科学空间|Scientific Spaces

路径积分是量子力学的一种描述方法，源于物理学家费曼[5]，它是一种泛函积分，它已经成为现代量子理论的主流形式. 近年来，研究人员对它的兴趣愈发增加，尤其是它在量子领域以外的应用，出现了一些著作，如[7]. 但在国内了解路径积分的人并不多，很多量子物理专业的学生可能并没有听说过路径积分.

从数学角度来看，路径积分是求偏微分方程的Green函数的一种方法. 我们知道，在偏微分方程的研究中，如果能够求出对应的Green函数，那么对偏微分方程的研究会大有帮助，而通常情况下Green函数并不容易求解. 但构建路径积分只需要无穷小时刻的Green函数，因此形式和概念上都相当简单.

本章并没有新的内容，只是做了一个尝试：从随机游走问题出发，给出路径积分的一个简明而直接的介绍，展示了如何将抛物型的偏微分方程问题转化为路径积分形式.

从点的概率到路径的概率

在上一章对随机游走的研究中，我们得出从$x_0$出发，$t$时间后，走到$x_n$处的概率密度为
$$\frac{1}{\sqrt{2\pi \alpha T}}\exp\left(-\frac{(x_n-x_0)^2}{2\alpha t}\right).\tag{22}$$
这是某时刻某点到另一个时刻另一点的概率，在数学上，我们称之为扩散方程$(21)$的传播子，或者Green函数.

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逐层识别

当图像有效地进行分层后，我们就可以根据前面的假设，进一步设计相应的模型，通过逐层处理的方式找出图像中的文字区域.

连通性

8邻接

可以看到，每一层的图像是由若干连通区域组成的，文字本身是由笔画较为密集组成的，因此往往文字也能够组成一个连通区域. 这里的连通定义为8邻接，即某个像素周围的8个像素都定义为邻接像素，邻接的像素则被定义为同一个连通区域.

定义了连通区域后，每个图层被分割为若干个连通区域，也就是说，我们逐步地将原始图像进行分解，如图9.

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作为OCR系统的第一步，特征提取是希望找出图像中候选的文字区域特征，以便我们在第二步进行文字定位和第三步进行识别. 在这部分内容中，我们集中精力模仿肉眼对图像与汉字的处理过程，在图像的处理和汉字的定位方面走了一条创新的道路. 这部分工作是整个OCR系统最核心的部分，也是我们工作中最核心的部分.

传统的文本分割思路大多数是“边缘检测 + 腐蚀膨胀 + 联通区域检测”，如论文[1]. 然而，在复杂背景的图像下进行边缘检测会导致背景部分的边缘过多(即噪音增加)，同时文字部分的边缘信息则容易被忽略，从而导致效果变差. 如果在此时进行腐蚀或膨胀，那么将会使得背景区域跟文字区域粘合，效果进一步恶化.（事实上，我们在这条路上已经走得足够远了，我们甚至自己写过边缘检测函数来做这个事情，经过很多测试，最终我们决定放弃这种思路。）

因此，在本文中，我们放弃了边缘检测和腐蚀膨胀，通过聚类、分割、去噪、池化等步骤，得到了比较良好的文字部分的特征，整个流程大致如图2，这些特征甚至可以直接输入到文字识别模型中进行识别，而不用做额外的处理.由于我们每一部分结果都有相应的理论基础作为支撑，因此能够模型的可靠性得到保证.

图2：特征提取大概流程

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经过第一部分，我们已经较好地提取了图像的文本特征，下面进行文字定位. 主要过程分两步：1、邻近搜索，目的是圈出单行文字；2、文本切割，目的是将单行文本切割为单字.

邻近搜索

我们可以对提取的特征图进行连通区域搜索，得到的每个连通区域视为一个汉字. 这对于大多数汉字来说是适用，但是对于一些比较简单的汉字却不适用，比如“小”、“旦”、“八”、“元”这些字，由于不具有连通性，所以就被分拆开了，如图13. 因此，我们需要通过邻近搜索算法，来整合可能成字的区域，得到单行的文本区域.

图13 直接搜索连通区域，会把诸如“元”之类的字分拆开

邻近搜索的目的是进行膨胀，以把可能成字的区域“粘合”起来. 如果不进行搜索就膨胀，那么膨胀是各个方向同时进行的，这样有可能把上下行都粘合起来了. 因此，我们只允许区域向单一的一个方向膨胀. 我们正是要通过搜索邻近区域来确定膨胀方向(上、下、左、右)：

邻近搜索* 从一个连通区域出发，可以找到该连通区域的水平外切矩形，将连通区域扩展到整个矩形. 当该区域与最邻近区域的距离小于一定范围时，考虑这个矩形的膨胀，膨胀的方向是最邻近区域的所在方向.

既然涉及到了邻近，那么就需要有距离的概念. 下面给出一个比较合理的距离的定义.

距离

图14 两个示例区域

如上图，通过左上角坐标$(x,y)$和右下角坐标$(z,w)$就可以确定一个矩形区域，这里的坐标是以左上角为原点来算的. 这个区域的中心是$\left(\frac{x+w}{2},\frac{y+z}{2}\right)$. 对于图中的两个区域$S$和$S'$，可以计算它们的中心向量差
$$(x_c,y_c)=\left(\frac{x'+w'}{2}-\frac{x+w}{2},\frac{y'+z'}{2}-\frac{y+z}{2}\right)\tag{10}$$
如果直接使用$\sqrt{x_c^2+y_c^2}$作为距离是不合理的，因为这里的邻近应该是按边界来算，而不是中心点. 因此，需要减去区域的长度：
$$(x'_c,y'_c)=\left(x_c-\frac{w-x}{2}-\frac{w'-x'}{2},y_c-\frac{z-y}{2}-\frac{z'-y'}{2}\right)\tag{11}$$
距离定义为
$$d(S,S')=\sqrt{[\max(x'_c,0)]^2+[\max(y'_c,0)]^2}\tag{12}$$
至于方向，由$(x_c,y_c)$的幅角进行判断即可.

然而，按照前面的“邻近搜索*”方法，容易把上下两行文字粘合起来，因此，基于我们的横向排版假设，更好的方法是只允许横向膨胀：

邻近搜索 从一个连通区域出发，可以找到该连通区域的水平外切矩形，将连通区域扩展到整个矩形. 当该区域与最邻近区域的距离小于一定范围时，考虑这个矩形的膨胀，膨胀的方向是最邻近区域的所在方向，当且仅当所在方向是水平的，才执行膨胀操作.

结果

有了距离之后，我们就可以计算每两个连通区域之间的距离，然后找出最邻近的区域. 我们将每个区域向它最邻近的区域所在的方向扩大4分之一，这样邻近的区域就有可能融合为一个新的区域，从而把碎片整合.

实验表明，邻近搜索的思路能够有效地整合文字碎片，结果如图15.

图15 通过邻近搜索后，圈出的文字区域

经过上一步，得到单行的文本区域之后，我们就可以想办法将单行的文本切割为单个的字符了. 因为第三步的模型师针对单个的字符建立的，因此这一步也是必须的.

均匀切割

基于方块汉字的假设，事实上最简单的切割方法是均匀切割，也就是说不加任何判断，直接按照高度来将单行文本切割为一个个的正方形图片. 这种思路可以应对大部分的单行文本，如下图上.

均匀切割成功

均匀切割失效

当然，均匀切割的弊端也是很明显的. 大多数汉字都是方块汉字，但多数英语和数字都不是，因此如果出现中英文混排的时候，均匀切割就失效了，如上图下.

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去年泰迪杯竞赛过后，笔者写了一篇简要介绍深度学习在情感分析中的应用的博文《文本情感分类（二）：深度学习模型》。虽然文章很粗糙，但还是得到了不少读者的反响，让我颇为意外。然而，那篇文章中在实现上有些不清楚的地方，这是因为：1、在那篇文章以后，keras已经做了比较大的改动，原来的代码不通用了；2、里边的代码可能经过我随手改动过，所以发出来的时候不是最适当的版本。因此，在近一年之后，我再重拾这个话题，并且完成一些之前没有完成的测试。

为什么要用深度学习模型？除了它更高精度等原因之外，还有一个重要原因，那就是它是目前唯一的能够实现“端到端”的模型。所谓“端到端”，就是能够直接将原始数据和标签输入，然后让模型自己完成一切过程——包括特征的提取、模型的学习。而回顾我们做中文情感分类的过程，一般都是“分词——词向量——句向量(LSTM)——分类”这么几个步骤。虽然很多时候这种模型已经达到了state of art的效果，但是有些疑问还是需要进一步测试解决的。对于中文来说，字才是最低粒度的文字单位，因此从“端到端”的角度来看，应该将直接将句子以字的方式进行输入，而不是先将句子分好词。那到底有没有分词的必要性呢？本文测试比较了字one hot、字向量、词向量三者之间的效果。

模型测试

本文测试了三个模型，或者说，是三套框架，具体代码在文末给出。这三套框架分别是：

1、one hot：以字为单位，不分词，将每个句子截断为200字（不够则补空字符串），然后将句子以“字-one hot”的矩阵形式输入到LSTM模型中进行学习分类；

2、one embedding：以字为单位，不分词，，将每个句子截断为200字（不够则补空字符串），然后将句子以“字-字向量(embedding)“的矩阵形式输入到LSTM模型中进行学习分类；

3、word embedding：以词为单位，分词，，将每个句子截断为100词（不够则补空字符串），然后将句子以“词-词向量(embedding)”的矩阵形式输入到LSTM模型中进行学习分类。

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文件说明：

1. image.py——图像处理函数，主要是特征提取；

2. model_training.py——训练CNN单字识别模型（需要较高性能的服务器，最好有GPU加速，否则真是慢得要死）；

3. ocr.py——识别函数，包括单字分割、前面训练好的模型进行单字识别、动态规划提升效果；

4. main.py——主文件，用来调用1、3两个文件。

5、我们的模型中包含的字.txt(UTF-8编码)

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Python基本是我目前工作、计算、数据挖掘的唯一编程语言（除了符号计算用Mathematica外）。当然，基本的Python功能并不是很强大，但它胜在有巨量的第三方扩展库。在选用Python的第三方库时，我都会经过仔细考虑，希望能挑选出最简单的、最直观的一个（因为本人比较笨，太复杂用不了）。在数据处理方面，我用得最多的是Numpy和Pandas，这两个绝对称得上王者级别的库，当然不能不提的是Scipy，但我很少直接用它，一般会通过Pandas间接调用了；可视化方面不用说是Matplotlib了；在建模方面，我会用Keras，直接上深度学习模型，Keras已经成为相当流行的深度学习框架了，如果做文本挖掘，通常还会用到jieba（分词）、Gensim（主题建模，包含了诸如word2vec之类的模型），机器学习库还有流行的Scikit Learn，但我很少用；网络方面，写爬虫我用requests，这是个人性化的网络库，如果写网站，我会用bottle，这是个单文件版的迷你框架，一切由自己定义，当然，我也不会去写什么大型网站，我就写一个简单的的接口那样而已；最后如果要并行的话，一般直接用multiprocessing。

不过，以上都不是本文要推荐的，本文要推荐的是两个可以渗透到日常写代码的库，它实现了我们平时很多时候都需要的功能，但是不用增加什么代码，绝对让人眼前一亮。

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