CN112131834B - 一种西波字体生成和识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及图像处理技术领域，且公开了一种西波字体生成和识别方法，包括以下步骤：A1、西波字体生成，西波字体的生成包括以下步骤：S1、生成器的输入；S2、生成器的数据流，数据逐块流过，每一个块的数据流方式为：对输入noise_style和noise进行spatially‑adaptive normalization(SPADE)操作，然后把SPADE的数据流与noise_image进行融合，接下来，对融合结果进行relu激活；S3、判别器的输入，喂给判别器的图像都是处理成256x256的单字RGB图像。本发明实现了较少西波字体数据集下的字体生成。本发明是基于字体图像的生成方法，通过训练阶段喂给判别器手写毛笔汉字，提取字体的笔画特征。相对于基于字体笔迹的生成方法，节省了计算机的计算开销。

Description

一种西波字体生成和识别方法
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，具体为一种西波字体生成和识别方法。
背景技术
西波文字受时间洗礼和传承方式的限制，现存该文字数量较少、风格单一。在使用神经网络模型处理该文字时，模型受到很大的限制。对于这个问题，生成西波字体是一种有效的技术手段，它通过计算机学习采集到的某个人书写笔迹，生成具有该人书写风格的西波文字。对于常见的文字生成方法，根据应用场景的不同，大致可以分为两类。一类是基于字体笔迹的生成方法，另一类是基于字体(扫描、拍照)图像的生成方法。
对于基于字体笔迹的生成方法来说，应用场景多是让机械臂帮人们处理手写任务，比如：代替个人写亲笔信、帮助文员做手写文案工作等。在这类方法中，首先要获取字体具体的笔迹，接着，就要考虑笔迹的数据属性：是连续性数据还是离散型数据？并依据笔迹的数据类型，给出空间表示。Lian等人在文献“Lian,Zhouhui and Jianguo Xiao.“Automatic shape morphing for Chinese characters.”SA'12(2012).”中提出一种基于笔迹自动实现不同风格汉字生成的模型，建立了单个字不同风格之间的准确对应关系。但是对应点查找步骤太过复杂，增加了计算开销。
对于基于字体图像的生成方法来说，在应用场景上，以生成新的字体为目标，可以仅依赖文字的图像完成。Chang等人在文献“Chang,Bo,Qiong Zhang,Shenyi Pan and LiliMeng.“Generating Handwritten Chinese Characters Using CycleGAN”2018IEEEWinter Conference on Applications of Computer Vision(WACV)(2018):199-207.”中用cycleGAN模型对未配对的手写汉字进行个性化风格生成。该方法易于提取文字风格且可以一次性生成整张图片。但是，这类方法存在的缺陷是对手写文字到的笔画信息(字体笔画的书写规律、先后顺序)会丢失。github账号名为kaonashi-tyc的用户，在https://github.com/kaonashi-tyc/zi2zi上给出“zi2zi”的基于字体图像的文字生成模型。该模型在字体的生成结果上取得了很大的进展。然而，模型需要大量的字体数据集。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种西波字体生成和识别方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种西波字体生成和识别方法，包括以下步骤：
A1、西波字体生成，西波字体的生成包括以下步骤：
S1、生成器的输入；
S2、生成器的数据流，数据逐块流过，每一个块的数据流方式为：对输入noise_style和noise进行spatially-adaptive normalization(SPADE)操作，然后把SPADE的数据流与noise_image进行融合，接下来，对融合结果进行relu激活；
S3、判别器的输入，喂给判别器的图像都是处理成256x256的单字RGB图像；
A2、西波字体识别，西波字体识别包括以下步骤：
B1、首先进行样本类别绑定，数据集为D＝{dt}＝{(xt,yt)}，yt既是目标类别标签，又以时间偏移的方式与xt一起输入，也就是说，模型输入序列为(x1,0),(x2,y1)…(xt,yt-1)；
B2、定义余弦相似性度量，给定一些输入xt，控制器LSTM产生一个密钥gt，然后存储在外部记忆单元Rt的空位置，或用于已存储过的外部记忆单元中查询特定的外部记忆i,即Rt(i)，当查询外部记忆单元Rt时，使用余弦相似性度量来寻址向量mt，
B3、生成读取向量，读取权重向量Vt r根据softmax计算：
读取向量mt可定义为外部记忆向量Rt(i)的凸组合：
mt←∑iVt r(i)Rt(i) (3)
B4、进行外部记忆的更新，在t时刻，使用权重Vt u通过减少先前使用权重和添加当前读取权重Vt r、写入权重Vt w进行更新，
γ是衰减参数，并且计算Vt r，然后，使用Vt u计算特定时间步长的最小使用权重Vt lu，首先，我们引入符号W(V,n)来表示向量v的最小元素，Vt lu由下面公式计算：
其中n为对外部记忆的读取次数，写入权重Vt w为先前读取权重和先前最少使用权重/>的凸组合：
这里，δ(α)是S形函数，α是在权重之间进行插值的标量门参数，在记忆写入前，由计算最少使用的内存位置，并设置为零，然后计算写入权重Vt w，将信息存储在外部记忆单元中：
优选的，S1中包括以下步骤：
K1、控制特征的noise_style，在正态分布中采样获得，并经过归一化和两层的全连接操作后，再喂给生成器；
K2、控制笔迹细节的noise_image，从均匀分布中采样获得，并经一层卷积操作后，再喂给生成器；
K3、生成器的内容输入noise，给的是一个一维常数。
优选的，S3中判别器输入分为训练阶段和测试阶段，训练阶段，判别器喂进来的图像是手写毛笔汉字；测试阶段，判别器喂进来的是我们采集到的手写西波文字。
优选的，B1中对于MANN模型，标签需进行混洗，混洗是将任务数据集D＝{dt}＝{(xt,yt)}的表现形式重新绑定为D1＝{dt}＝{(xt,yt-1)}的表现形式。
优选的，样本类别绑定后，将样本数据信息保存在外部记忆单元中。
优选的，B4中信息可以存储在归零存储器或先前使用的存储器中；如果是后者，则最少使用记忆被新信息代替。
本发明提供了一种西波字体生成和识别方法。具备以下有益效果：
1.实现了较少西波字体数据集下的字体生成。本发明是基于字体图像的生成方法，通过训练阶段喂给判别器手写毛笔汉字，提取字体的笔画特征。相对于基于字体笔迹的生成方法，节省了计算机的计算开销。
2.非成对西波字体生成。本发明精心构造生成器，使得整个模型的输入是一维常量和字体图像。
3.字体特征纠缠减少。喂给生成器的noise_style经过信息的提取，得到特征解缠，并控制笔画的生成。
4.记忆网络对样本少的西波文识别精度理想。
5.记忆网络训练时间相对深度学习较少，学习速度更快。
6.记忆网络扩大了深度学习神经网络的内存空间。
附图说明
图1为本发明西波字体生成流程图；
图2为本发明西波字体识别原理图；
图3为本发明西波字体进行样本类别绑定原理图；
图4为本发明记忆增强网络结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-4所示，本发明提供一种技术方案：一种西波字体生成和识别方法，包括以下步骤：
A1、西波字体生成，西波字体的生成包括以下步骤：
S1、生成器的输入；
S1中包括以下步骤：
K1、控制特征的noise_style，在正态分布中采样获得，并经过归一化和两层的全连接操作后，再喂给生成器；
K2、控制笔迹细节的noise_image，从均匀分布中采样获得，并经一层卷积操作后，再喂给生成器；
K3、生成器的内容输入noise，给的是一个一维常数。
S2、生成器的数据流，数据逐块流过，每一个块的数据流方式为：对输入noise_style和noise进行spatially-adaptive normalization(SPADE)操作，然后把SPADE的数据流与noise_image进行融合，接下来，对融合结果进行relu激活；
S3、判别器的输入，喂给判别器的图像都是处理成256x256的单字RGB图像；S3中判别器输入分为训练阶段和测试阶段，训练阶段，判别器喂进来的图像是手写毛笔汉字；测试阶段，判别器喂进来的是我们采集到的手写西波文字。
A2、西波字体识别，西波字体识别包括以下步骤：
B1、首先进行样本类别绑定，数据集为D＝{dt}＝{(xt,yt)}，yt既是目标类别标签，又以时间偏移的方式与xt一起输入，也就是说，模型输入序列为(x1,0),(x2,y1)…(xt,yt-1)；B1中对于MANN模型，标签需进行混洗，混洗是将任务数据集D＝{dt}＝{(xt,yt)}的表现形式重新绑定为D1＝{dt}＝{(xt,yt-1)}的表现形式，它可以防止网络在权重上缓慢学习并进行样本类别绑定，样本类别绑定后，将样本数据信息保存在外部记忆单元中。
B2、定义余弦相似性度量，给定一些输入xt，控制器LSTM产生一个密钥gt，然后存储在外部记忆单元Rt的空位置，或用于已存储过的外部记忆单元中查询特定的外部记忆i,即Rt(i)，当查询外部记忆单元Rt时，使用余弦相似性度量来寻址向量mt，
B3、生成读取向量，读取权重向量Vt r根据softmax计算：
读取向量mt可定义为外部记忆向量Rt(i)的凸组合：
B4、进行外部记忆的更新，在t时刻，使用权重Vt u通过减少先前使用权重和添加当前读取权重Vt r、写入权重Vt w进行更新，
γ是衰减参数，并且计算Vt r，然后，使用Vt u计算特定时间步长的最小使用权重Vt lu，首先，我们引入符号W(V,n)来表示向量v的最小元素，Vt lu由下面公式计算：
其中n为对外部记忆的读取次数，写入权重Vt w为先前读取权重和先前最少使用权重/>的凸组合：
这里，δ(α)是S形函数，α是在权重之间进行插值的标量门参数，在记忆写入前，由计算最少使用的内存位置，并设置为零，然后计算写入权重Vt w，将信息存储在外部记忆单元中：
Rt(i)←Rt-1(i)+Vt w(i)gt (7)。
B4中信息可以存储在归零存储器或先前使用的存储器中；如果是后者，则最少使用记忆被新信息代替。
深度学习和元学习方法对比结果如表1所示：
表1
表1说明，LSTM模型，CNN模型对小样本的西波手写文字数据集识别精度最高达到36％，并花费大量时间进行训练。由于深度学习对识别任务需要大量的数据进行广泛迭代训练，才能达到理想的效果。因此，在小样本的西波手写文字识别任务中，深度学习并不是一个理想的选择。相反，元学习对小样本的西波手写文字识别效果比较理想。MANN模型只需深度学习一半的训练时间，识别精度就可提高到79％。
在使用时，LSTM做控制器，最近最少使用访问--LRUA模块做外部记忆。控制器LSTM将学习得到的内容通过读写头与外部记忆进行交互。LSTM学习得到的内容通过读写头存储在外部记忆中，并产生相关密钥gt。LSTM进行新的学习时，通过密钥gt查询、遗忘门ft决定是否从外部记忆读取学习。当LRUA查询到相关内容时，遗忘门ft关闭，直接读取外部记忆内容进行学习，若没有查询到相关内容，则遗忘门ft打开，将LSTM学习到的内容存储在外部记忆。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种西波字体生成和识别方法，其特征在于：包括以下步骤：
A1、西波字体生成，西波字体的生成包括以下步骤：
S1、生成器的输入；
S2、生成器的数据流，数据逐块流过，每一个块的数据流方式为：对输入noise_style和noise进行spatially-adaptive normalization(SPADE)操作，然后把SPADE的数据流与noise_image进行融合，接下来，对融合结果进行relu激活；
S3、判别器的输入，喂给判别器的图像都是处理成256x256的单字RGB图像；
A2、西波字体识别，西波字体识别包括以下步骤：
B1、首先进行样本类别绑定，数据集为D＝{dt}＝{(xt,yt)}，yt既是目标类别标签，又以时间偏移的方式与xt一起输入，也就是说，模型输入序列为(x1,0),(x2,y1)…(xt,yt-1)；
B2、定义余弦相似性度量，给定一些输入xt，控制器LSTM产生一个密钥gt，然后存储在外部记忆单元Rt的空位置，或用于已存储过的外部记忆单元中查询特定的外部记忆i,即Rt(i)，当查询外部记忆单元Rt时，使用余弦相似性度量来寻址向量mt，
B3、生成读取向量，读取权重向量Vt r根据softmax计算：
读取向量mt可定义为外部记忆向量Rt(i)的凸组合：
mt←∑iVt r(i)Rt(i) (3)
B4、进行外部记忆的更新，在t时刻，使用权重Vt u通过减少先前使用权重和添加当前读取权重Vt r、写入权重Vt w进行更新，
γ是衰减参数，并且计算Vt r，然后，使用Vt u计算特定时间步长的最小使用权重Vt lu，首先，我们引入符号W(V,n)来表示向量v的最小元素，Vt lu由下面公式计算：
其中n为对外部记忆的读取次数，写入权重Vt w为先前读取权重和先前最少使用权重的凸组合：
这里，δ(α)是S形函数，α是在权重之间进行插值的标量门参数，在记忆写入前，由计算最少使用的内存位置，并设置为零，然后计算写入权重Vt w，将信息存储在外部记忆单元中：
Rt(i)←Rt-1(i)+Vt w(i)gt (7)。
2.根据权利要求1所述的一种西波字体生成和识别方法，其特征在于：
S1中包括以下步骤：
K1、控制特征的noise_style，在正态分布中采样获得，并经过归一化和两层的全连接操作后，再喂给生成器；
K2、控制笔迹细节的noise_image，从均匀分布中采样获得，并经一层卷积操作后，再喂给生成器；
K3、生成器的内容输入noise，给的是一个一维常数。
3.根据权利要求1所述的一种西波字体生成和识别方法，其特征在于：S3中判别器输入分为训练阶段和测试阶段，训练阶段，判别器喂进来的图像是手写毛笔汉字；测试阶段，判别器喂进来的是我们采集到的手写西波文字。
4.根据权利要求1所述的一种西波字体生成和识别方法，其特征在于：B1中对于MANN模型，标签需进行混洗，混洗是将任务数据集D＝{dt}＝{(xt,yt)}的表现形式重新绑定为D1＝{dt}＝{(xt,yt-1)}的表现形式。
5.根据权利要求4所述的一种西波字体生成和识别方法，其特征在于：样本类别绑定后，将样本数据信息保存在外部记忆单元中。
6.根据权利要求1所述的一种西波字体生成和识别方法，其特征在于：B4中信息可以存储在归零存储器或先前使用的存储器中；如果是后者，则最少使用记忆被新信息代替。
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