Universidad Internacional de La Rioja

Escuela Superior de Ingeniería y

Tecnología

Máster Universitario en Inteligencia artificial

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

Resumen

El presente Trabajo Fin de Máster aborda la optimización de sistemas de Reconocimiento Óptico de Caracteres (OCR) basados en inteligencia artificial para documentos en español. El objetivo principal es identificar la configuración óptima de hiperparámetros que maximice la precisión del reconocimiento de texto sin requerir fine-tuning de los modelos base. Se realizó un estudio comparativo de tres soluciones OCR de código abierto: EasyOCR, PaddleOCR (PP-OCRv5) y DocTR. Se evaluó su rendimiento mediante las métricas estándar CER (Character Error Rate) y WER (Word Error Rate) sobre un corpus de 45 páginas de documentos académicos en español. Tras identificar PaddleOCR como la solución más prometedora, se procedió a una optimización sistemática de hiperparámetros utilizando Ray Tune con el algoritmo de búsqueda Optuna, ejecutando 64 configuraciones diferentes con aceleración GPU (NVIDIA RTX 3060). Los resultados demuestran que la optimización de hiperparámetros logró mejoras significativas: el mejor trial individual alcanzó un CER de 0.79% (precisión del 99.21%), cumpliendo el objetivo de CER < 2%. Al validar la configuración optimizada sobre el dataset completo de 45 páginas, se obtuvo una mejora del 12.8% en CER (de 8.85% a 7.72%). El hallazgo más relevante fue que el parámetro `textline_orientation` (clasificación de orientación de línea de texto) tiene un impacto crítico en el rendimiento. Adicionalmente, se identificó que el umbral de detección (`text_det_thresh`) presenta una correlación positiva moderada (0.43) con el error, lo que indica que valores más bajos tienden a mejorar el rendimiento. Fuente: [`docs/metrics/metrics_paddle.md`](https://seryus.ddns.net/unir/MastersThesis/src/branch/main/docs/metrics/metrics_paddle.md), [`src/results/correlations/paddle_correlations.csv`](https://seryus.ddns.net/unir/MastersThesis/src/branch/main/src/results/correlations/paddle_correlations.csv). Este trabajo demuestra que la optimización de hiperparámetros es una alternativa viable al fine-tuning, especialmente útil cuando se dispone de modelos preentrenados para el idioma objetivo. La infraestructura dockerizada desarrollada permite reproducir los experimentos y facilita la evaluación sistemática de configuraciones OCR.

Palabras clave: OCR, Reconocimiento Óptico de Caracteres, PaddleOCR, Optimización de Hiperparámetros, Ray Tune, Procesamiento de Documentos, Inteligencia Artificial

Abstract

This Master's Thesis addresses the optimization of Artificial Intelligence-based Optical Character Recognition (OCR) systems for Spanish documents. The main objective is to identify the optimal hyperparameter configuration that maximizes text recognition accuracy without requiring fine-tuning of the base models. A comparative study of three open-source OCR solutions was conducted with EasyOCR, PaddleOCR (PP-OCRv5), and DocTR. Their performance was evaluated using standard CER (Character Error Rate) and WER (Word Error Rate) metrics on a corpus of 45 pages of academic documents in Spanish. After identifying PaddleOCR as the most promising solution, systematic hyperparameter optimization was performed using Ray Tune with the Optuna search algorithm, executing 64 different configurations with GPU acceleration (NVIDIA RTX 3060). Results demonstrate that hyperparameter optimization achieved significant improvements. The best individual trial reached a CER of 0.79% (99.21% accuracy), meeting the CER < 2% objective. When validating the optimized configuration on the full 45-page dataset, a 12.8% CER improvement was obtained (from 8.85% to 7.72%). The most relevant finding was that the `textline_orientation` parameter (text line orientation classification) has a critical impact on performance. Additionally, the detection threshold (`text_det_thresh`) showed a moderate positive correlation (0.43) with error, indicating that lower values tend to improve performance. Sources: [`docs/metrics/metrics_paddle.md`](https://seryus.ddns.net/unir/MastersThesis/src/branch/main/docs/metrics/metrics_paddle.md), [`src/results/correlations/paddle_correlations.csv`](https://seryus.ddns.net/unir/MastersThesis/src/branch/main/src/results/correlations/paddle_correlations.csv). This work demonstrates that hyperparameter optimization is a viable alternative to fine-tuning, especially useful when pre-trained models for the target language are available. The dockerized infrastructure developed enables experiment reproducibility and facilitates systematic evaluation of OCR configurations.

Keywords: OCR, Optical Character Recognition, PaddleOCR, Hyperparameter Optimization, Ray Tune, Document Processing, Artificial Intelligence

Índice de contenidos

1.    Introducción. 1

1.1.      Motivación. 1

1.2.      Planteamiento del trabajo. 3

1.3.      Estructura del trabajo. 3

2.    Contexto y estado del arte. 4

2.1.      Contexto del problema. 4

2.2.      Estado del arte. 4

2.3.      Conclusiones. 5

3.    Objetivos concretos y metodología de trabajo. 6

3.1.      Objetivo general 6

3.2.      Objetivos específicos. 7

3.3.      Metodología del trabajo. 8

4.    Desarrollo específico de la contribución. 9

5.    Conclusiones y trabajo futuro. 13

5.1.      Conclusiones. 13

5.2.      Líneas de trabajo futuro. 13

Referencias bibliográficas. 14

Anexo A.     Código fuente y datos analizados 15

Índice de figuras

Índice de tablas

1.   Introducción

¿Es posible mejorar significativamente un sistema OCR sin reentrenarlo? Esta pregunta, aparentemente simple, encierra un desafío práctico que afecta a investigadores, instituciones educativas y empresas que necesitan digitalizar documentos pero carecen de los recursos para realizar fine-tuning de modelos neuronales. A lo largo de este capítulo se desarrolla la motivación del trabajo, se identifica el problema a resolver y se plantean las preguntas de investigación que guiarán el desarrollo experimental.

Motivación

El Reconocimiento Óptico de Caracteres (OCR) es una tecnología fundamental en la era de la digitalización documental. Su capacidad para convertir imágenes de texto en datos editables y procesables ha transformado sectores como la administración pública, el ámbito legal, la banca y la educación. La expansión de la transformación digital empresarial ha impulsado su adopción, aunque la implementación práctica de sistemas OCR de alta precisión sigue presentando desafíos considerables.

El contexto de la digitalización documental

La digitalización de documentos ha pasado de ser una opción a una necesidad estratégica para organizaciones de todos los tamaños. Los beneficios son múltiples: reducción del espacio físico de almacenamiento, facilidad de búsqueda y recuperación, preservación del patrimonio documental, y habilitación de flujos de trabajo automatizados. Sin embargo, la mera conversión de papel a imagen digital no aprovecha plenamente estas ventajas; es necesario extraer el texto contenido en los documentos para permitir su indexación, análisis y procesamiento automatizado.

El OCR actúa como puente entre el mundo físico del documento impreso y el mundo digital del texto procesable. Su precisión determina directamente la calidad de los procesos downstream. Un error de reconocimiento en un nombre propio puede invalidar una búsqueda; un dígito mal reconocido en una factura puede causar discrepancias contables. Una palabra mal interpretada en un contrato puede alterar su significado legal.

Desafíos específicos del español

El procesamiento de documentos en español presenta particularidades que complican el reconocimiento automático de texto. Los caracteres especiales propios del idioma (la letra ñ, las vocales acentuadas á, é, í, ó, ú, la diéresis ü, y los signos de puntuación invertidos ¿, ¡) no están presentes en muchos conjuntos de entrenamiento internacionales, lo que puede degradar el rendimiento de modelos preentrenados predominantemente en inglés.

La Tabla 1 resume los principales desafíos lingüísticos del OCR en español:

Además de los aspectos lingüísticos, los documentos académicos y administrativos en español presentan características tipográficas que complican el reconocimiento: variaciones en fuentes entre encabezados, cuerpo y notas al pie; presencia de índices, listas numeradas y cambios frecuentes de estilo; y saltos de línea que rompen la continuidad del texto. Estos elementos generan ruido que puede propagarse en aplicaciones downstream como la extracción de entidades nombradas o el análisis semántico.

La brecha entre investigación y práctica

Los modelos OCR basados en redes neuronales profundas, como los empleados en PaddleOCR, EasyOCR o DocTR, ofrecen un rendimiento competitivo en benchmarks estándar. No obstante, estos resultados en condiciones controladas no siempre se trasladan a documentos del mundo real.

La adaptación de modelos preentrenados a dominios específicos típicamente requiere fine-tuning con datos etiquetados del dominio objetivo y recursos computacionales significativos. Esta barrera técnica y económica excluye a muchos investigadores y organizaciones de beneficiarse plenamente de estas tecnologías.

La Tabla 2 ilustra los requisitos típicos para diferentes estrategias de mejora de OCR:

La oportunidad: optimización sin fine-tuning

La presente investigación surge de una necesidad práctica: optimizar un sistema OCR para documentos académicos en español sin disponer de infraestructura de entrenamiento dedicada para fine-tuning. Esta restricción, lejos de ser una limitación excepcional, representa la realidad de muchos entornos académicos y empresariales donde el acceso a cómputo avanzado es limitado.

La hipótesis central de este trabajo es que los modelos OCR preentrenados contienen capacidades latentes que pueden activarse mediante la configuración adecuada de sus hiperparámetros de inferencia. Parámetros como los umbrales de detección de texto, las opciones de preprocesamiento de imagen, y los filtros de confianza de reconocimiento pueden tener un impacto significativo en el rendimiento final. Su optimización sistemática puede aproximarse a los beneficios del fine-tuning sin sus costes asociados.

Esta oportunidad se ve reforzada por la disponibilidad de frameworks modernos de optimización de hiperparámetros como Ray Tune (Liaw et al., 2018) y algoritmos de búsqueda eficientes como Optuna (Akiba et al., 2019), que permiten explorar espacios de configuración de manera sistemática y eficiente.

Planteamiento del trabajo

Formulación del problema

Las observaciones anteriores conducen a formular el problema central de este trabajo:

¿Es posible mejorar significativamente el rendimiento de modelos OCR preentrenados para documentos en español mediante la optimización sistemática de hiperparámetros, sin requerir fine-tuning y con recursos computacionales de consumo?

Este planteamiento parte de una observación fundamental: los sistemas OCR modernos exponen múltiples parámetros configurables que afectan su comportamiento durante la inferencia. Estos parámetros incluyen umbrales de detección, opciones de preprocesamiento, y filtros de calidad. En la práctica habitual, estos parámetros se dejan en sus valores por defecto, asumiendo que fueron optimizados por los desarrolladores del modelo. Sin embargo, los valores por defecto representan compromisos generales que pueden no ser óptimos para dominios específicos.

Preguntas de investigación

Este planteamiento se descompone en las siguientes cuestiones específicas:

PI1. Selección de modelo base: ¿Cuál de las soluciones OCR de código abierto disponibles (EasyOCR, PaddleOCR, DocTR) ofrece el mejor rendimiento base para documentos en español?

Esta pregunta es fundamental porque la elección del modelo base determinará el punto de partida para la optimización. Un modelo con mejor rendimiento inicial puede ofrecer mayor margen de mejora o, alternativamente, estar ya cerca de su límite de optimización.

PI2. Impacto de hiperparámetros: ¿Qué hiperparámetros del pipeline OCR tienen mayor influencia en las métricas de error (CER, WER)?

Identificar los parámetros más influyentes permite focalizar el esfuerzo de optimización y proporciona insights sobre el funcionamiento interno del sistema. Parámetros con alta correlación con las métricas de error son candidatos prioritarios para ajuste.

PI3. Optimización automatizada: ¿Puede un proceso de búsqueda automatizada de hiperparámetros (mediante Ray Tune/Optuna) encontrar configuraciones que superen significativamente los valores por defecto?

Esta pregunta evalúa la viabilidad práctica de la metodología propuesta. "Significativamente" se define como una mejora sustancial respecto al baseline, con impacto observable en la calidad del texto reconocido.

PI4. Viabilidad práctica: ¿Son los tiempos de inferencia y los recursos requeridos compatibles con un despliegue en entornos con recursos limitados?

Una solución técnicamente superior pero impracticable tiene valor limitado. Esta pregunta ancla la investigación en consideraciones del mundo real.

Alcance y delimitación

Este trabajo se centra específicamente en:

Relevancia y beneficiarios

La relevancia de este problema radica en su aplicabilidad inmediata. Una metodología reproducible para optimizar OCR sin fine-tuning beneficiaría a múltiples grupos:

Investigadores académicos: Quienes procesan grandes volúmenes de documentos para análisis de contenido, revisiones sistemáticas de literatura, o estudios bibliométricos. Un OCR más preciso reduce el tiempo de corrección manual y mejora la calidad de los análisis downstream.

Instituciones educativas: Universidades y centros de investigación que digitalizan archivos históricos, actas administrativas, o materiales docentes. La preservación del patrimonio documental requiere transcripciones precisas.

Pequeñas y medianas empresas: Organizaciones que automatizan flujos documentales (facturas, contratos, correspondencia) sin presupuesto para soluciones enterprise o infraestructura GPU.

Desarrolladores de software: Quienes integran OCR en aplicaciones con restricciones de recursos, como dispositivos móviles o servidores compartidos, y necesitan maximizar el rendimiento sin costes adicionales de hardware.

Estructura del trabajo

El documento sigue una estructura que refleja el proceso investigador. Tras esta introducción, el Capítulo 2 sitúa el trabajo en su contexto técnico y revisa las tecnologías OCR basadas en aprendizaje profundo. Se describen las arquitecturas de detección, los modelos de reconocimiento y los trabajos previos en optimización de estos sistemas.

El Capítulo 3 traduce las preguntas de investigación en objetivos concretos, siguiendo la metodología SMART. Además, describe con detalle el enfoque experimental: preparación del dataset, métricas de evaluación y configuración del proceso de optimización con Ray Tune y Optuna.

El núcleo del trabajo se desarrolla en el Capítulo 4, que presenta el estudio comparativo y la optimización de hiperparámetros en tres fases: planteamiento de la comparativa con evaluación de EasyOCR, PaddleOCR y DocTR; desarrollo de la optimización mediante 64 trials con Ray Tune; y análisis crítico de los resultados obtenidos.

Finalmente, el Capítulo 5 sintetiza las contribuciones, evalúa el grado de cumplimiento de los objetivos y propone líneas de trabajo futuro. Los Anexos proporcionan acceso al repositorio de código fuente y datos, así como tablas detalladas de resultados experimentales.

2.   Contexto y estado del arte

Para comprender el alcance y las decisiones tomadas en este trabajo, es necesario situarlo en su contexto tecnológico. El Reconocimiento Óptico de Caracteres ha recorrido un largo camino desde los primeros sistemas de plantillas de los años 50 hasta las sofisticadas arquitecturas de aprendizaje profundo actuales. A lo largo de este capítulo se revisan los fundamentos técnicos del OCR moderno. Se analizan las principales soluciones de código abierto y se identifican los vacíos en la literatura que motivan la contribución de este trabajo.

Contexto del problema

Definición y Evolución Histórica del OCR

El Reconocimiento Óptico de Caracteres (OCR) es el proceso de conversión de imágenes de texto manuscrito, mecanografiado o impreso en texto codificado digitalmente. Esta tecnología permite la digitalización masiva de documentos, facilitando su búsqueda, edición y almacenamiento electrónico. La tecnología OCR ha evolucionado significativamente desde sus orígenes en la década de 1950, atravesando cuatro generaciones claramente diferenciadas:

Primera Generación (1950-1970): Sistemas basados en plantillas

Los primeros sistemas OCR surgieron en la década de 1950 con el objetivo de automatizar la lectura de documentos bancarios y postales. Estos sistemas utilizaban técnicas de correspondencia de plantillas (template matching), donde cada carácter de entrada se comparaba píxel a píxel con un conjunto predefinido de plantillas (Mori et al., 1992).

Las principales limitaciones de esta generación incluían:

·     Dependencia de fuentes tipográficas específicas (OCR-A, OCR-B)

·     Incapacidad para manejar variaciones en tamaño, rotación o estilo

·     Alto coste computacional para la época

·     Sensibilidad extrema al ruido y degradación de la imagen

A pesar de sus limitaciones, estos sistemas sentaron las bases para el desarrollo posterior del campo y demostraron la viabilidad comercial del reconocimiento automático de texto.

Segunda Generación (1970-1990): Extracción de características

La segunda generación introdujo técnicas más sofisticadas basadas en la extracción de características geométricas y estructurales de los caracteres. En lugar de comparar imágenes completas, estos sistemas extraían propiedades como:

·     Número y posición de trazos

·     Proporciones geométricas (altura, anchura, relación de aspecto)

·     Momentos estadísticos de la distribución de píxeles

·     Características topológicas (bucles, intersecciones, terminaciones)

Los clasificadores estadísticos, como el análisis discriminante lineal y los k-vecinos más cercanos (k-NN), se utilizaban para asignar cada vector de características a una clase de carácter (Trier et al., 1996). Esta aproximación permitió mayor robustez frente a variaciones tipográficas, aunque seguía requiriendo un diseño manual cuidadoso de las características a extraer.

Tercera Generación (1990-2010): Redes neuronales y modelos probabilísticos

La tercera generación marcó la introducción de técnicas de aprendizaje automático más avanzadas. Los Modelos Ocultos de Markov (HMM) se convirtieron en el estándar para el reconocimiento de secuencias de caracteres, especialmente en el reconocimiento de escritura manuscrita (Plamondon & Srihari, 2000).

Las Redes Neuronales Artificiales (ANN) también ganaron popularidad en esta época, con arquitecturas como el Perceptrón Multicapa (MLP) demostrando capacidades superiores de generalización. El trabajo seminal de LeCun et al. (1998) con las redes convolucionales (CNN) para el reconocimiento de dígitos manuscritos (dataset MNIST) estableció los fundamentos para la siguiente revolución.

Las características de esta generación incluían:

·     Aprendizaje automático de características discriminativas

·     Modelado probabilístico de secuencias de caracteres

·     Mayor robustez frente a ruido y degradación

·     Capacidad de incorporar conocimiento lingüístico mediante modelos de lenguaje

Cuarta Generación (2010-presente): Aprendizaje profundo

La cuarta y actual generación está dominada por arquitecturas de aprendizaje profundo que han superado ampliamente el rendimiento de los métodos tradicionales. Los avances clave incluyen:

Redes Convolucionales Profundas (Deep CNNs): Arquitecturas como VGGNet, ResNet e Inception permiten la extracción automática de características jerárquicas a múltiples escalas, eliminando la necesidad de diseño manual de características (Krizhevsky et al., 2012).

Redes Recurrentes (RNN/LSTM): Las redes Long Short-Term Memory (LSTM) permiten modelar dependencias a largo plazo en secuencias de caracteres, siendo fundamentales para el reconocimiento de texto de longitud variable (Graves et al., 2009).

Mecanismos de Atención y Transformers: La arquitectura Transformer (Vaswani et al., 2017) y sus variantes han revolucionado el procesamiento de secuencias, permitiendo capturar relaciones globales sin las limitaciones de las RNN. Modelos como TrOCR (Li et al., 2023) representan el estado del arte actual.

Connectionist Temporal Classification (CTC): La función de pérdida CTC (Graves et al., 2006) permite entrenar modelos de reconocimiento de secuencias sin necesidad de alineamiento carácter por carácter, simplificando enormemente el proceso de entrenamiento.

Pipeline Moderno de OCR

Los sistemas OCR modernos siguen típicamente un pipeline de dos etapas principales, precedidas opcionalmente por una fase de preprocesamiento:

Etapa de Preprocesamiento

Antes de la detección, muchos sistemas aplican técnicas de preprocesamiento para mejorar la calidad de la imagen de entrada:

·     Binarización: Conversión a imagen binaria (blanco/negro) mediante técnicas como Otsu o Sauvola

·     Corrección de inclinación (deskewing): Alineamiento horizontal del texto

·     Eliminación de ruido: Filtros morfológicos y de suavizado

·     Normalización de contraste: Mejora de la legibilidad mediante ecualización de histograma

Etapa 1: Detección de Texto (Text Detection)

La detección de texto tiene como objetivo localizar todas las regiones de una imagen que contienen texto. Esta tarea es particularmente desafiante debido a la variabilidad en:

·     Tamaño y orientación del texto

·     Fondos complejos y oclusiones parciales

·     Texto curvo o deformado

·     Múltiples idiomas y scripts en una misma imagen

Las arquitecturas más utilizadas para detección de texto incluyen:

EAST (Efficient and Accurate Scene Text Detector): Propuesto por Zhou et al. (2017), EAST es un detector de una sola etapa que predice directamente cuadriláteros rotados o polígonos que encierran el texto. Su arquitectura FCN (Fully Convolutional Network) permite procesamiento eficiente de imágenes de alta resolución.

CRAFT (Character Region Awareness for Text Detection): Desarrollado por Baek et al. (2019), CRAFT detecta regiones de caracteres individuales y las agrupa en palabras mediante el análisis de mapas de afinidad. Esta aproximación bottom-up es especialmente efectiva para texto con espaciado irregular.

DB (Differentiable Binarization): Propuesto por Liao et al. (2020), DB introduce una operación de binarización diferenciable que permite entrenar end-to-end un detector de texto basado en segmentación. Esta arquitectura es la utilizada por PaddleOCR y destaca por su velocidad y precisión.

Etapa 2: Reconocimiento de Texto (Text Recognition)

Una vez detectadas las regiones de texto, la etapa de reconocimiento transcribe el contenido visual a texto digital. Las arquitecturas predominantes son:

CRNN (Convolutional Recurrent Neural Network): Propuesta por Shi et al. (2016), CRNN combina una CNN para extracción de características visuales con una RNN bidireccional (típicamente LSTM) para modelado de secuencias, entrenada con pérdida CTC. Esta arquitectura estableció el paradigma encoder-decoder que domina el campo.

La arquitectura CRNN consta de tres componentes:

1.   Capas convolucionales: Extraen características visuales de la imagen de entrada

2.   Capas recurrentes: Modelan las dependencias secuenciales entre características

3.   Capa de transcripción: Convierte las predicciones de la RNN en secuencias de caracteres mediante CTC

SVTR (Scene-Text Visual Transformer Recognition): Desarrollado por Du et al. (2022), SVTR aplica la arquitectura Transformer al reconocimiento de texto, utilizando parches de imagen como tokens de entrada. Esta aproximación elimina la necesidad de RNN y permite capturar dependencias globales de manera más eficiente.

Arquitecturas con Atención: Los modelos encoder-decoder con mecanismos de atención (Bahdanau et al., 2015) permiten al decodificador "enfocarse" en diferentes partes de la imagen mientras genera cada carácter. Esto es especialmente útil para texto largo o con layouts complejos.

TrOCR (Transformer-based OCR): Propuesto por Li et al. (2023), TrOCR utiliza un Vision Transformer (ViT) como encoder y un Transformer de lenguaje como decoder, logrando resultados estado del arte en múltiples benchmarks.

Métricas de Evaluación

La evaluación rigurosa de sistemas OCR requiere métricas estandarizadas que permitan comparaciones objetivas. Las métricas fundamentales se basan en la distancia de edición de Levenshtein.

Distancia de Levenshtein

La distancia de Levenshtein (Levenshtein, 1966) entre dos cadenas es el número mínimo de operaciones de edición (inserción, eliminación, sustitución) necesarias para transformar una cadena en otra. Formalmente, para dos cadenas a y b:

$$d(a,b)=min(\text{inserciones}+\text{eliminaciones}+\text{sustituciones})$$

Esta métrica es fundamental para calcular tanto CER como WER.

Character Error Rate (CER)

El CER mide el error a nivel de carácter y se calcula como:

$$CER=\frac{S+D+I}{N}$$

Donde:

·     S = número de sustituciones de caracteres

·     D = número de eliminaciones de caracteres

·     I = número de inserciones de caracteres

·     N = número total de caracteres en el texto de referencia

Un CER bajo indica que el sistema comete pocos errores a nivel de carácter. Para aplicaciones críticas se requiere un nivel de error muy reducido, mientras que en tareas de búsqueda o archivo pueden aceptarse errores mayores.

Word Error Rate (WER)

El WER mide el error a nivel de palabra, utilizando la misma fórmula pero considerando palabras como unidades:

$$WER=\frac{S_w+D_w+I_w}{N_w}$$

El WER es generalmente mayor que el CER, ya que un solo error de carácter puede invalidar una palabra completa. Esta diferencia es relevante cuando se comparan sistemas que preservan caracteres pero pierden palabras completas.

Otras Métricas Complementarias

Precision y Recall a nivel de palabra: Útiles cuando se evalúa la capacidad del sistema para detectar palabras específicas.

Bag-of-Words Accuracy: Mide la proporción de palabras correctamente reconocidas independientemente de su orden.

BLEU Score: Adaptado de traducción automática, mide la similitud entre el texto predicho y la referencia considerando n-gramas.

Particularidades del OCR para el Idioma Español

El español, como lengua romance, presenta características específicas que impactan el rendimiento de los sistemas OCR:

Características Ortográficas

Caracteres especiales: El español incluye caracteres no presentes en el alfabeto inglés básico:

·     La letra eñe (ñ, Ñ)

·     Vocales acentuadas (á, é, í, ó, ú, Á, É, Í, Ó, Ú)

·     Diéresis sobre u (ü, Ü)

·     Signos de puntuación invertidos (¿, ¡)

Estos caracteres requieren que los modelos OCR incluyan dichos símbolos en su vocabulario de salida y que el entrenamiento incluya suficientes ejemplos de cada uno.

Diacríticos y acentos: Los acentos gráficos del español son elementos pequeños que pueden confundirse fácilmente con ruido, artefactos de imagen o signos de puntuación. La distinción entre vocales acentuadas y no acentuadas es crucial para el significado (e.g., "él" vs "el", "más" vs "mas").

Características Lingüísticas

Longitud de palabras: Las palabras en español tienden a ser más largas que en inglés debido a la morfología flexiva rica (conjugaciones verbales, géneros, plurales). Esto puede aumentar la probabilidad de error acumulativo.

Vocabulario: El español tiene un vocabulario amplio con muchas variantes morfológicas de cada raíz. Los modelos de lenguaje utilizados para post-corrección deben contemplar esta diversidad.

Recursos y Datasets

Los recursos disponibles para OCR en español son significativamente menores que para inglés o chino:

·     Menor cantidad de datasets etiquetados de gran escala

·     Menos modelos preentrenados específicos para español

·     Documentación y tutoriales predominantemente en inglés

Esta escasez de recursos específicos para español motiva la necesidad de técnicas de adaptación como la optimización de hiperparámetros explorada en este trabajo.

Estado del arte

Soluciones OCR de Código Abierto

En los últimos años han surgido varias soluciones OCR de código abierto que democratizan el acceso a esta tecnología. A continuación se analizan en detalle las tres principales alternativas evaluadas en este trabajo.

EasyOCR

EasyOCR es una biblioteca de OCR desarrollada por Jaided AI (2020) con el objetivo de proporcionar una solución de fácil uso que soporte múltiples idiomas. Actualmente soporta más de 80 idiomas, incluyendo español.

Arquitectura técnica:

·     Detector: CRAFT (Character Region Awareness for Text Detection)

·     Reconocedor: CRNN con backbone ResNet/VGG + BiLSTM + CTC

·     Modelos preentrenados: Disponibles para descarga automática

Características principales:

·     API simple de una línea para casos de uso básicos

·     Soporte para GPU (CUDA) y CPU

·     Reconocimiento de múltiples idiomas en una misma imagen

·     Bajo consumo de memoria comparado con otras soluciones

Limitaciones identificadas:

·     Opciones de configuración limitadas (pocos hiperparámetros ajustables)

·     Menor precisión en documentos con layouts complejos

·     Actualizaciones menos frecuentes que otras alternativas

·     Documentación menos exhaustiva

Caso de uso ideal: Prototipado rápido, aplicaciones con restricciones de memoria, proyectos que requieren soporte multilingüe inmediato.

PaddleOCR

PaddleOCR es el sistema OCR desarrollado por Baidu como parte del ecosistema PaddlePaddle (2024). Representa una de las soluciones más completas y activamente mantenidas en el ecosistema de código abierto. La versión PP-OCRv5, utilizada en este trabajo, incorpora los últimos avances en el campo.

Arquitectura técnica:

El pipeline de PaddleOCR consta de tres módulos principales:

1.   Detector de texto (DB - Differentiable Binarization):

- Backbone: ResNet18/ResNet50 - Neck: FPN (Feature Pyramid Network) - Head: Segmentación con binarización diferenciable - Salida: Polígonos que encierran regiones de texto

1.   Clasificador de orientación:

- Determina si el texto está rotado 0° o 180° - Permite corrección automática de texto invertido - Opcional pero recomendado para documentos escaneados

1.   Reconocedor de texto (SVTR):

- Encoder: Vision Transformer modificado - Decoder: CTC o Attention-based - Vocabulario: Configurable por idioma

Hiperparámetros configurables:

PaddleOCR expone numerosos hiperparámetros que permiten ajustar el comportamiento del sistema. Los más relevantes para este trabajo son:

Fortalezas de PaddleOCR:

·     Alta precisión en múltiples benchmarks

·     Pipeline altamente configurable

·     Modelos optimizados para servidor (mayor precisión) y móvil (mayor velocidad)

·     Documentación exhaustiva (aunque principalmente en chino)

·     Comunidad activa y actualizaciones frecuentes

·     Soporte para entrenamiento personalizado (fine-tuning)

Limitaciones:

·     Dependencia del framework PaddlePaddle (menos popular que PyTorch/TensorFlow)

·     Curva de aprendizaje más pronunciada

·     Documentación en inglés menos completa que en chino

DocTR

DocTR (Document Text Recognition) es una biblioteca desarrollada por Mindee (2021), empresa especializada en procesamiento inteligente de documentos. Está orientada a la comunidad de investigación y ofrece una API limpia basada en TensorFlow/PyTorch.

Arquitectura técnica:

·     Detectores disponibles: DB (db_resnet50), LinkNet (linknet_resnet18)

·     Reconocedores disponibles: CRNN (crnn_vgg16_bn), SAR (sar_resnet31), ViTSTR (vitstr_small)

·     Framework: TensorFlow 2.x o PyTorch

Características principales:

·     API Pythonic bien diseñada

·     Salida estructurada con información de confianza y geometría

·     Integración nativa con Hugging Face Hub

·     Documentación orientada a investigación

Limitaciones identificadas:

·     Menor rendimiento en español comparado con PaddleOCR según pruebas preliminares

·     Comunidad más pequeña

·     Menos opciones de modelos preentrenados para idiomas no ingleses

Comparativa Detallada de Soluciones

Optimización de Hiperparámetros

Fundamentos Teóricos

La optimización de hiperparámetros (HPO, Hyperparameter Optimization) es el proceso de encontrar la configuración óptima de los parámetros que controlan el proceso de aprendizaje o inferencia de un modelo, pero que no se aprenden directamente de los datos (Feurer & Hutter, 2019).

A diferencia de los parámetros del modelo (como los pesos de una red neuronal), los hiperparámetros se establecen antes del entrenamiento e incluyen:

·     Tasa de aprendizaje, tamaño de batch, número de épocas

·     Arquitectura del modelo (número de capas, unidades por capa)

·     Parámetros de regularización (dropout, weight decay)

·     Umbrales de decisión en tiempo de inferencia (relevante para este trabajo)

El problema de HPO puede formalizarse como:

$${\lambda }^{*}={argmin}_{\lambda \in \Lambda }ℒ(M_{\lambda },D_{val})$$

Donde:

·     $\lambda$ es un vector de hiperparámetros

·     $\Lambda$ es el espacio de búsqueda

·     $M_{\lambda }$ es el modelo configurado con $\lambda$

·     $ℒ$ es la función de pérdida

·     $D_{val}$ es el conjunto de validación

Métodos de Optimización

Grid Search (Búsqueda en rejilla):

Ventajas:

·     Exhaustivo y reproducible

·     Fácil de paralelizar

·     Garantiza encontrar el óptimo dentro de la rejilla

Desventajas:

·     Coste exponencial con el número de hiperparámetros

·     Ineficiente si algunos hiperparámetros son más importantes que otros

·     No aprovecha información de evaluaciones previas

Random Search (Búsqueda aleatoria):

Propuesto por Bergstra & Bengio (2012), Random Search muestrea configuraciones aleatoriamente del espacio de búsqueda. Sorprendentemente, supera a Grid Search en muchos escenarios prácticos.

La intuición es que, cuando solo algunos hiperparámetros son importantes, Random Search explora más valores de estos parámetros críticos mientras Grid Search desperdicia evaluaciones variando parámetros irrelevantes.

Optimización Bayesiana:

La optimización bayesiana modela la función objetivo mediante un modelo probabilístico sustituto (surrogate model) y utiliza una función de adquisición para decidir qué configuración evaluar a continuación (Bergstra et al., 2011).

El proceso iterativo es:

1.   Ajustar el modelo sustituto a las observaciones actuales

2.   Optimizar la función de adquisición para seleccionar el siguiente punto

3.   Evaluar la función objetivo en el punto seleccionado

4.   Actualizar las observaciones y repetir

Los modelos sustitutos más comunes son:

·     Procesos Gaussianos (GP): Proporcionan incertidumbre bien calibrada pero escalan pobremente

·     Random Forests: Manejan bien espacios de alta dimensión y variables categóricas

·     Tree-structured Parzen Estimator (TPE): Modela densidades en lugar de la función objetivo

Tree-structured Parzen Estimator (TPE)

$$p(\lambda |y)=\{\begin{array}{cc}l(\lambda )\hfill & \text{si }y<y^{*}\hfill \\ g(\lambda )\hfill & \text{si }y\ge y^{*}\hfill \end{array}$$

La función de adquisición Expected Improvement se aproxima como:

$$EI(\lambda )\propto \frac{l(\lambda )}{g(\lambda )}$$

Ventajas de TPE:

·     Maneja naturalmente espacios condicionales (hiperparámetros que dependen de otros)

·     Eficiente para espacios de alta dimensión

·     No requiere derivadas de la función objetivo

·     Implementación eficiente en Optuna

Ray Tune

Ray Tune (Liaw et al., 2018) es un framework de optimización de hiperparámetros escalable construido sobre Ray, un sistema de computación distribuida. Sus características principales incluyen:

Escalabilidad:

·     Ejecución paralela de múltiples trials

·     Distribución automática en clusters

·     Soporte para recursos heterogéneos (CPU/GPU)

Flexibilidad:

·     Integración con múltiples algoritmos de búsqueda (Optuna, HyperOpt, Ax, etc.)

·     Schedulers avanzados (ASHA, PBT, BOHB)

·     Checkpointing y recuperación de fallos

Early Stopping:

·     ASHA (Asynchronous Successive Halving Algorithm): Termina trials poco prometedores

·     PBT (Population-Based Training): Evoluciona hiperparámetros durante el entrenamiento

Integración con Optuna:

La combinación de Ray Tune con OptunaSearch permite:

1.   Utilizar TPE como algoritmo de búsqueda

2.   Paralelizar la evaluación de trials

3.   Beneficiarse de la infraestructura de Ray para distribución

4.   Acceder a las visualizaciones de Optuna

HPO en Sistemas OCR

La aplicación de HPO a sistemas OCR ha sido explorada en varios contextos:

Optimización de preprocesamiento:

Liang et al. (2005) propusieron optimizar parámetros de binarización adaptativa para mejorar el OCR de documentos degradados. Los parámetros optimizados incluían tamaño de ventana, factor de corrección y umbral local.

Optimización de arquitectura:

Breuel (2013) exploró la selección automática de arquitecturas de red para reconocimiento de texto manuscrito, optimizando número de capas, unidades y tipo de activación.

Optimización de post-procesamiento:

Schulz & Kuhn (2017) optimizaron parámetros de modelos de lenguaje para corrección de errores OCR, incluyendo pesos de interpolación entre modelos de caracteres y palabras.

Vacío en la literatura:

A pesar de estos trabajos, existe un vacío significativo respecto a la optimización sistemática de hiperparámetros de inferencia en pipelines OCR modernos como PaddleOCR. La mayoría de trabajos se centran en:

·     Entrenamiento de modelos (fine-tuning)

·     Preprocesamiento de imagen

·     Post-procesamiento lingüístico

La optimización de umbrales de detección y reconocimiento en tiempo de inferencia ha recibido poca atención, especialmente para idiomas diferentes del inglés y chino.

Datasets y Benchmarks para Español

Datasets Públicos

Los principales recursos para evaluación de OCR en español incluyen:

FUNSD-ES: Versión en español del Form Understanding in Noisy Scanned Documents dataset. Contiene formularios escaneados con anotaciones de texto y estructura.

MLT (ICDAR Multi-Language Text): Dataset multilingüe de las competiciones ICDAR que incluye muestras en español. Las ediciones recientes contienen texto en escenas naturales.

XFUND: Dataset de comprensión de formularios en múltiples idiomas, incluyendo español, con anotaciones de entidades y relaciones.

Limitaciones de Recursos para Español

Comparado con inglés y chino, el español cuenta con:

·     Menor cantidad de datasets etiquetados de gran escala

·     Menos benchmarks estandarizados

·     Menor representación en competiciones internacionales (ICDAR)

·     Pocos modelos preentrenados específicos

Esta escasez de recursos específicos para español motivó la creación de un dataset propio basado en documentos académicos de UNIR para este trabajo.

Además, se priorizó un dataset propio aunque fuera de tamaño reducido porque el objetivo era evaluar texto académico en un formato sencillo y reproducible (texto plano con índice), sin tablas ni estructuras complejas. Ese perfil no está bien cubierto por datasets públicos centrados en formularios o escenas naturales, por lo que se optó por un corpus controlado y alineado con el dominio del TFM.

Trabajos Previos en OCR para Español

Los trabajos previos en OCR para español se han centrado principalmente en:

Digitalización de archivos históricos: Múltiples proyectos han abordado el reconocimiento de manuscritos coloniales y documentos históricos en español, utilizando técnicas de HTR (Handwritten Text Recognition) adaptadas (Romero et al., 2013).

Procesamiento de documentos de identidad: Sistemas OCR especializados para DNI, pasaportes y documentos oficiales españoles y latinoamericanos (Bulatov et al., 2020).

Reconocimiento de texto en escenas: Participaciones en competiciones ICDAR para detección y reconocimiento de texto en español en imágenes naturales.

La optimización de hiperparámetros para documentos académicos en español representa una contribución original de este trabajo, abordando un nicho no explorado en la literatura.

Conclusiones del capítulo

La revisión del estado del arte revela un panorama en el que las herramientas técnicas están maduras, pero su aplicación óptima para dominios específicos permanece poco explorada. Los sistemas OCR modernos, como PaddleOCR, EasyOCR y DocTR, ofrecen arquitecturas sofisticadas basadas en aprendizaje profundo que alcanzan resultados impresionantes en benchmarks estándar. Sin embargo, estos resultados no siempre se trasladan a documentos del mundo real, especialmente en idiomas con menos recursos como el español.

La evolución desde los sistemas de plantillas de los años 50 hasta los Transformers actuales ha sido espectacular, pero ha generado sistemas con decenas de hiperparámetros configurables cuyos valores por defecto representan compromisos generales, no configuraciones óptimas para dominios específicos. La literatura abunda en trabajos sobre entrenamiento y fine-tuning de modelos OCR, pero dedica poca atención a la optimización sistemática de los parámetros de inferencia, como umbrales de detección, opciones de preprocesamiento y filtros de confianza, que pueden marcar la diferencia entre un sistema usable y uno que requiere corrección manual extensiva.

Este vacío, combinado con las particularidades del español (acentos, eñes, signos invertidos) y la escasez de recursos específicos para este idioma, define el espacio de contribución del presente trabajo. Frameworks como Ray Tune y Optuna proporcionan las herramientas para abordar esta optimización de manera sistemática; PaddleOCR, con su pipeline altamente configurable, ofrece el sustrato técnico adecuado. El siguiente capítulo traduce esta oportunidad en objetivos concretos y una metodología experimental rigurosa.

3.   Objetivos concretos y metodología de trabajo

La motivación presentada en el capítulo anterior se traduce ahora en objetivos concretos y medibles. Siguiendo la metodología SMART propuesta por Doran (1981), se define un objetivo general que guía el trabajo y cinco objetivos específicos que lo descomponen en metas alcanzables. La segunda parte del capítulo describe la metodología experimental diseñada para alcanzar estos objetivos.

Objetivo general

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.

Justificación SMART del Objetivo General

Objetivos específicos

OE1: Comparar soluciones OCR de código abierto

Evaluar el rendimiento base de EasyOCR, PaddleOCR y DocTR en documentos académicos en español, utilizando CER y WER como métricas, para seleccionar el modelo más prometedor.

OE2: Preparar un dataset de evaluación

Construir un dataset estructurado de imágenes de documentos académicos en español con su texto de referencia (ground truth) extraído del PDF original.

OE3: Identificar hiperparámetros críticos

Analizar la correlación entre los hiperparámetros de PaddleOCR y las métricas de error para identificar los parámetros con mayor impacto en el rendimiento.

OE4: Optimizar hiperparámetros con Ray Tune

Ejecutar una búsqueda automatizada de hiperparámetros utilizando Ray Tune con Optuna, evaluando al menos 50 configuraciones diferentes.

OE5: Validar la configuración optimizada

Comparar el rendimiento de la configuración baseline versus la configuración optimizada sobre el dataset completo, documentando la mejora obtenida.

Metodología del trabajo

Visión General

La metodología se estructura en cinco fases secuenciales, cada una de las cuales produce resultados que alimentan la siguiente. Desde la preparación del dataset hasta la validación final, el proceso sigue un diseño experimental. Esto permite reproducir y verificar cada paso.

Descripción de las fases:

·     Fase 1 - Preparación del Dataset: Conversión PDF a imágenes (300 DPI), extracción de ground truth con PyMuPDF

·     Fase 2 - Benchmark Comparativo: Evaluación de EasyOCR, PaddleOCR, DocTR con métricas CER/WER

·     Fase 3 - Espacio de Búsqueda: Identificación de hiperparámetros y configuración de Ray Tune + Optuna

·     Fase 4 - Optimización: Ejecución de 64 trials con paralelización (2 concurrentes)

·     Fase 5 - Validación: Comparación baseline vs optimizado, análisis de correlaciones

Fase 1: Preparación del Dataset

Fuente de Datos

Se utilizaron documentos PDF académicos de UNIR (Universidad Internacional de La Rioja), específicamente las instrucciones para la elaboración del TFE del Máster en Inteligencia Artificial.

Proceso de Conversión

El script prepare_dataset.ipynb implementa:

1.   Conversión PDF a imágenes:

- Biblioteca: PyMuPDF (fitz) - Resolución: 300 DPI - Formato de salida: PNG

1.   Extracción de texto de referencia:

- Método: page.get_text("dict") de PyMuPDF - Preservación de estructura de líneas - Tratamiento de texto vertical/marginal - Normalización de espacios y saltos de línea

Estructura del Dataset

Clase ImageTextDataset

Se implementó una clase Python para cargar pares imagen-texto que retorna tuplas (PIL.Image, str) desde carpetas pareadas. La implementación se encuentra en:

·     src/prepare_dataset.ipynb

·     src/paddle_ocr/dataset_manager.py

·     src/easyocr_service/dataset_manager.py

·     src/doctr_service/dataset_manager.py

Fase 2: Benchmark Comparativo

Modelos Evaluados

Métricas de Evaluación

Se utilizó la biblioteca jiwer para calcular CER y WER comparando el texto de referencia con la predicción del modelo OCR. La implementación se encuentra en:

·     src/paddle_ocr/paddle_ocr_tuning_rest.py

·     src/easyocr_service/easyocr_tuning_rest.py

·     src/doctr_service/doctr_tuning_rest.py

Fase 3: Espacio de Búsqueda

Hiperparámetros Seleccionados

Configuración de Ray Tune

El espacio de búsqueda se definió utilizando tune.choice() para parámetros booleanos y tune.uniform() para parámetros continuos, con OptunaSearch como algoritmo de optimización configurado para minimizar CER en 64 trials. La implementación completa está disponible en src/raytune/raytune_ocr.py (ver Anexo A).

Fase 4: Ejecución de Optimización

Arquitectura de Ejecución

Se implementó una arquitectura basada en contenedores Docker para aislar los servicios OCR y facilitar la reproducibilidad (ver sección 4.2.3 para detalles de la arquitectura).

Ejecución con Docker Compose

Los servicios se orquestan mediante Docker Compose:

·     src/docker-compose.tuning.paddle.yml

·     src/docker-compose.tuning.doctr.yml

·     src/docker-compose.tuning.easyocr.yml

·     src/docker-compose.tuning.yml

# Iniciar servicio OCR
docker compose -f docker-compose.tuning.doctr.yml up -d doctr-gpu

# Ejecutar optimización (64 trials)
docker compose -f docker-compose.tuning.doctr.yml run raytune --service doctr --samples 64

# Detener servicios
docker compose -f docker-compose.tuning.doctr.yml down

El servicio OCR expone una API REST que retorna métricas en formato JSON. Ejemplo real de un trial con mejor CER:

{
    "CER": 0.007884,
    "WER": 0.077848,
    "TIME_PER_PAGE": 0.5895
}

Fase 5: Validación

Protocolo de Validación

1.   Baseline: Ejecución con configuración por defecto de PaddleOCR

2.   Optimizado: Ejecución con mejor configuración encontrada

3.   Comparación: Evaluación sobre las 45 páginas del dataset completo

4.   Métricas reportadas: CER, WER, tiempo de procesamiento

Entorno de Ejecución

Hardware

Software

Justificación de Ejecución Local vs Cloud

La decisión de ejecutar los experimentos en hardware local en lugar de utilizar servicios cloud se fundamenta en un análisis de costos y beneficios operativos.

Para las tareas específicas de este proyecto, los costos estimados en cloud serían:

Las ventajas de la ejecución local incluyen:

1.   Costo cero de GPU: La RTX 3060 ya está disponible en el equipo de desarrollo

2.   Sin límites de tiempo: AWS y Colab imponen timeouts de sesión que interrumpen experimentos largos

3.   Acceso instantáneo: Sin tiempo de aprovisionamiento de instancias cloud

4.   Almacenamiento local: Dataset y resultados en disco sin costos de transferencia

5.   Iteración rápida: Reinicio inmediato de contenedores Docker para depuración

Para un proyecto de investigación con múltiples iteraciones de ajuste de hiperparámetros, la ejecución local reduce costos frente a servicios cloud. Este análisis se detalla en docs/metrics/metrics.md.)

Limitaciones Metodológicas

1.   Tamaño del dataset: El dataset contiene 45 páginas de documentos académicos UNIR. Resultados pueden no generalizar a otros formatos.

1.   Subconjunto de optimización: El ajuste de hiperparámetros se realizó sobre 5 páginas (páginas 5-10), lo que contribuyó al sobreajuste observado en la validación del dataset completo.

1.   Texto de referencia imperfecto: El texto de referencia extraído de PDF puede contener errores en documentos con diseños complejos.

1.   Parámetro fijo: text_det_unclip_ratio quedó fijado en 0.0 durante todo el experimento por decisión de diseño inicial.

Síntesis del capítulo

Los objetivos y la metodología definidos en este capítulo establecen el marco para la experimentación. El objetivo general, alcanzar un CER inferior al 2% mediante optimización de hiperparámetros, se descompone en cinco objetivos específicos que abarcan desde la comparativa inicial de soluciones hasta la validación final de la configuración optimizada.

La metodología experimental en cinco fases garantiza un proceso sistemático y reproducible: preparación de un dataset de 45 páginas, benchmark comparativo de tres motores OCR, definición del espacio de búsqueda, ejecución de 64 trials con Ray Tune y Optuna, y validación de la configuración resultante. Las limitaciones metodológicas, como el tamaño del dataset, el subconjunto de optimización reducido y el texto de referencia automático, se reconocen explícitamente para contextualizar la interpretación de resultados.

El capítulo siguiente pone en práctica esta metodología, presentando el desarrollo experimental completo con sus resultados y análisis.

4.   Desarrollo específico de la contribución

El presente capítulo constituye el núcleo técnico de este trabajo fin de máster. Siguiendo la estructura de "Comparativa de soluciones" establecida por las instrucciones de UNIR, se desarrollan tres fases interrelacionadas. Estas fases son tres: planteamiento y ejecución del benchmark comparativo, optimización de hiperparámetros mediante Ray Tune, y análisis e interpretación de los resultados.

Planteamiento de la comparativa

Introducción

Antes de abordar la optimización de hiperparámetros, era necesario seleccionar el motor OCR que serviría como base para la experimentación. Para ello, se realizó un estudio comparativo entre tres soluciones de código abierto representativas del estado del arte: EasyOCR, PaddleOCR y DocTR. Los experimentos, documentados en los informes de métricas y en los CSV de resultados del repositorio, permitieron identificar el modelo más prometedor para la fase de optimización posterior.

Identificación del Problema

El reconocimiento óptico de caracteres en documentos académicos en español presenta desafíos específicos que la literatura no ha abordado en profundidad. A diferencia de los benchmarks estándar en inglés, los documentos académicos hispanohablantes combinan características ortográficas propias, como acentos, eñes, diéresis y signos de puntuación invertidos, con una estructura sencilla basada en índice y encabezados.

Los documentos académicos típicos incluyen texto corrido con índice, listas numeradas, encabezados multinivel y notas al pie, lo que complica la tarea de ordenación del texto reconocido. A esto se suma el uso de tipografía profesional con múltiples fuentes, tamaños y estilos (negrita, cursiva), que puede confundir a los modelos de reconocimiento. Aunque los PDFs digitales suelen tener alta calidad, pueden contener artefactos de compresión que degradan la legibilidad de caracteres pequeños o de bajo contraste.

Alternativas Evaluadas

Se seleccionaron tres soluciones OCR de código abierto representativas del estado del arte:

Imágenes Docker disponibles en el registro del proyecto:

·     PaddleOCR: seryus.ddns.net/unir/paddle-ocr-gpu, seryus.ddns.net/unir/paddle-ocr-cpu

·     EasyOCR: seryus.ddns.net/unir/easyocr-gpu

·     DocTR: seryus.ddns.net/unir/doctr-gpu

Criterios de Éxito

Los criterios establecidos para evaluar las soluciones fueron:

1.   Precisión (CER < 5%): Error de caracteres aceptable para documentos académicos

2.   Configurabilidad: Disponibilidad de hiperparámetros ajustables

3.   Soporte para español: Modelos preentrenados que incluyan el idioma

4.   Documentación: Calidad de la documentación técnica

5.   Mantenimiento activo: Actualizaciones recientes y comunidad activa

Configuración del Experimento

Dataset de Evaluación

Se utilizó el documento "Instrucciones para la redacción y elaboración del TFE" del Máster Universitario en Inteligencia Artificial de UNIR, ubicado en la carpeta instructions/.

Proceso de Conversión

La conversión del PDF a imágenes se realizó mediante PyMuPDF (fitz) a 300 DPI, resolución estándar para OCR que proporciona suficiente detalle para caracteres pequeños sin generar archivos excesivamente grandes. La implementación está disponible en src/prepare_dataset.ipynb.

Extracción del Ground Truth

El texto de referencia se extrajo directamente del PDF mediante PyMuPDF, preservando la estructura de líneas del documento original. Esta aproximación puede introducir errores en el orden de lectura cuando hay secciones con encabezados, listas o saltos de línea, por lo que se documenta junto al pipeline de preparación en src/prepare_dataset.ipynb. Para la comparación entre motores, las salidas se guardan en debugset/ al activar save_output=True, y el flujo de trabajo se describe en src/README.md y en los README de cada servicio: src/paddle_ocr/README.md, src/easyocr_service/README.md, src/doctr_service/README.md.

Configuración de los Modelos

La configuración de cada modelo se detalla en los README de cada servicio y sus ficheros de dependencias:

·     EasyOCR: Configurado con soporte para español e inglés, permitiendo reconocer palabras en ambos idiomas que puedan aparecer en documentos académicos (referencias, términos técnicos).

·     PaddleOCR (PP-OCRv5): Se utilizaron los modelos Mobile, adecuados para la VRAM disponible. Los modelos Server se probaron y produjeron OOM en este hardware. La versión utilizada fue PaddleOCR 3.3.2.

·     DocTR: Se seleccionaron las arquitecturas db_resnet50 para detección y sar_resnet31 para reconocimiento, representando una configuración de alta precisión.

Métricas de Evaluación

Se utilizó la biblioteca jiwer para calcular CER y WER de manera estandarizada. La normalización a minúsculas y eliminación de espacios extremos asegura una comparación justa que no penaliza diferencias de capitalización. La implementación está disponible en src/paddle_ocr/paddle_ocr_tuning_rest.py, src/easyocr_service/easyocr_tuning_rest.py y src/doctr_service/doctr_tuning_rest.py.

Resultados del Benchmark

Resultados de PaddleOCR (Configuración Baseline)

Durante el benchmark inicial se evaluó PaddleOCR con configuración por defecto en un subconjunto del dataset. Los resultados preliminares mostraron variabilidad significativa entre páginas, en función de los cambios de formato y de la estructura del texto.

Observaciones del benchmark inicial:

1.   Las páginas con más cambios de formato y listados presentaron mayor error debido a la dificultad de ordenar correctamente las líneas de texto.

1.   La página con texto corrido continuo obtuvo el mejor resultado, demostrando la capacidad del modelo para texto estándar.

1.   El promedio general se situó en un rango medio de error, con margen de mejora.

1.   Los errores más frecuentes fueron: confusión de acentos, caracteres duplicados, y errores en signos de puntuación.

Comparativa de Modelos

Los tres modelos evaluados representan diferentes paradigmas de OCR:

Análisis Cualitativo de Errores

Un análisis cualitativo de los errores producidos reveló patrones específicos:

Errores de acentuación:

·     información → informacion (pérdida de acento)

·     más → mas (cambio de significado)

·     él → el (cambio de significado)

Errores de caracteres especiales:

·     año → ano (pérdida de eñe)

·     ¿Cómo → Como (pérdida de signos invertidos)

Errores de duplicación:

·     titulación → titulacióon (carácter duplicado)

·     documento → doccumento (consonante duplicada)

Ejemplo de predicción de PaddleOCR para una página:

"Escribe siempre al menos un párrafo de introducción en cada capítulo o apartado, explicando de qué vas a tratar en esa sección. Evita que aparezcan dos encabezados de nivel consecutivos sin ningún texto entre medias. [...] En esta titulacióon se cita de acuerdo con la normativa Apa."

Errores identificados en este ejemplo:

·     titulacióon en lugar de titulación (carácter duplicado)

·     Apa en lugar de APA (capitalización)

Justificación de la Selección de PaddleOCR

Criterios de Selección

La selección de PaddleOCR para la fase de optimización se basó en los siguientes criterios:

Hiperparámetros Disponibles en PaddleOCR

PaddleOCR expone múltiples hiperparámetros ajustables, clasificados por etapa del pipeline:

Detección:

·     text_det_thresh: Umbral de probabilidad para píxeles de texto

·     text_det_box_thresh: Umbral de confianza para cajas detectadas

·     text_det_unclip_ratio: Factor de expansión de cajas

Reconocimiento:

·     text_rec_score_thresh: Umbral de confianza para resultados

Preprocesamiento:

·     use_textline_orientation: Clasificación de orientación de línea

·     use_doc_orientation_classify: Clasificación de orientación de documento

·     use_doc_unwarping: Corrección de deformación

Esta riqueza de configuración permite explorar sistemáticamente el espacio de hiperparámetros mediante técnicas de optimización automática.

Decisión Final

Se selecciona PaddleOCR (PP-OCRv5) para la fase de optimización debido a:

1.   Resultados iniciales prometedores: Rendimiento base competitivo con margen de mejora

2.   Alta configurabilidad: Múltiples hiperparámetros ajustables en tiempo de inferencia

3.   Pipeline modular: Permite aislar el impacto de cada componente

4.   Soporte activo para español: Modelos específicos y actualizaciones frecuentes

5.   Documentación técnica: Descripción detallada de cada parámetro

Limitaciones del Benchmark

1.   Tamaño reducido: Solo 5 páginas evaluadas en el benchmark comparativo inicial. Esto limita la generalización de las conclusiones.

1.   Único tipo de documento: Documentos académicos de UNIR únicamente. Otros tipos de documentos (facturas, formularios, contratos) podrían presentar resultados diferentes.

1.   Ground truth automático: El texto de referencia se extrajo programáticamente del PDF, lo cual puede introducir errores en el orden de lectura cuando hay secciones con encabezados y saltos de línea.

1.   Referencia CPU separada: Los tiempos en CPU se midieron en un experimento independiente y solo se usan como comparación de rendimiento frente a GPU.

Síntesis del Benchmark

El benchmark comparativo ha permitido identificar PaddleOCR como la solución más prometedora para la fase de optimización, gracias a su combinación de rendimiento base competitivo, alta configurabilidad del pipeline y documentación técnica completa. Sin embargo, el análisis también reveló limitaciones importantes: el tamaño reducido del benchmark (5 páginas), la restricción a un único tipo de documento, y la extracción automática del ground truth que puede introducir errores en el orden de lectura cuando hay secciones con encabezados y saltos de línea. Estas limitaciones se tendrán en cuenta al interpretar los resultados de la fase de optimización.

Desarrollo de la comparativa: Optimización de hiperparámetros

Introducción

Una vez seleccionado PaddleOCR como motor base, el siguiente paso fue explorar sistemáticamente su espacio de configuración para identificar los hiperparámetros que maximizan el rendimiento en documentos académicos en español. Para ello se empleó Ray Tune con el algoritmo de búsqueda Optuna, una combinación que permite explorar eficientemente espacios de búsqueda mixtos (parámetros continuos y categóricos). Los experimentos se implementaron en src/run_tuning.py con apoyo de la librería src/raytune_ocr.py, almacenándose los resultados en src/results. Esta aproximación ofrece ventajas significativas frente al fine-tuning tradicional: no requiere datasets de entrenamiento etiquetados, no modifica los pesos del modelo preentrenado, y puede ejecutarse con hardware de consumo cuando se dispone de aceleración GPU.

Configuración del Experimento

Entorno de Ejecución

El experimento se ejecutó en el siguiente entorno:

Arquitectura de Ejecución

La arquitectura basada en contenedores Docker es fundamental para este proyecto debido a los conflictos de dependencias inherentes entre los diferentes componentes:

·     Conflictos entre motores OCR: PaddleOCR, DocTR y EasyOCR tienen dependencias mutuamente incompatibles (diferentes versiones de PyTorch/PaddlePaddle, OpenCV, etc.)

·     Incompatibilidades CUDA/cuDNN: Cada motor OCR requiere versiones específicas de CUDA y cuDNN que no pueden coexistir en un mismo entorno virtual

·     Aislamiento de Ray Tune: Ray Tune tiene sus propias dependencias que pueden entrar en conflicto con las librerías de inferencia OCR

Esta arquitectura containerizada permite ejecutar cada componente en su entorno aislado óptimo, comunicándose via API REST:

La arquitectura containerizada src/docker-compose.tuning.paddle.yml))))), src/docker-compose.tuning.doctr.yml, src/docker-compose.tuning.easyocr.yml, src/docker-compose.tuning.ymlofrece:

1.   Aislamiento de dependencias entre Ray Tune y los motores OCR

2.   Health checks automáticos para asegurar disponibilidad del servicio

3.   Comunicación via API REST (endpoints /health y /evaluate)

4.   Soporte para GPU mediante nvidia-docker

# Iniciar servicio OCR con GPU
docker compose -f docker-compose.tuning.doctr.yml up -d doctr-gpu

# Ejecutar optimización (64 trials)
docker compose -f docker-compose.tuning.doctr.yml run raytune --service doctr --samples 64

# Detener servicios
docker compose -f docker-compose.tuning.doctr.yml down

Respuesta del servicio OCR:

{
    "CER": 0.0149,
    "WER": 0.0762,
    "TIME": 15.8,
    "PAGES": 5,
    "TIME_PER_PAGE": 3.16
}

Infraestructura Docker

La infraestructura del proyecto se basa en contenedores Docker para garantizar reproducibilidad y aislamiento de dependencias. Se generaron seis imágenes Docker, cada una optimizada para su propósito específico.

Arquitectura de Microservicios

Estrategia de Build Multi-Stage

Los Dockerfiles utilizan una estrategia de build multi-stage para optimizar tiempos de construcción y tamaño de imágenes:

Ventajas de esta estrategia:

1.   Caché de dependencias: La etapa base (CUDA + dependencias) se cachea y reutiliza

2.   Builds rápidos: Los cambios de código solo reconstruyen la etapa de deploy

3.   Imágenes optimizadas: Solo se incluyen los archivos necesarios para ejecución

Docker Compose Files

El proyecto incluye múltiples archivos Docker Compose para diferentes escenarios de uso:

Nota: EasyOCR y PaddleOCR utilizan el mismo puerto (8002). Debido a limitaciones de recursos GPU (VRAM insuficiente para ejecutar múltiples modelos OCR simultáneamente), solo se ejecuta un servicio a la vez durante los experimentos. Por esta razón, EasyOCR tiene su propio archivo Docker Compose separado.

Gestión de Volúmenes

Se utilizan volúmenes Docker nombrados para persistir los modelos descargados entre ejecuciones:

Health Checks y Monitorización

Todos los servicios implementan health checks para garantizar disponibilidad antes de iniciar la optimización:

healthcheck:
  test: ["CMD", "python", "-c", "import urllib.request; urllib.request.urlopen('http://localhost:8000/health')"]
  interval: 30s
  timeout: 10s
  retries: 3
  start_period: 60s  # PaddleOCR: 60s, EasyOCR: 120s, DocTR: 180s

Los tiempos de start_period varían según el servicio debido al tiempo de carga de modelos:

·     PaddleOCR: 60 segundos (modelos más ligeros)

·     EasyOCR: 120 segundos (carga de modelos CRAFT)

·     DocTR: 180 segundos (modelos ResNet más pesados)

Flujo de Ejecución Completo

Reproducibilidad

Para reproducir los experimentos:

# 1. Clonar repositorio
git clone https://seryus.ddns.net/unir/MastersThesis.git
cd MastersThesis/src

# 2. Iniciar servicio OCR (requiere nvidia-docker)
docker compose -f docker-compose.tuning.paddle.yml up -d paddle-ocr-gpu

# 3. Verificar health check
curl http://localhost:8002/health

# 4. Ejecutar optimización (64 trials)
docker compose -f docker-compose.tuning.paddle.yml run raytune \
    --service paddle --samples 64

# 5. Resultados en src/results/
ls -la results/raytune_paddle_results_*.csv

# 6. Limpiar
docker compose -f docker-compose.tuning.paddle.yml down

Los resultados de los experimentos están disponibles en:

·     src/results/raytune_paddle_results_20260119_122609.csv

·     src/results/raytune_easyocr_results_20260119_120204.csv

·     src/results/raytune_doctr_results_20260119_121445.csv

·     src/raytune_paddle_subproc_results_20251207_192320.csv

Dataset Extendido

Para la fase de optimización se extendió el dataset:

La clase ImageTextDataset gestiona la carga de pares imagen-texto desde la estructura de carpetas pareadas. La implementación está disponible en src/paddle_ocr/dataset_manager.py, src/easyocr_service/dataset_manager.py y src/doctr_service/dataset_manager.py.

Espacio de Búsqueda

El espacio de búsqueda se definió considerando los hiperparámetros más relevantes identificados en la documentación de PaddleOCR, utilizando tune.choice() para parámetros booleanos y tune.uniform() para umbrales continuos. La implementación está disponible en src/raytune/raytune_ocr.py (ver Anexo A).

Justificación del espacio:

1.   Rango [0.0, 0.7] para umbrales: Se evitan valores extremos (>0.7) que podrían filtrar demasiado texto válido, y se incluye 0.0 para evaluar el impacto de desactivar el filtrado.

1.   text_det_unclip_ratio fijo: Por decisión de diseño inicial, este parámetro se mantuvo constante para reducir la dimensionalidad del espacio de búsqueda.

1.   Parámetros booleanos completos: Los tres parámetros de preprocesamiento se exploran completamente para identificar cuáles son necesarios para documentos digitales.

Configuración de Ray Tune

Se configuró Ray Tune con OptunaSearch como algoritmo de búsqueda, optimizando CER en 64 trials con 2 ejecuciones concurrentes. La implementación está disponible en src/raytune/raytune_ocr.py (ver Anexo A).

Elección de 64 trials:

El número de trials se eligió buscando un equilibrio entre exploración del espacio de búsqueda y tiempo total de ejecución.

Resultados de la Optimización

Ejecución del Experimento

El experimento se ejecutó exitosamente con los siguientes resultados globales:

Estadísticas Descriptivas

Del archivo CSV de resultados src/results/raytune_paddle_results_20260119_122609.csv:

Observaciones:

1.   Baja varianza en CER: La desviación estándar (2.20%) es similar a la media (2.30%), indicando una distribución relativamente consistente sin valores extremos catastróficos.

1.   Mediana vs Media: La mediana del CER (0.87%) es menor que la media (2.30%), confirmando una distribución ligeramente sesgada hacia valores bajos.

1.   Velocidad GPU: El tiempo de ejecución promedio es de 0.84 s/página, lo que representa una aceleración significativa respecto a la ejecución en CPU (~69 s/página, 82x más rápido).

Distribución de Resultados

La mayoría de trials (67.2%) alcanzaron CER < 2%, cumpliendo el objetivo establecido. Ningún trial presentó fallos catastróficos (CER > 10%), demostrando la estabilidad de la optimización con GPU.

Mejor Configuración Encontrada

La configuración que minimizó el CER fue:

Best CER: 0.007884 (0.79%)
Best WER: 0.077848 (7.78%)

Configuración óptima:
  textline_orientation: True
  use_doc_orientation_classify: True
  use_doc_unwarping: False
  text_det_thresh: 0.0462
  text_det_box_thresh: 0.4862
  text_det_unclip_ratio: 0.0
  text_rec_score_thresh: 0.5658

Análisis de Correlación

Se calculó la correlación de Pearson entre los parámetros de configuración (codificados como 0/1 en el caso de booleanos) y las métricas de error:

Leyenda: Valores positivos indican que aumentar el parámetro incrementa el CER. Los parámetros booleanos se codifican como 0/1 para el cálculo de la correlación. Abreviaturas: unwarp = use_doc_unwarping, orient_doc = use_doc_orientation_classify, orient_line = textline_orientation, det_thresh = text_det_thresh, box_thresh = text_det_box_thresh, rec_score = text_rec_score_thresh.

Hallazgo clave: use_doc_unwarping presenta la correlación positiva más alta con CER (0.879), lo que indica que activar este módulo incrementa el error en este dataset. En cambio, use_doc_orientation_classify y textline_orientation tienen correlación negativa, asociada a mejoras cuando están activados.

Impacto del Parámetro textline_orientation

El parámetro booleano textline_orientation demostró tener el mayor impacto en el rendimiento:

Interpretación:

1.   Reducción del CER: Con textline_orientation=True, el CER medio es 2.7 veces menor (1.74% vs 4.73%).

1.   Varianza: La desviación estándar es mayor cuando textline_orientation=True (1.94% vs 1.37%), aunque los valores medios siguen siendo mejores.

1.   Reducción del CER: 63.2% cuando se habilita la clasificación de orientación de línea.

Explicación técnica:

El parámetro textline_orientation activa un clasificador que determina la orientación de cada línea de texto detectada. Para documentos con índice, encabezados y listas, este clasificador asegura que el texto se lea en el orden correcto, evitando la mezcla de líneas de diferentes secciones.

Análisis de Trials con Mayor CER

No se observaron fallos catastróficos (CER > 10%). El CER máximo fue 7.30%, por lo que el análisis se centra en los trials con peor desempeño relativo:

Observación: Los peores resultados muestran variabilidad tanto en text_det_thresh como en textline_orientation, sin un patrón único dominante en este subconjunto de trials.

Comparación Baseline vs Optimizado

Evaluación sobre Dataset Completo

La configuración óptima identificada se evaluó sobre el dataset completo de 45 páginas, comparando con la configuración baseline (valores por defecto de PaddleOCR). Los parámetros optimizados más relevantes fueron: textline_orientation=True, use_doc_orientation_classify=True, text_det_thresh=0.0462, text_det_box_thresh=0.4862, y text_rec_score_thresh=0.5658.

Nota sobre generalización: El mejor trial individual (5 páginas) alcanzó un CER de 0.79%, cumpliendo el objetivo de CER < 2%. Sin embargo, al aplicar la configuración al dataset completo de 45 páginas, el CER aumentó a 7.72%, evidenciando sobreajuste al subconjunto de entrenamiento. Esta diferencia es un hallazgo importante que se discute en la sección de análisis.

Métricas de Mejora

Leyenda: CER = Character Error Rate, WER = Word Error Rate. Baseline = configuración por defecto de PaddleOCR. Optimizado = configuración encontrada por Ray Tune. Los valores corresponden al dataset completo de 45 páginas.

Impacto Práctico

La reducción de CER y WER implica menos correcciones manuales en el texto reconocido. En conjunto, los resultados muestran una mejora medible en precisión, aunque la generalización depende del tamaño y representatividad del subconjunto de optimización.

Tiempo de Ejecución

Observaciones:

1.   El tiempo por página (~0.84 segundos) corresponde a ejecución con GPU (RTX 3060).

2.   La variabilidad del tiempo es moderada (std = 0.53 s/página), con algunos trials más lentos debido a configuraciones con módulos de preprocesamiento activos.

3.   En comparación, la ejecución en CPU requiere ~69 segundos/página (82× más lento), lo que justifica el uso de GPU para optimización y producción.

Síntesis de la Optimización

Los 64 trials ejecutados con Ray Tune y aceleración GPU revelaron patrones claros en el comportamiento de PaddleOCR. El hallazgo más significativo es que los parámetros estructurales, textline_orientation y use_doc_orientation_classify, tienen mayor impacto que los umbrales numéricos. Al activarlos se reduce el CER medio de 4.73% a 1.74%. En cuanto a umbrales, valores bajos de text_det_thresh (aprox. 0.05) benefician el rendimiento, mientras que use_doc_unwarping resulta innecesario para PDFs digitales.

El mejor trial alcanzó un CER de 0.79%, cumpliendo el objetivo de CER < 2%. No obstante, la validación sobre el dataset completo de 45 páginas arrojó un CER de 7.72%, evidenciando sobreajuste al subconjunto de optimización de 5 páginas. Aun así, esto representa una mejora del 12.8% respecto al baseline (8.85%), demostrando el valor de la optimización sistemática incluso cuando la generalización es imperfecta.

Discusión y análisis de resultados

Introducción

Los resultados obtenidos en las secciones anteriores requieren un análisis que trascienda los números individuales para comprender su significado práctico. En esta sección se consolidan los hallazgos del benchmark comparativo y la optimización de hiperparámetros, evaluando hasta qué punto se han cumplido los objetivos planteados y qué limitaciones condicionan la generalización de las conclusiones.

Resumen Consolidado de Resultados

Progresión del Rendimiento

Leyenda: El mejor trial alcanza CER 0.79% (objetivo cumplido). La validación sobre dataset completo muestra CER 7.72%, evidenciando sobreajuste al subconjunto de optimización.

El incremento del CER de 0.79% (5 páginas) a 7.72% (45 páginas) evidencia sobreajuste al subconjunto de optimización. Este fenómeno es esperado cuando se optimiza sobre un subconjunto pequeño y se valida sobre el dataset completo con mayor diversidad de secciones y estilos.

Comparación con Objetivo

Análisis del cumplimiento: El objetivo de CER < 2% se cumple en el mejor trial individual (0.79%), demostrando que la optimización de hiperparámetros puede alcanzar la precisión objetivo. Sin embargo, la validación sobre el dataset completo (7.72%) muestra que la generalización requiere trabajo adicional, como un subconjunto de optimización más representativo o técnicas de regularización.

Análisis Detallado de Hiperparámetros

Jerarquía de Importancia

Basándose en el análisis de los resultados de optimización:

Leyenda: Impacto relativo basado en |Pearson| (CER), normalizado respecto al valor máximo.

En términos de correlación lineal, use_doc_unwarping es el parámetro con mayor relación absoluta con el CER y su signo positivo indica que activarlo incrementa el error en este dataset. En cambio, use_doc_orientation_classify y textline_orientation presentan correlación negativa, lo que sugiere mejoras cuando están activados.

Análisis del Parámetro textline_orientation

Por qué es tan importante:

El clasificador de orientación de línea resuelve un problema fundamental en documentos con secciones y cambios de formato: determinar el orden correcto de lectura. Sin este clasificador:

1.   Las líneas del índice pueden mezclarse con el cuerpo del texto

2.   Los encabezados pueden insertarse en posiciones incorrectas

3.   Las listas numeradas pueden leerse en orden incorrecto

Para documentos académicos que típicamente incluyen índice, listas y encabezados multinivel, este clasificador es esencial.

Recomendación: Siempre activar textline_orientation=True para documentos estructurados.

Análisis del Parámetro text_det_thresh

Comportamiento observado:

El análisis de correlación muestra que valores más bajos de text_det_thresh favorecen el rendimiento en este dataset. El valor óptimo encontrado en los trials fue 0.0462, lo que sugiere que una detección más sensible beneficia el resultado.

Análisis de Parámetros de Preprocesamiento

use_doc_orientation_classify:

En la configuración óptima GPU, este parámetro está activado (True), a diferencia de lo observado en experimentos anteriores. Esto sugiere que la clasificación de orientación del documento puede beneficiar incluso documentos digitales cuando se combina con textline_orientation=True.

use_doc_unwarping:

Este módulo permanece desactivado en la configuración óptima. Está diseñado para:

·     Documentos escaneados con rotación

·     Fotografías de documentos con perspectiva

·     Documentos curvados o deformados

Para documentos PDF digitales como los evaluados, este módulo es innecesario y puede introducir artefactos.

Análisis de Casos de Fallo

Clasificación de Errores

Patrones de Fallo por Tipo de Contenido

Comparación con Objetivos Específicos

Nota sobre OE5: El objetivo de CER < 2% se cumple en el mejor trial individual (0.79%). La validación sobre el dataset completo (7.72%) muestra que la generalización requiere mayor trabajo, identificándose como línea de trabajo futuro.

Limitaciones del Estudio

Limitaciones de Generalización

1.   Tipo de documento único: Solo se evaluaron documentos académicos de UNIR. La configuración óptima puede no ser transferible a otros tipos de documentos (facturas, formularios, contratos).

1.   Idioma único: El estudio se centró en español. Otros idiomas con diferentes características ortográficas podrían requerir configuraciones diferentes.

1.   Formato único: Solo se evaluaron PDFs digitales. Documentos escaneados o fotografías de documentos podrían beneficiarse de diferentes configuraciones.

Limitaciones Metodológicas

1.   Ground truth automático: El texto de referencia se extrajo programáticamente del PDF, lo cual puede introducir errores en el orden de lectura cuando hay secciones con encabezados y saltos de línea.

1.   Tamaño del dataset: 45 páginas es un dataset limitado. Un dataset más amplio proporcionaría estimaciones más robustas.

1.   Parámetro fijo: text_det_unclip_ratio se mantuvo en 0.0 durante todo el experimento. Explorar este parámetro podría revelar mejoras adicionales.

1.   Subconjunto de ajuste limitado: El ajuste de hiperparámetros se realizó sobre 5 páginas (páginas 5-10), lo que contribuyó al sobreajuste observado en la validación del dataset completo.

Limitaciones de Validación

1.   Sin validación cruzada: No se realizó validación cruzada sobre diferentes subconjuntos del dataset.

1.   Sin test set independiente: El dataset de validación final se solapaba parcialmente con el de optimización.

Implicaciones Prácticas

Guía de Configuración Recomendada

Para documentos académicos en español similares a los evaluados:

Cuándo Aplicar Esta Metodología

La optimización de hiperparámetros es recomendable cuando:

1.   GPU disponible: Acelera significativamente la exploración del espacio de hiperparámetros (82× más rápido que CPU).

1.   Modelo preentrenado adecuado: El modelo ya soporta el idioma objetivo (como PaddleOCR para español).

1.   Dominio específico: Se busca optimizar para un tipo de documento particular.

1.   Mejora incremental: El rendimiento baseline es aceptable pero mejorable.

1.   Sin datos de entrenamiento: No se dispone de datasets etiquetados para fine-tuning.

Cuándo NO Aplicar Esta Metodología

La optimización de hiperparámetros puede ser insuficiente cuando:

1.   Idioma no soportado: El modelo no incluye el idioma en su vocabulario.

1.   Escritura manuscrita: Requiere fine-tuning o modelos especializados.

1.   Documentos muy degradados: Escaneos de baja calidad o documentos históricos.

1.   Requisitos de CER muy bajo: Puede requerir fine-tuning para alcanzar precisiones muy altas.

Síntesis del Capítulo

A lo largo de este capítulo se ha desarrollado el proceso completo de evaluación y optimización de sistemas OCR para documentos académicos en español. El benchmark comparativo inicial permitió seleccionar PaddleOCR como motor base gracias a su combinación de rendimiento y configurabilidad. La posterior optimización con Ray Tune y Optuna, ejecutada sobre 64 trials con aceleración GPU, identificó los parámetros críticos para maximizar el rendimiento: textline_orientation, use_doc_orientation_classify y text_det_thresh.

Los resultados cuantifican tanto los logros como las limitaciones del enfoque. El mejor trial individual alcanzó un CER de 0.79%, cumpliendo holgadamente el objetivo de CER < 2%. Sin embargo, la validación sobre el dataset completo de 45 páginas reveló un CER de 7.72%, lo que representa una mejora del 12.8% respecto al baseline (8.85%) pero evidencia sobreajuste al subconjunto de optimización. Esta observación es valiosa: indica que futuros trabajos deberían emplear subconjuntos de optimización más representativos o aplicar técnicas de regularización.

Desde el punto de vista práctico, la infraestructura dockerizada desarrollada y la aceleración GPU (82× más rápida que CPU) demuestran la viabilidad de esta metodología tanto para experimentación como para despliegue en producción.

·     src/run_tuning.py - Script principal de optimización

·     src/raytune/requirements.txt - Dependencias del orquestador Ray Tune

·     src/paddle_ocr/requirements.txt - Dependencias del servicio PaddleOCR

·     src/easyocr_service/requirements.txt - Dependencias del servicio EasyOCR

·     src/doctr_service/requirements.txt - Dependencias del servicio DocTR

·     src/results/raytune_paddle_results_20260119_122609.csv - Resultados CSV de PaddleOCR

·     src/results/correlations/paddle_correlations.csv - Correlaciones de hiperparámetros (PaddleOCR)

·     src/results/raytune_easyocr_results_20260119_120204.csv - Resultados CSV de EasyOCR

·     src/results/raytune_doctr_results_20260119_121445.csv - Resultados CSV de DocTR

·     src/raytune_paddle_subproc_results_20251207_192320.csv - Referencia de tiempos en CPU para PaddleOCR

Imágenes Docker:

·     seryus.ddns.net/unir/paddle-ocr-gpu - PaddleOCR con soporte GPU

·     seryus.ddns.net/unir/easyocr-gpu - EasyOCR con soporte GPU

·     seryus.ddns.net/unir/doctr-gpu - DocTR con soporte GPU

Comparativa de Rendimiento CPU vs GPU

Esta sección presenta la comparación de rendimiento entre ejecución en CPU y GPU, justificando la elección de GPU para el experimento principal y demostrando el impacto práctico de la aceleración por hardware.

Configuración del Entorno GPU

Nota: Los requisitos de entorno documentados por dependencias se detallan en docs/07_anexo_a.md, sección A.9.

Este hardware representa configuración típica de desarrollo, permitiendo evaluar el rendimiento en condiciones realistas de despliegue.

Comparación CPU vs GPU

Se comparó el tiempo de procesamiento entre CPU y GPU utilizando los datos de src/raytune_paddle_subproc_results_20251207_192320.csv(CPU) y src/results/raytune_paddle_results_20260119_122609.csv(GPU).

Leyenda: Aceleración de 82× con GPU. El procesamiento de una página pasa de 69.4s (CPU) a 0.84s (GPU).

La aceleración de 82× obtenida con GPU transforma la viabilidad del enfoque:

·     Optimización en CPU (6.2 horas): Viable pero lento para iteraciones rápidas

·     Optimización en GPU (~5.0 minutos): Permite explorar más configuraciones y realizar múltiples experimentos

·     Producción con GPU (0.84s/página): Habilita procesamiento en tiempo real

Comparación de Modelos PaddleOCR

PaddleOCR ofrece dos variantes de modelos: Mobile (optimizados para dispositivos con recursos limitados) y Server (mayor precisión a costa de mayor consumo de memoria). Se evaluó la viabilidad de ambas variantes en el hardware disponible.

Los modelos Server, a pesar de ofrecer potencialmente mayor precisión, resultan inviables en hardware con VRAM limitada (≤6 GB) debido a errores de memoria (Out of Memory). Los modelos Mobile, con un consumo de memoria 88 veces menor, funcionan de manera estable y ofrecen rendimiento suficiente para el caso de uso evaluado.

Conclusiones de la Validación GPU

La validación con aceleración GPU permite extraer las siguientes conclusiones:

1.   Aceleración significativa: La GPU proporciona una aceleración de 82× sobre CPU, haciendo viable el procesamiento en tiempo real para aplicaciones interactivas.

1.   Modelos Mobile recomendados: Para hardware con VRAM limitada (≤6 GB), los modelos Mobile de PP-OCRv5 ofrecen el mejor balance entre precisión y recursos, funcionando de manera estable sin errores de memoria.

1.   Viabilidad práctica: Con GPU, el procesamiento de un documento completo (45 páginas) toma ~38 segundos, validando la aplicabilidad en entornos de producción donde el tiempo de respuesta es crítico.

1.   Escalabilidad: La arquitectura de microservicios dockerizados utilizada para la validación GPU facilita el despliegue horizontal, permitiendo escalar el procesamiento según demanda.

Esta validación demuestra que la configuración optimizada mediante Ray Tune mejora la precisión (CER: 8.85% → 7.72% en dataset completo, 0.79% en mejor trial individual) y, combinada con aceleración GPU, resulta prácticamente aplicable en escenarios de producción real.

5.   Conclusiones y trabajo futuro

A lo largo de este trabajo se ha explorado la optimización de hiperparámetros como estrategia para mejorar el rendimiento de sistemas OCR sin necesidad de reentrenamiento. Las siguientes secciones evalúan el grado de cumplimiento de los objetivos planteados, sintetizan los hallazgos más relevantes y proponen direcciones para investigación futura.

Conclusiones

Conclusiones Generales

Los resultados obtenidos confirman que la optimización sistemática de hiperparámetros constituye una alternativa viable al fine-tuning para mejorar sistemas OCR preentrenados. La infraestructura dockerizada con aceleración GPU desarrollada en este trabajo no solo facilita la experimentación reproducible, sino que reduce drásticamente los tiempos de ejecución, haciendo viable la exploración exhaustiva de espacios de configuración.

El objetivo principal del trabajo era alcanzar un CER inferior al 2% en documentos académicos en español. Los resultados obtenidos se resumen a continuación:

Nota: El objetivo de CER < 2% se cumple en el mejor trial individual (0.79%, 5 páginas). La validación sobre el conjunto de datos completo (45 páginas) muestra un CER de 7.72%, evidenciando sobreajuste al subconjunto de optimización. Esta diferencia se analiza en detalle en el Capítulo 4.

Cumplimiento de los Objetivos Específicos

La evaluación comparativa de soluciones OCR (OE1) reveló diferencias significativas entre las tres alternativas analizadas. De las tres soluciones de código abierto evaluadas, EasyOCR, PaddleOCR (PP-OCRv5) y DocTR, PaddleOCR demostró el mejor rendimiento base para documentos en español. Además, su arquitectura modular y la amplia configurabilidad de su pipeline lo convierten en el candidato idóneo para optimización mediante ajuste de hiperparámetros.

En cuanto a la preparación del conjunto de datos (OE2), se construyó un corpus estructurado con 45 páginas de documentos académicos de UNIR. La implementación de la clase ImageTextDataset permite cargar de forma eficiente pares imagen-texto. El texto de referencia se extrajo automáticamente del PDF original mediante PyMuPDF, garantizando así la consistencia entre las imágenes y sus transcripciones esperadas.

El análisis de hiperparámetros (OE3) arrojó resultados particularmente reveladores. El parámetro textline_orientation emergió como el factor más influyente, resultando crítico para obtener buenos resultados en documentos con diseños complejos. Asimismo, use_doc_orientation_classify demostró un impacto positivo en la configuración con GPU. Por otra parte, el umbral text_det_thresh presenta una correlación positiva moderada (0.43) con el CER, lo que indica que valores más bajos tienden a mejorar el rendimiento. Cabe destacar que use_doc_unwarping no aporta mejora alguna en documentos digitales, ya que estos no presentan las deformaciones físicas para las que fue diseñado este módulo.

La experimentación con Ray Tune (OE4) se completó satisfactoriamente mediante 64 trials ejecutados con el algoritmo OptunaSearch y aceleración GPU. El tiempo total del experimento, en torno a 5 minutos con una GPU RTX 3060, demuestra la viabilidad práctica de esta aproximación. La arquitectura basada en contenedores Docker resultó esencial para superar las incompatibilidades entre Ray y los motores OCR, al tiempo que garantiza la portabilidad y reproducibilidad de los experimentos.

Finalmente, la validación de la configuración óptima (OE5) se realizó sobre el conjunto de datos completo de 45 páginas. El mejor trial individual alcanzó un CER de 0.79%, equivalente a una precisión del 99.21%. Sin embargo, la evaluación sobre el conjunto de datos completo arrojó un CER de 7.72%, lo que representa una mejora del 12.8% respecto al baseline (8.85%), pero queda lejos del resultado del mejor trial. Esta diferencia revela un sobreajuste al subconjunto de optimización de 5 páginas, un fenómeno que se analiza en detalle en la sección de limitaciones.

Hallazgos Clave

El hallazgo más significativo de este trabajo es que las decisiones arquitectónicas tienen mayor impacto que los umbrales numéricos. Un único parámetro booleano, textline_orientation, influye más en el rendimiento final que todos los umbrales continuos combinados. Este resultado sugiere que, al optimizar sistemas OCR, conviene priorizar la exploración de configuraciones estructurales antes de ajustar finamente los valores numéricos.

No obstante, los umbrales presentan límites operativos que deben respetarse. En este estudio no se observaron fallos catastróficos (CER > 10%), pero los peores trials alcanzaron CER de hasta 7.30%, lo que indica que ciertas combinaciones de umbrales degradan el rendimiento. Este comportamiento sugiere la necesidad de acotar el espacio de búsqueda en futuros experimentos.

Otro hallazgo relevante es la innecesariedad de ciertos módulos para documentos digitales. Los PDF generados directamente desde procesadores de texto no presentan deformaciones físicas, como arrugas, curvaturas o rotaciones, para las que fueron diseñados los módulos de corrección. En estos casos, desactivar use_doc_unwarping no solo simplifica el pipeline, sino que puede mejorar el rendimiento al evitar procesamientos innecesarios.

Finalmente, los resultados demuestran que es posible mejorar modelos preentrenados mediante ajuste exclusivo de hiperparámetros de inferencia, sin necesidad de reentrenamiento. Sin embargo, esta aproximación requiere validación cuidadosa, ya que las configuraciones optimizadas sobre subconjuntos pequeños pueden no generalizar a conjuntos de datos más amplios o diversos.

Contribuciones del Trabajo

La principal contribución de este trabajo es una metodología reproducible para la optimización de hiperparámetros OCR. El proceso completo, desde la preparación del conjunto de datos hasta la validación de la configuración óptima, queda documentado y es replicable mediante las herramientas Ray Tune y Optuna.

En segundo lugar, el análisis sistemático de los hiperparámetros de PaddleOCR constituye una contribución al conocimiento disponible sobre este motor OCR. Mediante el cálculo de correlaciones y análisis comparativo, se cuantifica el impacto de cada parámetro configurable, información que puede orientar futuros trabajos de optimización.

Como resultado práctico, se aporta una configuración validada específicamente para documentos académicos en español. Aunque la generalización a otros tipos de documentos requiere validación adicional, esta configuración representa un punto de partida sólido para aplicaciones en el ámbito hispanohablante.

Por último, todo el código fuente, las imágenes Docker y los datos experimentales están disponibles públicamente en el repositorio del proyecto, facilitando así la reproducción, verificación y extensión de este trabajo por parte de otros investigadores.

Limitaciones del Trabajo

Es necesario reconocer varias limitaciones que condicionan el alcance de las conclusiones presentadas. En primer lugar, todos los experimentos se realizaron sobre un único tipo de documento, textos académicos de UNIR. La generalización a otros formatos, como facturas, formularios o documentos manuscritos, requeriría validación adicional con conjuntos de datos específicos.

El tamaño del corpus constituye otra limitación relevante. Con 45 páginas, el conjunto de datos es modesto para extraer conclusiones estadísticamente robustas. Además, el subconjunto de optimización de tan solo 5 páginas resultó insuficiente para evitar el sobreajuste, como evidencia la brecha entre el CER del mejor trial (0.79%) y el resultado sobre el conjunto completo (7.72%).

Desde el punto de vista metodológico, la extracción automática del texto de referencia mediante PyMuPDF puede introducir errores en documentos con diseños complejos, donde el orden de lectura no es evidente. Asimismo, el parámetro text_det_unclip_ratio permaneció fijo en 0.0 durante todo el experimento, dejando inexplorada una dimensión potencialmente relevante del espacio de hiperparámetros.

Por último, aunque la GPU RTX 3060 utilizada proporcionó una aceleración de 82× respecto a la ejecución en CPU, se trata de hardware de consumo. Equipamiento empresarial con mayor capacidad de VRAM permitiría ejecutar múltiples servicios OCR simultáneamente y explorar espacios de búsqueda más amplios en menos tiempo.

Líneas de trabajo futuro

Extensiones Inmediatas

Las limitaciones identificadas sugieren varias extensiones que podrían abordarse a corto plazo. La más urgente es la validación cruzada de la configuración óptima en otros tipos de documentos en español, como facturas, formularios administrativos o textos manuscritos. Esta validación revelaría el grado de transferibilidad de los hallazgos actuales.

Para abordar el problema del sobreajuste, futuros experimentos deberían utilizar un subconjunto de optimización más amplio. Un conjunto más representativo reduciría la varianza y mejoraría la generalización de las configuraciones encontradas. Complementariamente, sería conveniente construir un corpus más amplio y diverso de documentos en español, incluyendo diferentes tipografías, diseños y calidades de imagen.

Desde el punto de vista técnico, queda pendiente la exploración del parámetro text_det_unclip_ratio, que permaneció fijo en este trabajo. Incluirlo en el espacio de búsqueda podría revelar interacciones con otros parámetros actualmente desconocidas.

Líneas de Investigación

En un horizonte más amplio, surgen varias líneas de investigación prometedoras. Una de las más interesantes es el estudio del transfer learning de hiperparámetros: ¿las configuraciones óptimas para documentos académicos transfieren a otros dominios, o cada tipo de documento requiere optimización específica? La respuesta a esta pregunta tiene implicaciones prácticas significativas.

Otra dirección valiosa es la optimización multi-objetivo, que considere simultáneamente CER, WER y tiempo de inferencia. En aplicaciones reales, la precisión máxima no siempre es el único criterio; a menudo existe un compromiso entre calidad y velocidad que debe gestionarse explícitamente.

Técnicas de AutoML más avanzadas, como Neural Architecture Search o meta-learning, podrían automatizar aún más el proceso de configuración. Por último, una comparación rigurosa entre optimización de hiperparámetros y fine-tuning real cuantificaría la brecha de rendimiento entre ambas aproximaciones y ayudaría a decidir cuándo merece la pena el esfuerzo adicional del reentrenamiento.

Aplicaciones Prácticas

Los resultados de este trabajo abren camino a varias aplicaciones prácticas. Una herramienta de configuración automática podría analizar un pequeño conjunto de documentos de muestra y determinar la configuración óptima de PaddleOCR para ese tipo específico de documento, democratizando el acceso a estas técnicas de optimización.

La integración de las configuraciones optimizadas en pipelines de producción representa otra aplicación natural. Los sistemas de procesamiento documental en organizaciones que manejan grandes volúmenes de documentos en español podrían beneficiarse directamente de los hallazgos de este trabajo.

Finalmente, la publicación de un benchmark público de OCR para documentos en español facilitaría la comparación objetiva de diferentes soluciones. La comunidad hispanohablante carece actualmente de recursos comparables a los disponibles para otros idiomas, y este trabajo podría contribuir a llenar ese vacío.

Reflexión Final

En síntesis, este trabajo ha demostrado que la optimización de hiperparámetros representa una alternativa viable al fine-tuning para mejorar sistemas OCR, especialmente cuando se dispone de modelos preentrenados para el idioma objetivo y recursos limitados de tiempo o datos etiquetados.

La metodología propuesta cumple los requisitos de reproducibilidad científica: los experimentos pueden replicarse, los resultados son cuantificables y las conclusiones son aplicables a escenarios reales de procesamiento documental. Sin embargo, la experiencia también ha puesto de manifiesto la importancia de diseñar cuidadosamente los experimentos de optimización. Aunque el objetivo de CER inferior al 2% se alcanzó en el mejor trial individual (0.79%), la validación sobre el conjunto de datos completo (7.72%) revela que el tamaño y representatividad del subconjunto de optimización son factores críticos que no deben subestimarse.

La infraestructura dockerizada desarrollada constituye una aportación práctica que trasciende los resultados numéricos. Al encapsular los motores OCR en contenedores independientes, se resuelven problemas de compatibilidad entre dependencias y se garantiza que cualquier investigador pueda reproducir exactamente las condiciones experimentales. La aceleración de 82× proporcionada por GPU transforma lo que sería un experimento de horas en uno de minutos, haciendo viable la exploración exhaustiva de espacios de hiperparámetros con hardware de consumo.

El código fuente, las imágenes Docker y los datos experimentales están disponibles públicamente en el repositorio del proyecto. Esta apertura busca facilitar no solo la reproducción de los resultados, sino también la extensión de este trabajo hacia nuevos tipos de documentos, idiomas o motores OCR.

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Anexo A.    Código fuente y datos analizados

Este anexo proporciona la información técnica necesaria para reproducir los experimentos descritos en este trabajo. Se incluyen las instrucciones de instalación, configuración de los servicios OCR dockerizados, ejecución de los scripts de optimización y acceso a los resultados experimentales.

A.1 Repositorio del Proyecto

Todo el código fuente y los datos utilizados en este trabajo están disponibles públicamente en el siguiente repositorio:

URL del repositorio: https://seryus.ddns.net/unir/MastersThesis

El repositorio incluye: