# Optimización de Hiperparámetros OCR con Ray Tune para Documentos Académicos en Español

**Trabajo Fin de Máster (TFM) – Máster Universitario en Inteligencia Artificial**
**Líneas:** Percepción computacional · Aprendizaje automático
**Autor:** Sergio Jiménez Jiménez · **UNIR** · **Año:** 2025

> Optimización sistemática de hiperparámetros de **PaddleOCR (PP-OCRv5)** mediante **Ray Tune** con **Optuna** para mejorar el reconocimiento óptico de caracteres en documentos académicos en español.

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## Objetivo

Optimizar el rendimiento de PaddleOCR para documentos académicos en español mediante ajuste de hiperparámetros, alcanzando un **CER inferior al 2%** sin requerir fine-tuning del modelo ni recursos GPU dedicados.

**Resultado alcanzado:** CER = **1.49%** (objetivo cumplido)

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## Resultados Principales

**Tabla.** *Comparación de métricas OCR entre configuración baseline y optimizada.*

| Modelo | CER | Precisión Caracteres | WER | Precisión Palabras |
|--------|-----|---------------------|-----|-------------------|
| PaddleOCR (Baseline) | 7.78% | 92.22% | 14.94% | 85.06% |
| **PaddleOCR-HyperAdjust** | **1.49%** | **98.51%** | **7.62%** | **92.38%** |

*Fuente: Elaboración propia.*

**Mejora obtenida:** Reducción del CER en un **80.9%**

### Configuración Óptima Encontrada

```python
config_optimizada = {
    "textline_orientation": True,           # CRÍTICO - reduce CER ~70%
    "use_doc_orientation_classify": False,
    "use_doc_unwarping": False,
    "text_det_thresh": 0.4690,              # Correlación -0.52 con CER
    "text_det_box_thresh": 0.5412,
    "text_det_unclip_ratio": 0.0,
    "text_rec_score_thresh": 0.6350,
}
```

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## Metodología

### Pipeline de Trabajo

```
PDF (académico UNIR)
 └─► Conversión a imagen (PyMuPDF, 300 DPI)
      └─► Extracción de ground truth
           └─► OCR con PaddleOCR (PP-OCRv5)
                └─► Evaluación (CER, WER con jiwer)
                     └─► Optimización (Ray Tune + Optuna)
```

### Experimento de Optimización

**Tabla.** *Parámetros de configuración del experimento Ray Tune.*

| Parámetro | Valor |
|-----------|-------|
| Número de trials | 64 |
| Algoritmo de búsqueda | OptunaSearch (TPE) |
| Métrica objetivo | CER (minimizar) |
| Trials concurrentes | 2 |
| Tiempo total | ~6 horas (CPU) |

*Fuente: Elaboración propia.*

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## Estructura del Repositorio

```
MastersThesis/
├── docs/                    # Capítulos del TFM en Markdown (estructura UNIR)
│   ├── 00_resumen.md                      # Resumen + Abstract + Keywords
│   ├── 01_introduccion.md                 # Cap. 1: Introducción (1.1-1.3)
│   ├── 02_contexto_estado_arte.md         # Cap. 2: Contexto y estado del arte (2.1-2.3)
│   ├── 03_objetivos_metodologia.md        # Cap. 3: Objetivos y metodología (3.1-3.4)
│   ├── 04_desarrollo_especifico.md        # Cap. 4: Desarrollo específico (4.1-4.3)
│   ├── 05_conclusiones_trabajo_futuro.md  # Cap. 5: Conclusiones (5.1-5.2)
│   ├── 06_referencias_bibliograficas.md   # Referencias bibliográficas (APA)
│   └── 07_anexo_a.md                      # Anexo A: Código fuente y datos
├── thesis_output/           # Documento final generado
│   ├── plantilla_individual.htm           # TFM completo (abrir en Word)
│   └── figures/                           # Figuras generadas desde Mermaid
│       ├── figura_1.png ... figura_7.png
│       └── figures_manifest.json
├── src/
│   ├── paddle_ocr_fine_tune_unir_raytune.ipynb  # Experimento principal
│   ├── paddle_ocr_tuning.py                      # Script de evaluación CLI
│   ├── dataset_manager.py                        # Clase ImageTextDataset
│   ├── prepare_dataset.ipynb                     # Preparación del dataset
│   └── raytune_paddle_subproc_results_*.csv      # Resultados de 64 trials
├── results/                 # Resultados de benchmarks
├── instructions/            # Plantilla e instrucciones UNIR
│   ├── instrucciones.pdf
│   ├── plantilla_individual.pdf
│   └── plantilla_individual.htm
├── apply_content.py         # Genera documento TFM desde docs/ + plantilla
├── generate_mermaid_figures.py  # Convierte diagramas Mermaid a PNG
├── ocr_benchmark_notebook.ipynb  # Benchmark comparativo inicial
└── README.md
```

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## Hallazgos Clave

1. **`textline_orientation=True` es crítico**: Reduce el CER en un 69.7%. Para documentos con layouts mixtos (tablas, encabezados), la clasificación de orientación de línea es esencial.

2. **Umbral `text_det_thresh` importante**: Correlación -0.52 con CER. Valores óptimos entre 0.4-0.5. Valores < 0.1 causan fallos catastróficos (CER >40%).

3. **Componentes innecesarios para PDFs digitales**: `use_doc_orientation_classify` y `use_doc_unwarping` no mejoran el rendimiento en documentos académicos digitales.

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## Rendimiento GPU

Se realizó una validación adicional con aceleración GPU para evaluar la viabilidad práctica del enfoque en escenarios de producción.

**Tabla.** *Comparación de rendimiento CPU vs GPU.*

| Métrica | CPU | GPU (RTX 3060) | Aceleración |
|---------|-----|----------------|-------------|
| Tiempo/Página | 69.4s | 0.55s | **126x** |
| Dataset completo (45 páginas) | ~52 min | ~25 seg | **126x** |

*Fuente: Elaboración propia.*

### Recomendación de Modelos

**Tabla.** *Comparación de modelos PaddleOCR en RTX 3060.*

| Modelo | VRAM | Recomendación |
|--------|------|---------------|
| **PP-OCRv5 Mobile** | 0.06 GB | ✓ Recomendado |
| PP-OCRv5 Server | 5.3 GB | ✗ Causa OOM en RTX 3060 |

*Fuente: Elaboración propia.*

**Conclusión:** Para hardware con VRAM limitada (≤6 GB), los modelos Mobile ofrecen el mejor balance entre precisión y recursos. La aceleración GPU hace viable el procesamiento en tiempo real.

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## Requisitos

**Tabla.** *Dependencias principales del proyecto y versiones utilizadas.*

| Componente | Versión |
|------------|---------|
| Python | 3.12.3 |
| PaddlePaddle | 3.2.2 |
| PaddleOCR | 3.3.2 |
| Ray | 2.52.1 |
| Optuna | 4.7.0 |
| jiwer | (para métricas CER/WER) |
| PyMuPDF | (para conversión PDF) |

*Fuente: Elaboración propia.*

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## Uso

### Preparar dataset
```bash
# Ejecutar prepare_dataset.ipynb para convertir PDF a imágenes y extraer ground truth
jupyter notebook src/prepare_dataset.ipynb
```

### Ejecutar optimización
```bash
# Ejecutar el notebook principal de Ray Tune
jupyter notebook src/paddle_ocr_fine_tune_unir_raytune.ipynb
```

### Evaluación individual
```bash
python src/paddle_ocr_tuning.py \
    --pdf-folder ./dataset \
    --textline-orientation True \
    --text-det-thresh 0.469 \
    --text-det-box-thresh 0.541 \
    --text-rec-score-thresh 0.635
```

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## Fuentes de Datos

- **Dataset**: 2 documentos UNIR (45 páginas total): Instrucciones TFE (24 pág.) + Plantilla TFE (21 pág.)
- **Resultados Ray Tune (PRINCIPAL)**: `src/raytune_paddle_subproc_results_20251207_192320.csv` - 64 trials de optimización con todas las métricas y configuraciones

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## Generación del Documento TFM

### Prerrequisitos

```bash
# Instalar dependencias de Python
pip install beautifulsoup4

# Instalar mermaid-cli para generación de figuras
npm install @mermaid-js/mermaid-cli
```

### Flujo de Generación del Documento

El documento TFM se genera en **3 pasos** que deben ejecutarse en orden:

```
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  PASO 1: generate_mermaid_figures.py                                │
│  ────────────────────────────────────────────────────────────────── │
│  • Lee diagramas Mermaid de docs/*.md                               │
│  • Genera thesis_output/figures/figura_*.png                        │
│  • Crea figures_manifest.json con títulos                           │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                                ↓
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  PASO 2: apply_content.py                                           │
│  ────────────────────────────────────────────────────────────────── │
│  • Lee plantilla desde instructions/plantilla_individual.htm        │
│  • Inserta contenido de docs/*.md en cada capítulo                  │
│  • Genera tablas con formato APA y figuras con referencias          │
│  • Guarda en thesis_output/plantilla_individual.htm                 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                                ↓
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  PASO 3: Abrir en Microsoft Word                                    │
│  ────────────────────────────────────────────────────────────────── │
│  • Abrir thesis_output/plantilla_individual.htm                     │
│  • Ctrl+A → F9 para actualizar índices (contenidos/figuras/tablas)  │
│  • Guardar como TFM_Sergio_Jimenez.docx                             │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
```

### Comandos de Generación

```bash
# Desde el directorio raíz del proyecto:

# PASO 1: Generar figuras PNG desde diagramas Mermaid
python3 generate_mermaid_figures.py
# Output: thesis_output/figures/figura_1.png ... figura_8.png

# PASO 2: Aplicar contenido de docs/ a la plantilla UNIR
python3 apply_content.py
# Output: thesis_output/plantilla_individual.htm

# PASO 3: Abrir en Word y finalizar documento
# - Abrir thesis_output/plantilla_individual.htm en Microsoft Word
# - Ctrl+A → F9 para actualizar todos los índices
# - IMPORTANTE: Ajustar manualmente el tamaño de las imágenes para legibilidad
#   (seleccionar imagen → clic derecho → Tamaño y posición → ajustar al ancho de página)
# - Guardar como .docx
```

### Notas Importantes para Edición en Word

1. **Ajuste de imágenes**: Las figuras Mermaid pueden requerir ajuste manual de tamaño para ser legibles. Seleccionar cada imagen y ajustar al ancho de texto (~16cm).

2. **Actualización de índices**: Después de cualquier cambio, usar Ctrl+A → F9 para regenerar índices.

3. **Formato de código**: Los bloques de código usan Consolas 9pt. Verificar que no se corten líneas largas.

### Archivos de Entrada y Salida

**Tabla.** *Relación de scripts de generación con sus archivos de entrada y salida.*

| Script | Entrada | Salida |
|--------|---------|--------|
| `generate_mermaid_figures.py` | `docs/*.md` (bloques ```mermaid```) | `thesis_output/figures/figura_*.png`, `figures_manifest.json` |
| `apply_content.py` | `instructions/plantilla_individual.htm`, `docs/*.md`, `thesis_output/figures/*.png` | `thesis_output/plantilla_individual.htm` |

*Fuente: Elaboración propia.*

### Contenido Generado Automáticamente

- **30 tablas** con formato APA (Tabla X. *Título* + Fuente: ...)
- **8 figuras** desde Mermaid (Figura X. *Título* + Fuente: Elaboración propia)
- **25 referencias** en formato APA con sangría francesa
- **Resumen/Abstract** con palabras clave
- **Índices** actualizables (contenidos, figuras, tablas)
- Eliminación automática de textos de instrucción de la plantilla

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## Trabajo Pendiente para Completar el TFM

### Contexto: Hardware

Este trabajo adoptó la estrategia de **optimización de hiperparámetros** en lugar de **fine-tuning** debido a que el fine-tuning de modelos OCR requiere datasets etiquetados extensos y tiempos de entrenamiento prohibitivos.

**Hardware utilizado:**
- **Optimización (CPU)**: Los 64 trials de Ray Tune se ejecutaron en CPU (~69s/página)
- **Validación (GPU)**: Se validó con RTX 3060 logrando 126x de aceleración (0.55s/página)

La optimización de hiperparámetros demostró ser una **alternativa efectiva** al fine-tuning, logrando una reducción del 80.9% en el CER sin reentrenar el modelo.

### Tareas Pendientes

#### Obligatorias para Entrega
- [ ] **Revisión final del documento**: Abrir en Word, actualizar índices (Ctrl+A → F9), ajustar figuras, guardar como .docx
- [ ] **Crear presentación**: Preparar slides para la defensa del TFM

#### Opcionales (Mejoras Futuras)
- [ ] **Validación cruzada**: Evaluar configuración en otros documentos (facturas, formularios)
- [ ] **Explorar `text_det_unclip_ratio`**: Parámetro fijado en 0.0, podría mejorar resultados
- [ ] **Comparativa con fine-tuning**: Cuantificar brecha vs fine-tuning real
- [ ] **Herramienta de configuración automática**: Auto-detectar configuración óptima por documento
- [ ] **Benchmark público para español**: Facilitar comparación de soluciones OCR

#### Completadas
- [x] **Estructura docs/ según plantilla UNIR**
- [x] **Diagramas Mermaid**: 8 figuras generadas
- [x] **Documento TFM unificado**: Script `apply_content.py`
- [x] **Evaluación con GPU**: RTX 3060 - 126x más rápido (0.55s/página)

### Dataset

El dataset contiene **45 páginas** de 2 documentos UNIR:
- `src/dataset/0/`: Instrucciones TFE (24 páginas)
- `src/dataset/1/`: Plantilla TFE (21 páginas)

#### Formato Hugging Face

El dataset está disponible en formato Hugging Face en `src/dataset_hf/`:

```
src/dataset_hf/
├── README.md          # Dataset card
├── metadata.jsonl     # Metadata (image_path, text, doc_id, page_num)
└── data/              # 45 imágenes PNG
```

#### Generar/Regenerar Dataset

```bash
# Convertir de formato original a HF
source .venv/bin/activate
python src/dataset_formatting/convert_to_hf_dataset.py

# Upload a Gitea packages (requiere GITEA_TOKEN)
./src/dataset_formatting/upload-dataset.sh $GITEA_TOKEN
```

#### Descargar Dataset

```bash
# Desde Gitea packages
curl -O https://seryus.ddns.net/api/packages/unir/generic/ocr-dataset-spanish/1.0.0/dataset-1.0.0.tar.gz
tar -xzf dataset-1.0.0.tar.gz -C src/dataset_hf/
```

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## Licencia

Este proyecto es parte de un Trabajo Fin de Máster académico.

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## Referencias

- [PaddleOCR](https://github.com/PaddlePaddle/PaddleOCR)
- [Ray Tune](https://docs.ray.io/en/latest/tune/index.html)
- [Optuna](https://optuna.org/)
- [jiwer](https://github.com/jitsi/jiwer)