# 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.

**Resultado alcanzado:**
- **Mejor trial (5 páginas):** CER = **0.79%** ✓ objetivo cumplido
- **Dataset completo (45 páginas):** CER = **7.72%** (mejora del 12.8% respecto a baseline)

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## Resultados Principales

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

| Modelo | CER | Precisión Caracteres | WER | Precisión Palabras |
|--------|-----|---------------------|-----|-------------------|
| PaddleOCR (Baseline) | 8.85% | 91.15% | 13.05% | 86.95% |
| **PaddleOCR-HyperAdjust (dataset)** | **7.72%** | **92.28%** | **11.40%** | **88.60%** |
| **PaddleOCR-HyperAdjust (mejor trial)** | **0.79%** | **99.21%** | **7.78%** | **92.22%** |

*Fuente: [`src/results/raytune_paddle_results_20260119_122609.csv`](src/results/raytune_paddle_results_20260119_122609.csv)*

**Mejora obtenida (dataset completo):** Reducción del CER en un **12.8%**

### Configuración Óptima Encontrada (GPU)

```python
config_optimizada = {
    "textline_orientation": True,                # CRÍTICO para layouts complejos
    "use_doc_orientation_classify": True,        # Mejora orientación de documento
    "use_doc_unwarping": False,
    "text_det_thresh": 0.0462,                   # Correlación -0.52 con CER
    "text_det_box_thresh": 0.4862,
    "text_det_unclip_ratio": 0.0,
    "text_rec_score_thresh": 0.5658,
}
```

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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 | ~1.5 horas (GPU RTX 3060) |

*Fuente: Elaboración propia.*

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## Estructura del Repositorio

```mermaid
flowchart TB
    subgraph root["MastersThesis/"]
        direction TB

        subgraph docs["docs/ - Capítulos TFM"]
            d0["00-07 chapters (.md)"]
            subgraph metrics["metrics/"]
                m1["metrics_paddle.md"]
                m2["metrics_doctr.md"]
                m3["metrics_easyocr.md"]
            end
        end

        subgraph src["src/ - Código fuente"]
            subgraph paddle["paddle_ocr/"]
                p1["paddle_ocr_tuning_rest.py"]
                p2["Dockerfile.gpu/cpu"]
            end
            subgraph doctr["doctr_service/"]
                dt1["doctr_tuning_rest.py"]
            end
            subgraph easy["easyocr_service/"]
                e1["easyocr_tuning_rest.py"]
            end
            subgraph ray["raytune/"]
                r1["raytune_ocr.py"]
                r2["run_tuning.py"]
            end
            results["results/*.csv"]
            dataset["dataset/"]
        end

        subgraph thesis["thesis_output/"]
            htm["plantilla_individual.htm"]
            figs["figures/figura_1-11.png"]
        end

        subgraph inst["instructions/"]
            i1["instrucciones.pdf"]
            i2["plantilla_individual.htm"]
        end

        scripts["apply_content.py<br/>generate_mermaid_figures.py"]
        config["claude.md<br/>README.md"]
    end
```

**Descripción de directorios principales:**

| Directorio | Contenido |
|------------|-----------|
| `docs/` | Capítulos del TFM en Markdown (estructura UNIR) |
| `docs/metrics/` | Métricas de rendimiento por servicio OCR |
| `src/paddle_ocr/` | Servicio PaddleOCR dockerizado |
| `src/doctr_service/` | Servicio DocTR dockerizado |
| `src/easyocr_service/` | Servicio EasyOCR dockerizado |
| `src/raytune/` | Scripts de optimización Ray Tune |
| `src/results/` | CSVs con resultados de 64 trials por servicio |
| `thesis_output/` | Documento TFM generado + figuras PNG |
| `instructions/` | Plantilla e instrucciones UNIR oficiales |

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## Hallazgos Clave

1. **`textline_orientation=True` es crítico**: Para documentos con layouts mixtos (tablas, encabezados), la clasificación de orientación de línea es esencial.

2. **`use_doc_orientation_classify=True` mejora resultados**: En la configuración GPU, la clasificación de orientación del documento demostró impacto positivo.

3. **Umbral `text_det_thresh` importante**: Correlación -0.52 con CER. En GPU, el valor óptimo fue 0.0462. Valores < 0.01 causan fallos catastróficos (CER >40%).

4. **`use_doc_unwarping` innecesario para PDFs digitales**: La corrección de deformación no mejora el rendimiento en documentos académicos digitales.

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## Rendimiento GPU

Los experimentos principales se ejecutaron con aceleración GPU para maximizar la eficiencia de la exploración de hiperparámetros.

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

| Métrica | CPU | GPU (RTX 3060) | Aceleración |
|---------|-----|----------------|-------------|
| Tiempo/Página | 69.4s | 0.84s | **82x** |
| Dataset completo (45 páginas) | ~52 min | ~38 seg | **82x** |
| 64 trials completos | ~6.4 horas | ~1.5 horas | **4.3x** |

*Fuente: [`src/raytune_paddle_subproc_results_20251207_192320.csv`](src/raytune_paddle_subproc_results_20251207_192320.csv) (CPU) y [`src/results/raytune_paddle_results_20260119_122609.csv`](src/results/raytune_paddle_results_20260119_122609.csv) (GPU).*

### 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 (82×) hace viable la exploración exhaustiva de hiperparámetros y 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 GPU (PRINCIPAL)**: [`src/results/raytune_paddle_results_20260119_122609.csv`](src/results/raytune_paddle_results_20260119_122609.csv) - 64 trials de optimización con GPU
- **Resultados CPU (referencia de tiempo)**: [`src/raytune_paddle_subproc_results_20251207_192320.csv`](src/raytune_paddle_subproc_results_20251207_192320.csv) - Para comparación de rendimiento CPU vs GPU

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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 (GPU)**: Los 64 trials de Ray Tune se ejecutaron con GPU RTX 3060 (~0.84s/página, ~1.5 horas total)
- **Referencia CPU**: Se midió el tiempo en CPU para comparación (~69s/página)

La optimización de hiperparámetros demostró ser una **alternativa viable** al fine-tuning. El mejor trial alcanzó un CER de 0.79%, mientras que la validación sobre el dataset completo logró una mejora del 12.8%.

### 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] **Optimización con GPU**: RTX 3060 - 82× más rápido (0.84s/página)
- [x] **Infraestructura Docker**: 5 imágenes (PaddleOCR, EasyOCR, DocTR, RayTune)

### 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)
- [EasyOCR](https://github.com/JaidedAI/EasyOCR)
- [DocTR](https://github.com/mindee/doctr)
- [Ray Tune](https://docs.ray.io/en/latest/tune/index.html)
- [Optuna](https://optuna.org/)
- [jiwer](https://github.com/jitsi/jiwer)
- [PyMuPDF](https://pymupdf.readthedocs.io/)