El procesamiento del lenguaje natural es un área de aplicación de la inteligencia artificial, en particular, del reconocimiento de formas que estudia, entre otras cosas, incorporar información sintáctica (modelo de lenguaje) sobre cómo deben juntarse las palabras de una determinada lengua, para así permitir a los sistemas de reconocimiento/traducción decidir cual es la mejor hipótesis �con sentido común�. Es un área muy amplia, y este trabajo se centra únicamente en la parte relacionada con el modelado de lenguaje y su aplicación a diversas tareas: reconocimiento de secuencias mediante modelos ocultos de Markov y traducción automática estadística. Concretamente, esta tesis tiene su foco central en los denominados modelos conexionistas de lenguaje, esto es, modelos de lenguaje basados en redes neuronales. Los buenos resultados de estos modelos en diversas áreas del procesamiento del lenguaje natural han motivado el desarrollo de este estudio. Debido a determinados problemas computacionales que adolecen los modelos conexionistas de lenguaje, los sistemas que aparecen en la literatura se construyen en dos etapas totalmente desacopladas. En la primera fase se encuentra, a través de un modelo de lenguaje estándar, un conjunto de hipótesis factibles, asumiendo que dicho conjunto es representativo del espacio de búsqueda en el cual se encuentra la mejor hipótesis. En segundo lugar, sobre dicho conjunto, se aplica el modelo conexionista de lenguaje y se extrae la hipótesis con mejor puntuación. A este procedimiento se le denomina �rescoring�. Este escenario motiva los objetivos principales de esta tesis: � Proponer alguna técnica que pueda reducir drásticamente dicho coste computacional degradando lo mínimo posible la calidad de la solución encontrada. � Estudiar el efecto que tiene la integración de los modelos conexionistas de lenguaje en el proceso de búsqueda de las tareas propuestas. � Proponer algunas modificaciones del modelo original que permitan mejorar su calidad / Zamora Martínez, FJ. (2012). Aportaciones al modelado conexionista de lenguaje y su aplicación al reconocimiento de secuencias y traducción automática [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/18066

[EN] Handwritten Text Segmentation (HTS) is a task within the Document Layout Analysis field that aims to detect and extract the different page regions of interest found in handwritten documents. HTS remains an active topic, that has gained importance with the years, due to the increasing demand to provide textual access to the myriads of handwritten document collections held by archives and libraries. This thesis considers HTS as a task that must be tackled in two specialized phases: detection and extraction. We see the detection phase fundamentally as a recognition problem that yields the vertical positions of each region of interest as a by-product. The extraction phase consists in calculating the best contour coordinates of the region using the position information provided by the detection phase. Our proposed detection approach allows us to attack both higher level regions: paragraphs, diagrams, etc., and lower level regions like text lines. In the case of text line detection we model the problem to ensure that the system's yielded vertical position approximates the fictitious line that connects the lower part of the grapheme bodies in a text line, commonly known as the baseline. One of the main contributions of this thesis, is that the proposed modelling approach allows us to include prior information regarding the layout of the documents being processed. This is performed via a Vertical Layout Model (VLM). We develop a Hidden Markov Model (HMM) based framework to tackle both region detection and classification as an integrated task and study the performance and ease of use of the proposed approach in many corpora. We review the modelling simplicity of our approach to process regions at different levels of information: text lines, paragraphs, titles, etc. We study the impact of adding deterministic and/or probabilistic prior information and restrictions via the VLM that our approach provides. Having a separate phase that accurately yields the detection position (base- lines in the case of text lines) of each region greatly simplifies the problem that must be tackled during the extraction phase. In this thesis we propose to use a distance map that takes into consideration the grey-scale information in the image. This allows us to yield extraction frontiers which are equidistant to the adjacent text regions. We study how our approach escalates its accuracy proportionally to the quality of the provided detection vertical position. Our extraction approach gives near perfect results when human reviewed baselines are provided. / [ES] La Segmentación de Texto Manuscrito (STM) es una tarea dentro del campo de investigación de Análisis de Estructura de Documentos (AED) que tiene como objetivo detectar y extraer las diferentes regiones de interés de las páginas que se encuentran en documentos manuscritos. La STM es un tema de investigación activo que ha ganado importancia con los años debido a la creciente demanda de proporcionar acceso textual a las miles de colecciones de documentos manuscritos que se conservan en archivos y bibliotecas. Esta tesis entiende la STM como una tarea que debe ser abordada en dos fases especializadas: detección y extracción. Consideramos que la fase de detección es, fundamentalmente, un problema de clasificación cuyo subproducto son las posiciones verticales de cada región de interés. Por su parte, la fase de extracción consiste en calcular las mejores coordenadas de contorno de la región utilizando la información de posición proporcionada por la fase de detección. Nuestro enfoque de detección nos permite atacar tanto regiones de alto nivel (párrafos, diagramas¿) como regiones de nivel bajo (líneas de texto principalmente). En el caso de la detección de líneas de texto, modelamos el problema para asegurar que la posición vertical estimada por el sistema se aproxime a la línea ficticia que conecta la parte inferior de los cuerpos de los grafemas en una línea de texto, comúnmente conocida como línea base. Una de las principales aportaciones de esta tesis es que el enfoque de modelización propuesto nos permite incluir información conocida a priori sobre la disposición de los documentos que se están procesando. Esto se realiza mediante un Modelo de Estructura Vertical (MEV). Desarrollamos un marco de trabajo basado en los Modelos Ocultos de Markov (MOM) para abordar tanto la detección de regiones como su clasificación de forma integrada, así como para estudiar el rendimiento y la facilidad de uso del enfoque propuesto en numerosos corpus. Así mismo, revisamos la simplicidad del modelado de nuestro enfoque para procesar regiones en diferentes niveles de información: líneas de texto, párrafos, títulos, etc. Finalmente, estudiamos el impacto de añadir información y restricciones previas deterministas o probabilistas a través de el MEV propuesto que nuestro enfoque proporciona. Disponer de un método independiente que obtiene con precisión la posición de cada región detectada (líneas base en el caso de las líneas de texto) simplifica enormemente el problema que debe abordarse durante la fase de extracción. En esta tesis proponemos utilizar un mapa de distancias que tiene en cuenta la información de escala de grises de la imagen. Esto nos permite obtener fronteras de extracción que son equidistantes a las regiones de texto adyacentes. Estudiamos como nuestro enfoque aumenta su precisión de manera proporcional a la calidad de la detección y descubrimos que da resultados casi perfectos cuando se le proporcionan líneas de base revisadas por humanos. / [CA] La Segmentació de Text Manuscrit (STM) és una tasca dins del camp d'investigació d'Anàlisi d'Estructura de Documents (AED) que té com a objectiu detectar I extraure les diferents regions d'interès de les pàgines que es troben en documents manuscrits. La STM és un tema d'investigació actiu que ha guanyat importància amb els anys a causa de la creixent demanda per proporcionar accés textual als milers de col·leccions de documents manuscrits que es conserven en arxius i biblioteques. Aquesta tesi entén la STM com una tasca que ha de ser abordada en dues fases especialitzades: detecció i extracció. Considerem que la fase de detecció és, fonamentalment, un problema de classificació el subproducte de la qual són les posicions verticals de cada regió d'interès. Per la seva part, la fase d'extracció consisteix a calcular les millors coordenades de contorn de la regió utilitzant la informació de posició proporcionada per la fase de detecció. El nostre enfocament de detecció ens permet atacar tant regions d'alt nivell (paràgrafs, diagrames ...) com regions de nivell baix (línies de text principalment). En el cas de la detecció de línies de text, modelem el problema per a assegurar que la posició vertical estimada pel sistema s'aproximi a la línia fictícia que connecta la part inferior dels cossos dels grafemes en una línia de text, comunament coneguda com a línia base. Una de les principals aportacions d'aquesta tesi és que l'enfocament de modelització proposat ens permet incloure informació coneguda a priori sobre la disposició dels documents que s'estan processant. Això es realitza mitjançant un Model d'Estructura Vertical (MEV). Desenvolupem un marc de treball basat en els Models Ocults de Markov (MOM) per a abordar tant la detecció de regions com la seva classificació de forma integrada, així com per a estudiar el rendiment i la facilitat d'ús de l'enfocament proposat en nombrosos corpus. Així mateix, revisem la simplicitat del modelatge del nostre enfocament per a processar regions en diferents nivells d'informació: línies de text, paràgrafs, títols, etc. Finalment, estudiem l'impacte d'afegir informació i restriccions prèvies deterministes o probabilistes a través del MEV que el nostre mètode proporciona. Disposar d'un mètode independent que obté amb precisió la posició de cada regió detectada (línies base en el cas de les línies de text) simplifica enormement el problema que ha d'abordar-se durant la fase d'extracció. En aquesta tesi proposem utilitzar un mapa de distàncies que té en compte la informació d'escala de grisos de la imatge. Això ens permet obtenir fronteres d'extracció que són equidistants de les regions de text adjacents. Estudiem com el nostre enfocament augmenta la seva precisió de manera proporcional a la qualitat de la detecció i descobrim que dona resultats quasi perfectes quan se li proporcionen línies de base revisades per humans. / Bosch Campos, V. (2020). Advances in Document Layout Analysis [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/138397

This work deals with the creation of a system that allows uploading and annotating scans of historical documents and subsequent active learning of models for character recognition (OCR) on available annotations (marked lines and their transcripts). The work describes the process, classifies the techniques and presents an existing system for character recognition. Above all, emphasis is placed on machine learning methods. Furthermore, the methods of active learning are explained and a method of active learning of available OCR models from annotated scans is proposed. The rest of the work deals with a system design, implementation, available datasets, evaluation of self-created OCR model and testing of the entire system.

Dysgraphia is a rather widespread learning disorder in the current society. It is well established that an early diagnosis of this writing disorder can lead to improvement in writing skills. However, as of today, although there is no comprehensive standard process for the evaluation of dysgraphia, most of the tests used for this purpose must be done at a physician’s office. On the other hand, the pandemic triggered by COVID-19 has forced people to stay at home and opened the door to the development of online medical consultations. The present study therefore aims to propose an automated pipeline to provide pre-clinical diagnosis of dysgraphia. In particular, it investigates the possibility of applying deep learning techniques to the most widely used test for assessing writing difficulties in Italy, the BVSCO-2. This test consists of several writing exercises to be performed by the child on paper under the supervision of a doctor. To test the hypothesis that it is possible to enable children to have their writing impairment recognized even at a distance, an innovative system has been developed. It leverages an already developed customized tablet application that captures the graphemes produced by the child and an artificial neural network that processes the images and recognizes the handwritten text. The experimental results were analyzed using different methods and were compared with the actual diagnosis that a doctor would have provided if the test had been carried out normally. It turned out that, despite a slight fixed bias introduced by the machine for some specific exercises, these results seemed very promising in terms of both handwritten text recognition and diagnosis of children with dysgraphia, thus giving a satisfactory answer to the proposed research question. / Dysgrafi är en ganska utbredd inlärningsstörning i dagens samhälle. Det är väl etablerat att en tidig diagnos av denna skrivstörning kan leda till en förbättring av skrivförmågan. Även om det i dag inte finns någon omfattande standardprocess för utvärdering av dysgrafi måste dock de flesta av de tester som används för detta ändamål göras på en läkarmottagning. Å andra sidan har den pandemi som utlöstes av COVID-19 tvingat människor att stanna hemma och öppnat dörren för utvecklingen av medicinska konsultationer online. Syftet med denna studie är därför att föreslå en automatiserad pipeline för att ge preklinisk diagnos av dysgrafi. I synnerhet undersöks möjligheten att tillämpa djupinlärningstekniker på det mest använda testet för att bedöma skrivsvårigheter i Italien, BVSCO-2. Testet består av flera skrivövningar som barnet ska utföra på papper under överinseende av en läkare. För att testa hypotesen att det är möjligt att göra det möjligt för barn att få sina skrivsvårigheter erkända även på distans har ett innovativt system utvecklats. Det utnyttjar en redan utvecklad skräddarsydd applikation för surfplattor som fångar de grafem som barnet producerar och ett artificiellt neuralt nätverk som bearbetar bilderna och känner igen den handskrivna texten. De experimentella resultaten analyserades med hjälp av olika metoder och jämfördes med den faktiska diagnos som en läkare skulle ha ställt om testet hade utförts normalt. Det visade sig att, trots en liten fast bias som maskinen införde för vissa specifika övningar, verkade dessa resultat mycket lovande när det gäller både igenkänning av handskriven text och diagnos av barn med dysgrafi, vilket gav ett tillfredsställande svar på den föreslagna forskningsfrågan.

[EN] This work is focused on problems (like automatic speech recognition (ASR) and handwritten text recognition (HTR)) that: 1) can be represented (at least approximately) in terms of one-dimensional sequences, and 2) solving these problems entails breaking the observed sequence down into segments which are associated to units taken from a finite repertoire. The required segmentation and classification tasks are so intrinsically interrelated ("Sayre's Paradox") that they have to be performed jointly. We have been inspired by what some works call the "successful trilogy", which refers to the synergistic improvements obtained when considering: - a good formalization framework and powerful algorithms; - a clever design and implementation taking the best profit of hardware; - an adequate preprocessing and a careful tuning of all heuristics. We describe and study "two stage generative models" (TSGMs) comprising two stacked probabilistic generative stages without reordering. This model not only includes Hidden Markov Models (HMMs, but also "segmental models" (SMs). "Two stage decoders" may be deduced by simply running a TSGM in reversed way, introducing non determinism when required: 1) A directed acyclic graph (DAG) is generated and 2) it is used together with a language model (LM). One-pass decoders constitute a particular case. A formalization of parsing and decoding in terms of semiring values and language equations proposes the use of recurrent transition networks (RTNs) as a normal form for Context Free Grammars (CFGs), using them in a parsing-as-composition paradigm, so that parsing CFGs result in a slight extension of regular ones. Novel transducer composition algorithms have been proposed that can work with RTNs and can deal with null transitions without resorting to filter-composition even in the presence of null transitions and non-idempotent semirings. A review of LMs is described and some contributions mainly focused on LM interfaces, LM representation and on the evaluation of Neural Network LMs (NNLMs) are provided. A review of SMs includes the combination of generative and discriminative segmental models and general scheme of frame emission and another one of SMs. Some fast cache-friendly specialized Viterbi lexicon decoders taking profit of particular HMM topologies are proposed. They are able to manage sets of active states without requiring dictionary look-ups (e.g. hashing). A dataflow architecture allowing the design of flexible and diverse recognition systems from a little repertoire of components has been proposed, including a novel DAG serialization protocol. DAG generators can take over-segmentation constraints into account, make use SMs other than HMMs, take profit of the specialized decoders proposed in this work and use a transducer model to control its behavior making it possible, for instance, to use context dependent units. Relating DAG decoders, they take profit of a general LM interface that can be extended to deal with RTNs. Some improvements for one pass decoders are proposed by combining the specialized lexicon decoders and the "bunch" extension of the LM interface, including an adequate parallelization. The experimental part is mainly focused on HTR tasks on different input modalities (offline, bimodal). We have proposed some novel preprocessing techniques for offline HTR which replace classical geometrical heuristics and make use of automatic learning techniques (neural networks). Experiments conducted on the IAM database using this new preprocessing and HMM hybridized with Multilayer Perceptrons (MLPs) have obtained some of the best results reported for this reference database. Among other HTR experiments described in this work, we have used over-segmentation information, tried lexicon free approaches, performed bimodal experiments and experimented with the combination of hybrid HMMs with holistic classifiers. / [ES] Este trabajo se centra en problemas (como reconocimiento automático del habla (ASR) o de escritura manuscrita (HTR)) que cumplen: 1) pueden representarse (quizás aproximadamente) en términos de secuencias unidimensionales, 2) su resolución implica descomponer la secuencia en segmentos que se pueden clasificar en un conjunto finito de unidades. Las tareas de segmentación y de clasificación necesarias están tan intrínsecamente interrelacionadas ("paradoja de Sayre") que deben realizarse conjuntamente. Nos hemos inspirado en lo que algunos autores denominan "La trilogía exitosa", refereido a la sinergia obtenida cuando se tiene: - un buen formalismo, que dé lugar a buenos algoritmos; - un diseño e implementación ingeniosos y eficientes, que saquen provecho de las características del hardware; - no descuidar el "saber hacer" de la tarea, un buen preproceso y el ajuste adecuado de los diversos parámetros. Describimos y estudiamos "modelos generativos en dos etapas" sin reordenamientos (TSGMs), que incluyen no sólo los modelos ocultos de Markov (HMM), sino también modelos segmentales (SMs). Se puede obtener un decodificador de "dos pasos" considerando a la inversa un TSGM introduciendo no determinismo: 1) se genera un grafo acíclico dirigido (DAG) y 2) se utiliza conjuntamente con un modelo de lenguaje (LM). El decodificador de "un paso" es un caso particular. Se formaliza el proceso de decodificación con ecuaciones de lenguajes y semianillos, se propone el uso de redes de transición recurrente (RTNs) como forma normal de gramáticas de contexto libre (CFGs) y se utiliza el paradigma de análisis por composición de manera que el análisis de CFGs resulta una extensión del análisis de FSA. Se proponen algoritmos de composición de transductores que permite el uso de RTNs y que no necesita recurrir a composición de filtros incluso en presencia de transiciones nulas y semianillos no idempotentes. Se propone una extensa revisión de LMs y algunas contribuciones relacionadas con su interfaz, con su representación y con la evaluación de LMs basados en redes neuronales (NNLMs). Se ha realizado una revisión de SMs que incluye SMs basados en combinación de modelos generativos y discriminativos, así como un esquema general de tipos de emisión de tramas y de SMs. Se proponen versiones especializadas del algoritmo de Viterbi para modelos de léxico y que manipulan estados activos sin recurrir a estructuras de tipo diccionario, sacando provecho de la caché. Se ha propuesto una arquitectura "dataflow" para obtener reconocedores a partir de un pequeño conjunto de piezas básicas con un protocolo de serialización de DAGs. Describimos generadores de DAGs que pueden tener en cuenta restricciones sobre la segmentación, utilizar modelos segmentales no limitados a HMMs, hacer uso de los decodificadores especializados propuestos en este trabajo y utilizar un transductor de control que permite el uso de unidades dependientes del contexto. Los decodificadores de DAGs hacen uso de un interfaz bastante general de LMs que ha sido extendido para permitir el uso de RTNs. Se proponen también mejoras para reconocedores "un paso" basados en algoritmos especializados para léxicos y en la interfaz de LMs en modo "bunch", así como su paralelización. La parte experimental está centrada en HTR en diversas modalidades de adquisición (offline, bimodal). Hemos propuesto técnicas novedosas para el preproceso de escritura que evita el uso de heurísticos geométricos. En su lugar, utiliza redes neuronales. Se ha probado con HMMs hibridados con redes neuronales consiguiendo, para la base de datos IAM, algunos de los mejores resultados publicados. También podemos mencionar el uso de información de sobre-segmentación, aproximaciones sin restricción de un léxico, experimentos con datos bimodales o la combinación de HMMs híbridos con reconocedores de tipo holístico. / [CA] Aquest treball es centra en problemes (com el reconeiximent automàtic de la parla (ASR) o de l'escriptura manuscrita (HTR)) on: 1) les dades es poden representar (almenys aproximadament) mitjançant seqüències unidimensionals, 2) cal descompondre la seqüència en segments que poden pertanyer a un nombre finit de tipus. Sovint, ambdues tasques es relacionen de manera tan estreta que resulta impossible separar-les ("paradoxa de Sayre") i s'han de realitzar de manera conjunta. Ens hem inspirat pel que alguns autors anomenen "trilogia exitosa", referit a la sinèrgia obtinguda quan prenim en compte: - un bon formalisme, que done lloc a bons algorismes; - un diseny i una implementació eficients, amb ingeni, que facen bon us de les particularitats del maquinari; - no perdre de vista el "saber fer", emprar un preprocés adequat i fer bon us dels diversos paràmetres. Descrivim i estudiem "models generatiu amb dues etapes" sense reordenaments (TSGMs), que inclouen no sols inclouen els models ocults de Markov (HMM), sinò també models segmentals (SM). Es pot obtindre un decodificador "en dues etapes" considerant a l'inrevés un TSGM introduint no determinisme: 1) es genera un graf acíclic dirigit (DAG) que 2) és emprat conjuntament amb un model de llenguatge (LM). El decodificador "d'un pas" en és un cas particular. Descrivim i formalitzem del procés de decodificació basada en equacions de llenguatges i en semianells. Proposem emprar xarxes de transició recurrent (RTNs) com forma normal de gramàtiques incontextuals (CFGs) i s'empra el paradigma d'anàlisi sintàctic mitjançant composició de manera que l'anàlisi de CFGs resulta una lleugera extensió de l'anàlisi de FSA. Es proposen algorismes de composició de transductors que poden emprar RTNs i que no necessiten recorrer a la composició amb filtres fins i tot amb transicions nul.les i semianells no idempotents. Es proposa una extensa revisió de LMs i algunes contribucions relacionades amb la seva interfície, amb la seva representació i amb l'avaluació de LMs basats en xarxes neuronals (NNLMs). S'ha realitzat una revisió de SMs que inclou SMs basats en la combinació de models generatius i discriminatius, així com un esquema general de tipus d'emissió de trames i altre de SMs. Es proposen versions especialitzades de l'algorisme de Viterbi per a models de lèxic que permeten emprar estats actius sense haver de recórrer a estructures de dades de tipus diccionari, i que trauen profit de la caché. S'ha proposat una arquitectura de flux de dades o "dataflow" per obtindre diversos reconeixedors a partir d'un xicotet conjunt de peces amb un protocol de serialització de DAGs. Descrivim generadors de DAGs capaços de tindre en compte restriccions sobre la segmentació, emprar models segmentals no limitats a HMMs, fer us dels decodificadors especialitzats proposats en aquest treball i emprar un transductor de control que permet emprar unitats dependents del contexte. Els decodificadors de DAGs fan us d'una interfície de LMs prou general que ha segut extesa per permetre l'ús de RTNs. Es proposen millores per a reconeixedors de tipus "un pas" basats en els algorismes especialitzats per a lèxics i en la interfície de LMs en mode "bunch", així com la seua paral.lelització. La part experimental està centrada en el reconeiximent d'escriptura en diverses modalitats d'adquisició (offline, bimodal). Proposem un preprocés d'escriptura manuscrita evitant l'us d'heurístics geomètrics, en el seu lloc emprem xarxes neuronals. S'han emprat HMMs hibridats amb xarxes neuronals aconseguint, per a la base de dades IAM, alguns dels millors resultats publicats. També podem mencionar l'ús d'informació de sobre-segmentació, aproximacions sense restricció a un lèxic, experiments amb dades bimodals o la combinació de HMMs híbrids amb classificadors holístics. / España Boquera, S. (2016). Contributions to the joint segmentation and classification of sequences (My two cents on decoding and handwriting recognition) [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62215 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales

[ES] El Análisis de la Estructura de Documentos (Document Layout Analysis), aplicado a documentos manuscritos, tiene como objetivo obtener automáticamente la estructura intrínseca de dichos documentos. Su desarrollo como campo de investigación se extiende desde los sistemas de segmentación de caracteres desarrollados a principios de la década de 1960 hasta los sistemas complejos desarrollados en la actualidad, donde el objetivo es analizar estructuras de alto nivel (líneas de texto, párrafos, tablas, etc.) y la relación que existe entre ellas. Esta tesis, en primer lugar, define el objetivo del Análisis de la Estructura de Documentos desde una perspectiva probabilística. A continuación, la complejidad del problema se reduce a un conjunto de subproblemas complementarios bien conocidos, de manera que pueda ser gestionado por medio de recursos informáticos modernos. Concretamente se abordan tres de los principales problemas del Análisis de la Estructura de Documentos siguiendo una formulación probabilística. Específicamente se aborda la Detección de Línea Base (Baseline Detection), la Segmentación de Regiones (Region Segmentation) y la Determinación del Orden de Lectura (Reading Order Determination). Uno de los principales aportes de esta tesis es la formalización de los problemas de Detección de Línea Base y Segmentación de Regiones bajo un marco probabilístico, donde ambos problemas pueden ser abordados por separado o de forma integrada por los modelos propuestos. Este último enfoque ha demostrado ser muy útil para procesar grandes colecciones de documentos con recursos informáticos limitados. Posteriormente se aborda el subproblema de la Determinación del Orden de Lectura, que es uno de los subproblemas más importantes, aunque subestimados, del Análisis de la Extructura de Documentos, ya que es el nexo que permite convertir los datos extraídos de los sistemas de Reconocimiento Automático de Texto (Automatic Text Recognition Systems) en información útil. Por lo tanto, en esta tesis abordamos y formalizamos la Determinación del Orden de Lectura como un problema de clasificación probabilística por pares. Además, se proponen dos diferentes algoritmos de decodificación que reducen la complejidad computacional del problema. Por otra parte, se utilizan diferentes modelos estadísticos para representar la distribución de probabilidad sobre la estructura de los documentos. Estos modelos, basados en Redes Neuronales Artificiales (desde un simple Perceptrón Multicapa hasta complejas Redes Convolucionales y Redes de Propuesta de Regiones), se estiman a partir de datos de entrenamiento utilizando algoritmos de aprendizaje automático supervisados. Finalmente, todas las contribuciones se evalúan experimentalmente, no solo en referencias académicas estándar, sino también en colecciones de miles de imágenes. Se han considerado documentos de texto manuascritos y documentos musicales manuscritos, ya que en conjunto representan la mayoría de los documentos presentes en bibliotecas y archivos. Los resultados muestran que los métodos propuestos son muy precisos y versátiles en una amplia gama de documentos manuscritos. / [CA] L'Anàlisi de l'Estructura de Documents (Document Layout Analysis), aplicada a documents manuscrits, pretén automatitzar l'obtenció de l'estructura intrínseca d'un document. El seu desenvolupament com a camp d'investigació comprén des dels sistemes de segmentació de caràcters creats al principi dels anys 60 fins als complexos sistemes de hui dia que busquen analitzar estructures d'alt nivell (línies de text, paràgrafs, taules, etc) i les relacions entre elles. Aquesta tesi busca, primer de tot, definir el propòsit de l'anàlisi de l'estructura de documents des d'una perspectiva probabilística. Llavors, una vegada reduïda la complexitat del problema, es processa utilitzant recursos computacionals moderns, per a dividir-ho en un conjunt de subproblemes complementaris més coneguts. Concretament, tres dels principals subproblemes de l'Anàlisi de l'Estructura de Documents s'adrecen seguint una formulació probabilística: Detecció de la Línia Base Baseline Detection), Segmentació de Regions (Region Segmentation) i Determinació de l'Ordre de Lectura (Reading Order Determination). Una de les principals contribucions d'aquesta tesi és la formalització dels problemes de la Detecció de les Línies Base i dels de Segmentació de Regions en un entorn probabilístic, sent els dos problemes tractats per separat o integrats en conjunt pels models proposats. Aquesta última aproximació ha demostrat ser de molta utilitat per a la gestió de grans col·leccions de documents amb uns recursos computacionals limitats. Posteriorment s'ha adreçat el subproblema de la Determinació de l'Ordre de Lectura, sent un dels subproblemes més importants de l'Anàlisi d'Estructures de Documents, encara així subestimat, perquè és el nexe que permet transformar en informació d'utilitat l'extracció de dades dels sistemes de reconeixement automàtic de text. És per això que el fet de determinar l'ordre de lectura s'adreça i formalitza com un problema d'ordenació probabilística per parells. A més, es proposen dos algoritmes descodificadors diferents que reducix la complexitat computacional del problema. Per altra banda s'utilitzen diferents models estadístics per representar la distribució probabilística sobre l'estructura dels documents. Aquests models, basats en xarxes neuronals artificials (des d'un simple perceptron multicapa fins a complexes xarxes convolucionals i de propostes de regió), s'estimen a partir de dades d'entrenament mitjançant algoritmes d'aprenentatge automàtic supervisats. Finalment, totes les contribucions s'avaluen experimentalment, no només en referents acadèmics estàndard, sinó també en col·leccions de milers d'imatges. S'han considerat documents de text manuscrit i documents musicals manuscrits, ja que representen la majoria de documents presents a biblioteques i arxius. Els resultats mostren que els mètodes proposats són molt precisos i versàtils en una àmplia gamma de documents manuscrits. / [EN] Document Layout Analysis, applied to handwritten documents, aims to automatically obtain the intrinsic structure of a document. Its development as a research field spans from the character segmentation systems developed in the early 1960s to the complex systems designed nowadays, where the goal is to analyze high-level structures (lines of text, paragraphs, tables, etc) and the relationship between them. This thesis first defines the goal of Document Layout Analysis from a probabilistic perspective. Then, the complexity of the problem is reduced, to be handled by modern computing resources, into a set of well-known complementary subproblems. More precisely, three of the main subproblems of Document Layout Analysis are addressed following a probabilistic formulation, namely Baseline Detection, Region Segmentation and Reading Order Determination. One of the main contributions of this thesis is the formalization of Baseline Detection and Region Segmentation problems under a probabilistic framework, where both problems can be handled separately or in an integrated way by the proposed models. The latter approach is proven to be very useful to handle large document collections under restricted computing resources. Later, the Reading Order Determination subproblem is addressed. It is one of the most important, yet underestimated, subproblem of Document Layout Analysis, since it is the bridge that allows us to convert the data extracted from Automatic Text Recognition systems into useful information. Therefore, Reading Order Determination is addressed and formalized as a pairwise probabilistic sorting problem. Moreover, we propose two different decoding algorithms that reduce the computational complexity of the problem. Furthermore, different statistical models are used to represent the probability distribution over the structure of the documents. These models, based on Artificial Neural Networks (from a simple Multilayer Perceptron to complex Convolutional and Region Proposal Networks), are estimated from training data using supervised Machine Learning algorithms. Finally, all the contributions are experimentally evaluated, not only on standard academic benchmarks but also in collections of thousands of images. We consider handwritten text documents and handwritten musical documents as they represent the majority of documents in libraries and archives. The results show that the proposed methods are very accurate and versatile in a very wide range of handwritten documents. / Quirós Díaz, L. (2022). Layout Analysis for Handwritten Documents. A Probabilistic Machine Learning Approach [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181483

[ES] La detección de palabras clave (Keyword Spotting, en inglés), aplicada a documentos de texto manuscrito, tiene como objetivo recuperar los documentos, o partes de ellos, que sean relevantes para una cierta consulta (query, en inglés), indicada por el usuario, entre una gran colección de documentos. La temática ha recogido un gran interés en los últimos 20 años entre investigadores en Reconocimiento de Formas (Pattern Recognition), así como bibliotecas y archivos digitales. Esta tesis, en primer lugar, define el objetivo de la detección de palabras clave a partir de una perspectiva basada en la Teoría de la Decisión y una formulación probabilística adecuada. Más concretamente, la detección de palabras clave se presenta como un caso particular de Recuperación de la Información (Information Retrieval), donde el contenido de los documentos es desconocido, pero puede ser modelado mediante una distribución de probabilidad. Además, la tesis también demuestra que, bajo las distribuciones de probabilidad correctas, el marco de trabajo desarrollada conduce a la solución óptima del problema, según múltiples medidas de evaluación utilizadas tradicionalmente en el campo. Más tarde, se utilizan distintos modelos estadísticos para representar las distribuciones necesarias: Redes Neuronales Recurrentes o Modelos Ocultos de Markov. Los parámetros de estos son estimados a partir de datos de entrenamiento, y las respectivas distribuciones son representadas mediante Transductores de Estados Finitos con Pesos (Weighted Finite State Transducers). Con el objetivo de hacer que el marco de trabajo sea práctico en grandes colecciones de documentos, se presentan distintos algoritmos para construir índices de palabras a partir de modelos probabilísticos, basados tanto en un léxico cerrado como abierto. Estos índices son muy similares a los utilizados por los motores de búsqueda tradicionales. Además, se estudia la relación que hay entre la formulación probabilística presentada y otros métodos de gran influencia en el campo de la detección de palabras clave, destacando cuáles son las limitaciones de los segundos. Finalmente, todas la aportaciones se evalúan de forma experimental, no sólo utilizando pruebas académicas estándar, sino también en colecciones con decenas de miles de páginas provenientes de manuscritos históricos. Los resultados muestran que el marco de trabajo presentado permite construir sistemas de detección de palabras clave muy rápidos y precisos, con una sólida base teórica. / [CA] La detecció de paraules clau (Keyword Spotting, en anglès), aplicada a documents de text manuscrit, té com a objectiu recuperar els documents, o parts d'ells, que siguen rellevants per a una certa consulta (query, en anglès), indicada per l'usuari, dintre d'una gran col·lecció de documents. La temàtica ha recollit un gran interés en els últims 20 anys entre investigadors en Reconeixement de Formes (Pattern Recognition), així com biblioteques i arxius digitals. Aquesta tesi defineix l'objectiu de la detecció de paraules claus a partir d'una perspectiva basada en la Teoria de la Decisió i una formulació probabilística adequada. Més concretament, la detecció de paraules clau es presenta com un cas concret de Recuperació de la Informació (Information Retrieval), on el contingut dels documents és desconegut, però pot ser modelat mitjançant una distribució de probabilitat. A més, la tesi també demostra que, sota les distribucions de probabilitat correctes, el marc de treball desenvolupat condueix a la solució òptima del problema, segons diverses mesures d'avaluació utilitzades tradicionalment en el camp. Després, diferents models estadístics s'utilitzen per representar les distribucions necessàries: Xarxes Neuronal Recurrents i Models Ocults de Markov. Els paràmetres d'aquests són estimats a partir de dades d'entrenament, i les corresponents distribucions són representades mitjançant Transductors d'Estats Finits amb Pesos (Weighted Finite State Transducers). Amb l'objectiu de fer el marc de treball útil per a grans col·leccions de documents, es presenten distints algorismes per construir índexs de paraules a partir dels models probabilístics, tan basats en un lèxic tancat com en un obert. Aquests índexs són molt semblants als utilitzats per motors de cerca tradicionals. A més a més, s'estudia la relació que hi ha entre la formulació probabilística presentada i altres mètodes de gran influència en el camp de la detecció de paraules clau, destacant algunes limitacions dels segons. Finalment, totes les aportacions s'avaluen de forma experimental, no sols utilitzant proves acadèmics estàndard, sinó també en col·leccions amb desenes de milers de pàgines provinents de manuscrits històrics. Els resultats mostren que el marc de treball presentat permet construir sistemes de detecció de paraules clau molt acurats i ràpids, amb una sòlida base teòrica. / [EN] Keyword Spotting, applied to handwritten text documents, aims to retrieve the documents, or parts of them, that are relevant for a query, given by the user, within a large collection of documents. The topic has gained a large interest in the last 20 years among Pattern Recognition researchers, as well as digital libraries and archives. This thesis, first defines the goal of Keyword Spotting from a Decision Theory perspective. Then, the problem is tackled following a probabilistic formulation. More precisely, Keyword Spotting is presented as a particular instance of Information Retrieval, where the content of the documents is unknown, but can be modeled by a probability distribution. In addition, the thesis also proves that, under the correct probability distributions, the framework provides the optimal solution, under many of the evaluation measures traditionally used in the field. Later, different statistical models are used to represent the probability distribution over the content of the documents. These models, Hidden Markov Models or Recurrent Neural Networks, are estimated from training data, and the corresponding distributions over the transcripts of the images can be efficiently represented using Weighted Finite State Transducers. In order to make the framework practical for large collections of documents, this thesis presents several algorithms to build probabilistic word indexes, using both lexicon-based and lexicon-free models. These indexes are very similar to the ones used by traditional search engines. Furthermore, we study the relationship between the presented formulation and other seminal approaches in the field of Keyword Spotting, highlighting some limitations of the latter. Finally, all the contributions are evaluated experimentally, not only on standard academic benchmarks, but also on collections including tens of thousands of pages of historical manuscripts. The results show that the proposed framework and algorithms allow to build very accurate and very fast Keyword Spotting systems, with a solid underlying theory. / Puigcerver I Pérez, J. (2018). A Probabilistic Formulation of Keyword Spotting [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/116834