在树莓派上用谷歌Tesseract和Arm NN创造一个文本转语言的工具_专栏

导言

在本文中，我们将讲解一种基于Raspberry PI（树莓派，一种微计算机系统）的Tesseract和ARM NN文本转语音解决方案。

我们将主要使用现成的组件和模型，但将侧重于理解将模型从TensorFlow转换为ARM NN的过程，例如选择一个与ARM NN工作良好的模型。

我们还将介绍一些创建ARM NN驱动的方案。

文本转语音(TTS)工具，旨在创建基于嵌入式设备的人与机器之间的自然交互。例如，嵌入式设备可以帮助视力受损的人阅读标识、字母和文档。更具体地说，设备可以使用光学字符识别来让用户知道它在图像中看到了什么。

TTS应用程序已经在桌面计算机上很常见了，并且在大多数现代智能手机和移动设备中很常见。可以在系统的可访问性工具中找到这些应用程序，比如屏幕阅读器、自定义警报等。

通常情况下，这些系统从某种机器可读的文本开始。如果您没有现有的文档、浏览器或应用程序文本源怎么办？光学字符识别(OCR)软件可以将扫描图像转换为文本，但在TTS应用程序中，这些是符号活着单个字符。OCR软件本身只关心准确地返回数字和字母。

为了实现准确的实时文本检测，将字形集合识别为可以说话的单词，我们可以求助于深入学习人工智能技术。在这种情况下，我们可以使用递归神经网络(Rnn)识别OCR捕获文本中的单词。如果我们能在嵌入式设备上做到这一点，甚至比智能手机都更轻、更便携呢？

这种轻量级的、功能强大的tts设备可以帮助视力受损的人，还可以嵌入用于识字或故事时间应用的防儿童设备，等等。

在本文中，我将向您展示如何使用TensorFlow、OpenCV、Festival和Raspberry PI来实现这一功能。我将使用TensorFlow机器学习平台和一个预先培训的Keras-OCR模型来执行OCR。OpenCV将用于从网络摄像机中获取图像。最后，将语音合成系统作为TTS模块。然后，所有的东西都将被组合起来，为Raspberry PI构建Python应用程序。

在此过程中，我将告诉您典型的OCR模型是如何工作的，以及如何使用TensorFlow Lite进一步优化解决方案，TensorFlow Lite是一组工具，用于在受约束的环境(如嵌入式和物联网设备)上运行优化的TensorFlow模型。

开始

首先，要为本教程创建设备和应用程序，您将需要一个Raspberry PI。版本2、3或4都适用于此示例。您还可以使用您的开发PC(我们用Python3.7测试了代码)。

您需要安装两个软件包：TensorFlow(2.1.0)和keras_OCR(0.7.1)。以下是一些链接：

基于递归神经网络的OCR

在这里，我使用的是角化OCR用于识别图像中文本的包。此软件包基于TensorFlow和卷积神经网络，最初在Keras网站上作为OCR实例。

网络体系结构可分为三个重要步骤。第一个是输入图像，然后使用几个卷积层提取特征。这些层水平地划分输入图像。对于每个分区，这些层确定图像列特征集。在第二步中，由递归层使用列特征序列。

这个递归神经网络(Recurrent_neural_network，RNN)通常由长期短期记忆(LTSM)层。LTSM革新了许多人工智能应用，包括语音识别、图像字幕和时间序列分析，OCR模型使用RNNS创建所谓的字符概率矩阵，此矩阵指定在输入图像的特定分区中找到给定字符的可信度。

因此，最后一步使用此矩阵从图像中解码文本。通常，可以使用连接性时间分类(Ctc)算法。这种转换不是一项简单的任务，因为可以在相邻的图像分区中找到相同的字符。另外，一些输入分区可能没有任何字符。

尽管基于RNN的OCR系统是有效的，但是当尝试在项目中采用它时，您可以发现许多个问题。理想情况下，您可能希望执行转换，学习如何根据数据调整模型。然后将模型转换为TensorFlow Lite格式，以便为边缘设备上的推理进行优化。这种方法在移动计算机视觉应用中是成功的。例如，许多MobileNet预先培训的网络在移动设备和物联网设备上进行有效的图像分类。

但是，TensorFlow Lite是TensorFlow的一个子集，因此目前并不支持所有的操作。当您想要执行OCR时，这种不兼容性就成了一个问题，就像在物联网设备上的keras-OCR包中包含的那样。

在本文中，我将展示如何使用TensorFlow模型，因为TensorFlow Lite还不支持双向LSTM层(用于Keras-OCR)。

预训练OCR模型

首先，我编写了一个测试脚本，tu.py，它展示了如何使用keras-ocr中的神经网络模型：

# Imports
import keras_ocr
import helpers

# Prepare OCR recognizer
recognizer = keras_ocr.recognition.Recognizer()

# Load images and their labels
dataset_folder = 'Dataset'
image_file_filter = '*.jpg'

images_with_labels = helpers.load_images_from_folder(
    dataset_folder, image_file_filter)

# Perform OCR recognition on the input images
predicted_labels = []
for image_with_label in images_with_labels:
    predicted_labels.append(recognizer.recognize(image_with_label[0]))

# Display results
rows = 4
cols = 2
font_size = 14
helpers.plot_results(images_with_labels, predicted_labels, rows, cols, font_size)

此脚本从keras_格拉希识别模块实例化Recognizer对象。然后，脚本从附带的测试数据集(DataSet文件夹)加载图像及其标签。此数据集包含了合成词集(Synth 90k)，然后从脚本在数据集中的每一幅图像上运行OCR识别，然后显示预测结果。

为了加载图像及其标签，我使用了我在Helpers模块中实现的LOAD_TOMES_FROM_FILDER函数。此方法需要两个参数：带图像的文件夹的路径和过滤器。在这里，我假设图像位于DataSet子文件夹下，并以jpeg格式读取所有图像(.jpg扩展)。

在Synth90k数据集中，每个图像文件名都包含其下划线之间的标签。例如：199_pulpiest_61190.jpg。因此，要获得图像标签，LOAD_RAMES_FROM_FILDER函数将文件名拆分为下划线，然后接受得到的字符串集合的第一个元素。另外，请注意LOAD_HOMES_FROM_FILDER函数返回一个元组数组。数组的每个元素都包含图像和相应的标签。因此，我只将这个元组的第一个元素传递给OCR引擎。

要执行识别，我使用Recognizer对象的识别方法。此方法返回预测的标签。我将后者存储在“预测的标签”集合中。

最后，我将预测的标签、图像和原始标签的集合传递给另一个助手函数，它在大小行x列的矩形网格中显示图像。您可以通过修改相应的变量来更改网格外观。

照相机

在测试了OCR模型之后，我实现了相机类。该类使用OpenCV的keras-OCR模块。OpenCV提供了一个方便的编程接口来访问相机，显示图片。首先初始化VideoCapture对象，然后调用其读取方法从摄像机获取图像：

import cv2 as opencv

class camera(object):
    def __init__(self):
        # Initialize the camera capture
        self.camera_capture = opencv.VideoCapture(0)

    def capture_frame(self, ignore_first_frame):
        # Get frame, ignore the first one if needed
        if(ignore_first_frame):
            self.camera_capture.read()

        (capture_status, current_camera_frame) = self.camera_capture.read()

        # Verify capture status
        if(capture_status):
            return current_camera_frame

        else:
            # Print error to the console
            print('Capture error')

在这段代码中，我在摄像机类的初始化器中创建了VideoCapture。我将值0传递给VideoCapture指向默认系统的摄像机。然后，我将生成的对象存储在照相机类的Camera_Capture字段中。

为了从摄像机中获取图像，我实现了Capture_Frame方法。它有一个额外的参数，ignore_first_frame。当这个参数是True，引用camera_capture.read两次，但我忽略了第一次调用的结果。这个操作的基本原理是，由我的相机返回的第一帧通常是空白的。

对Read方法的第二次调用将给出捕获状态和帧。如果capture_status是True，获取摄像机框。否则，打印“捕获错误”字符串。

文本到言语

应用程序的最后一个元素是TTS模块。我决定在这里使用Festival，因为它可以离线工作。

要在Raspberry PI上安装节日，请调用以下命令：

sudo apt-get install festival -y

您可以通过键入：

echo "Hello, Arm" | Festival –tts

你的树莓派应该说“Hello, Arm”

节日提供了一个API。然而，为了保持简单，我决定通过命令行来界面Festival。为此，我用另一种方法扩展了Helpers模块：

def say_text(text):
    os.system('echo ' + text + ' | festival --tts')

把东西放在一起

最后，我们可以把所有的东西放在一起。我是在Main.py:

import keras_ocr
import camera as cam
import helpers

if __name__ == "__main__":
    # Prepare recognizer
    recognizer = keras_ocr.recognition.Recognizer()

    # Get image from the camera
    camera = cam.camera()

    # Ignore the first frame, which is typically blank on my machine
    image = camera.capture_frame(True)

    # Perform recognition
    label = recognizer.recognize(image)

    # Perform TTS (speak label)
    helpers.say_text('The recognition result is: ' + label)

首先，我创建了OCR识别器。然后，我创建相机对象并从默认的摄像头读取帧。该图像被传递给识别器的识别方法，并通过TTS助手发出结果标签。