3 DB输出的概率图中，得分大于该阈值的像素点才会被认为是文字像素点
det_db_box_thresh float 0.6 检测结果边框内，所有像素点的平均得分大于该阈值时，该结果会被认为是文字区域
det_db_unclip_ratio float 1.5 Vatti clipping算法的扩张系数，使用该方法对文字区域进行扩张
max_batch_size int 10 预测的batch size
use_dilation bool False 是否对分割结果进行膨胀以获取更优检测效果
det_db_score_mode str "fast" DB的检测结果得分计算方法，支持fast和slow，fast是根据polygon的外接矩形边框内的所有像素计算平均得分，slow是根据原始polygon内的所有像素计算平均得分，计算速度相对较慢一些，但是更加准确一些。

更多关于推理方法的介绍可以参考Paddle Inference推理教程。

3. 文本识别模型微调

3.1 数据选择

  • 数据量：不更换字典的情况下，建议至少准备5000张的文本识别数据集用于模型微调；如果更换了字典（不建议），需要的数量更多。

  • 数据分布：建议分布与实测场景尽量一致。如果实测场景包含大量短文本，则训练数据中建议也包含较多短文本，如果实测场景对于空格识别效果要求较高，则训练数据中建议也包含较多带空格的文本内容。

  • 数据合成：针对部分字符识别有误的情况，建议获取一批特定字符数据，加入到原数据中使用小学习率微调。其中原始数据与新增数据比例可尝试 10:1 ～ 5：1， 避免单一场景数据过多导致模型过拟合，同时尽量平衡语料词频，确保常用字的出现频率不会过低。

    特定字符生成可以使用 TextRenderer 工具，合成例子可参考 数码管数据合成 ，合成数据语料尽量来自真实使用场景，在贴近真实场景的基础上保持字体、背景的丰富性，有助于提升模型效果。

  • 通用中英文数据：在训练的时候，可以在训练集中添加通用真实数据（如在不更换字典的微调场景中，建议添加LSVT、RCTW、MTWI等真实数据），进一步提升模型的泛化性能。

3.2 模型选择

建议选择PP-OCRv3模型（配置文件：ch_PP-OCRv3_rec_distillation.yml，预训练模型：ch_PP-OCRv3_rec_train.tar）进行微调，其精度与泛化性能是目前提供的最优预训练模型。

更多PP-OCR系列模型，请参考PP-OCR 系列模型库。

PP-OCRv3 模型使用了GTC策略，其中SAR分支参数量大，当训练数据为简单场景时模型容易过拟合，导致微调效果不佳，建议去除GTC策略，模型结构部分配置文件修改如下：

Architecture:
  model_type: rec
  algorithm: SVTR
  Transform:
  Backbone:
    name: MobileNetV1Enhance
    scale: 0.5
    last_conv_stride: [1, 2]
    last_pool_type: avg
  Neck:
    name: SequenceEncoder
    encoder_type: svtr
    dims: 64
    depth: 2
    hidden_dims: 120
    use_guide: False
  Head:
    name: CTCHead
    fc_decay: 0.00001
Loss:
  name: CTCLoss

Train:
  dataset:
  ......
    transforms:
    # 去除 RecConAug 增广
    # - RecConAug:
    #     prob: 0.5
    #     ext_data_num: 2
    #     image_shape: [48, 320, 3]
    #     max_text_length: *max_text_length
    - RecAug:
    # 修改 Encode 方式
    - CTCLabelEncode:
    - KeepKeys:
        keep_keys:
        - image
        - label
        - length
...

Eval:
  dataset:
  ...
    transforms:
    ...
    - CTCLabelEncode:
    - KeepKeys:
        keep_keys:
        - image
        - label
        - length
...

3.3 训练超参选择

与文本检测任务微调相同，在识别模型微调的时候，最重要的超参就是预训练模型路径pretrained_model, 学习率learning_rate与batch_size，部分默认配置文件如下所示。

Global:
  pretrained_model:  # 预训练模型路径
Optimizer:
  lr:
    name: Piecewise
    decay_epochs : [700, 800]
    values : [0.001, 0.0001]  # 学习率
    warmup_epoch: 5
  regularizer:
    name: 'L2'
    factor: 0

Train:
  dataset:
    name: SimpleDataSet
    data_dir: ./train_data/
    label_file_list:
    - ./train_data/train_list.txt
    ratio_list: [1.0] # 采样比例，默认值是[1.0]
  loader:
    shuffle: True
    drop_last: False
    batch_size_per_card: 128 # 单卡batch size
    num_workers: 8

上述配置文件中，首先需要将pretrained_model字段指定为3.2章节中解压得到的ch_PP-OCRv3_rec_train/best_accuracy.pdparams文件路径。

PaddleOCR提供的配置文件是在8卡训练（相当于总的batch size是8*128=1024）、且没有加载预训练模型情况下的配置文件，因此您的场景中，学习率与总的batch size需要对应线性调整，例如：

  • 如果您的场景中是单卡训练，单卡batch_size=128，则总的batch_size=128，在加载预训练模型的情况下，建议将学习率调整为[1e-4, 2e-5]左右（piecewise学习率策略，需设置2个值，下同）。
  • 如果您的场景中是单卡训练，因为显存限制，只能设置单卡batch_size=64，则总的batch_size=64，在加载预训练模型的情况下，建议将学习率调整为[5e-5, 1e-5]左右。

如果有通用真实场景数据加进来，建议每个epoch中，垂类场景数据与真实场景的数据量保持在1:1左右。

比如：您自己的垂类场景识别数据量为1W，数据标签文件为vertical.txt，收集到的通用场景识别数据量为10W，数据标签文件为general.txt，

那么，可以设置label_file_list和ratio_list参数如下所示。每个epoch中，vertical.txt中会进行全采样（采样比例为1.0），包含1W条数据；general.txt中会按照0.1的采样比例进行采样，包含10W*0.1=1W条数据，最终二者的比例为1:1。

Train:
  dataset:
    name: SimpleDataSet
    data_dir: ./train_data/
    label_file_list:
    - vertical.txt
    - general.txt
    ratio_list: [1.0, 0.1]

3.4 训练调优

训练过程并非一蹴而就的，完成一个阶段的训练评估后，建议收集分析当前模型在真实场景中的 badcase，有针对性的调整训练数据比例，或者进一步新增合成数据。通过多次迭代训练，不断优化模型效果。

如果在训练时修改了自定义字典，由于无法加载最后一层FC的参数，在迭代初期acc=0是正常的情况，不必担心，加载预训练模型依然可以加快模型收敛。