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Capítulo 4: Desarrollo Específico de la Contribución

Este capítulo presenta el desarrollo completo del estudio comparativo y la optimización de hiperparámetros de sistemas OCR. Se estructura según el tipo de trabajo "Comparativa de soluciones" establecido por las instrucciones de UNIR: planteamiento de la comparativa (4.1), desarrollo de la comparativa (4.2), y discusión y análisis de resultados (4.3).

4.1 Planteamiento de la Comparativa: Soluciones OCR

4.1.1 Introducción

Esta sección presenta los resultados del estudio comparativo realizado entre tres soluciones OCR de código abierto: EasyOCR, PaddleOCR y DocTR. Los experimentos fueron documentados en el notebook ocr_benchmark_notebook.ipynb del repositorio. El objetivo es identificar el modelo base más prometedor para la posterior fase de optimización de hiperparámetros.

4.1.2 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/.

Característica	Valor
Número de páginas evaluadas	5 (páginas 1-5 en benchmark inicial)
Formato	PDF digital (no escaneado)
Idioma	Español
Resolución de conversión	300 DPI

Configuración de los Modelos

Según el código en ocr_benchmark_notebook.ipynb:

EasyOCR:

easyocr_reader = easyocr.Reader(['es', 'en'])  # Spanish and English

PaddleOCR (PP-OCRv5):

paddleocr_model = PaddleOCR(
    text_detection_model_name="PP-OCRv5_server_det",
    text_recognition_model_name="PP-OCRv5_server_rec",
    use_doc_orientation_classify=False,
    use_doc_unwarping=False,
    use_textline_orientation=True,
)

Versión utilizada: PaddleOCR 3.2.0 (según output del notebook)

DocTR:

doctr_model = ocr_predictor(det_arch="db_resnet50", reco_arch="sar_resnet31", pretrained=True)

Métricas de Evaluación

Se utilizó la biblioteca jiwer para calcular CER y WER:

from jiwer import wer, cer

def evaluate_text(reference, prediction):
    return {'WER': wer(reference, prediction), 'CER': cer(reference, prediction)}

4.1.3 Resultados del Benchmark

Resultados de PaddleOCR (Datos del CSV)

Del archivo results/ai_ocr_benchmark_finetune_results_20251206_113206.csv, se obtienen los siguientes resultados de PaddleOCR para las páginas 5-9 del documento:

Página	WER	CER
5	12.16%	6.33%
6	12.81%	6.40%
7	11.06%	6.24%
8	8.13%	1.54%
9	10.61%	5.58%

Promedio PaddleOCR (páginas 5-9):

• CER medio: ~5.22%
• WER medio: ~10.95%

Comparativa de Modelos

Según la documentación del notebook ocr_benchmark_notebook.ipynb, los tres modelos evaluados representan diferentes paradigmas de OCR:

Modelo	Tipo	Componentes	Fortalezas Clave
EasyOCR	End-to-end (det + rec)	DB + CRNN/Transformer	Ligero, fácil de usar, multilingüe
PaddleOCR (PP-OCR)	End-to-end (det + rec + cls)	DB + SRN/CRNN	Soporte multilingüe robusto, pipeline configurable
DocTR	End-to-end (det + rec)	DB/LinkNet + CRNN/SAR/VitSTR	Orientado a investigación, API limpia

Ejemplo de Salida OCR

Del archivo CSV, un ejemplo de predicción de PaddleOCR para la página 8:

"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 observados en este ejemplo:

• titulacióon en lugar de titulación (carácter duplicado)
• Apa en lugar de APA (capitalización)

4.1.4 Justificación de la Selección de PaddleOCR

Criterios de Selección

Basándose en los resultados obtenidos y la documentación del benchmark:

1. Rendimiento: PaddleOCR obtuvo CER entre 1.54% y 6.40% en las páginas evaluadas

2. Configurabilidad: PaddleOCR ofrece múltiples hiperparámetros ajustables:

   • Umbrales de detección (text_det_thresh, text_det_box_thresh)
   • Umbral de reconocimiento (text_rec_score_thresh)
   • Componentes opcionales (use_textline_orientation, use_doc_orientation_classify, use_doc_unwarping)

3. Documentación oficial: PaddleOCR Documentation

Decisión

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

• Resultados iniciales prometedores (CER ~5%)
• Alta configurabilidad de hiperparámetros de inferencia
• Pipeline modular que permite experimentación

4.1.5 Limitaciones del Benchmark

1. Tamaño reducido: Solo 5 páginas evaluadas en el benchmark comparativo inicial
2. Único tipo de documento: Documentos académicos de UNIR únicamente
3. Ground truth: El texto de referencia se extrajo automáticamente del PDF, lo cual puede introducir errores en layouts complejos

4.1.6 Resumen de la Sección

Esta sección ha presentado:

1. La configuración del benchmark según ocr_benchmark_notebook.ipynb
2. Los resultados cuantitativos de PaddleOCR del archivo CSV de resultados
3. La justificación de la selección de PaddleOCR para optimización

Fuentes de datos utilizadas:

• ocr_benchmark_notebook.ipynb: Código del benchmark
• results/ai_ocr_benchmark_finetune_results_20251206_113206.csv: Resultados numéricos
• Documentación oficial de PaddleOCR

4.2 Desarrollo de la Comparativa: Optimización de Hiperparámetros

4.2.1 Introducción

Esta sección describe el proceso de optimización de hiperparámetros de PaddleOCR utilizando Ray Tune con el algoritmo de búsqueda Optuna. Los experimentos fueron implementados en el notebook src/paddle_ocr_fine_tune_unir_raytune.ipynb y los resultados se almacenaron en src/raytune_paddle_subproc_results_20251207_192320.csv.

4.2.2 Configuración del Experimento

Entorno de Ejecución

Según los outputs del notebook:

Componente	Versión/Especificación
Python	3.11.9
PaddlePaddle	3.2.2
PaddleOCR	3.3.2
Ray	2.52.1
GPU	No disponible (CPU only)

Dataset

Se utilizó un dataset estructurado en src/dataset/ creado mediante el notebook src/prepare_dataset.ipynb:

• Estructura: Carpetas con subcarpetas img/ y txt/ pareadas
• Páginas evaluadas por trial: 5 (páginas 5-10 del documento)
• Gestión de datos: Clase ImageTextDataset en src/dataset_manager.py

Espacio de Búsqueda

Según el código del notebook, se definió el siguiente espacio de búsqueda:

search_space = {
    "use_doc_orientation_classify": tune.choice([True, False]),
    "use_doc_unwarping": tune.choice([True, False]),
    "textline_orientation": tune.choice([True, False]),
    "text_det_thresh": tune.uniform(0.0, 0.7),
    "text_det_box_thresh": tune.uniform(0.0, 0.7),
    "text_det_unclip_ratio": tune.choice([0.0]),  # Fijado
    "text_rec_score_thresh": tune.uniform(0.0, 0.7),
}

Descripción de parámetros (según documentación de PaddleOCR):

Parámetro	Descripción
use_doc_orientation_classify	Clasificación de orientación del documento
use_doc_unwarping	Corrección de deformación del documento
textline_orientation	Clasificación de orientación de línea de texto
text_det_thresh	Umbral de detección de píxeles de texto
text_det_box_thresh	Umbral de caja de detección
text_det_unclip_ratio	Coeficiente de expansión (fijado en 0.0)
text_rec_score_thresh	Umbral de confianza de reconocimiento

Configuración de Ray Tune

tuner = tune.Tuner(
    trainable_paddle_ocr,
    tune_config=tune.TuneConfig(
        metric="CER",
        mode="min",
        search_alg=OptunaSearch(),
        num_samples=64,
        max_concurrent_trials=2
    ),
    run_config=air.RunConfig(verbose=2, log_to_file=False),
    param_space=search_space
)

• Métrica objetivo: CER (minimizar)
• Algoritmo de búsqueda: Optuna (TPE - Tree-structured Parzen Estimator)
• Número de trials: 64
• Trials concurrentes: 2

4.2.3 Resultados de la Optimización

Estadísticas Descriptivas

Del archivo CSV de resultados (raytune_paddle_subproc_results_20251207_192320.csv):

Estadística	CER	WER	Tiempo (s)	Tiempo/Página (s)
count	64	64	64	64
mean	5.25%	14.28%	347.61	69.42
std	11.03%	10.75%	7.88	1.57
min	1.15%	9.89%	320.97	64.10
25%	1.20%	10.04%	344.24	68.76
50%	1.23%	10.20%	346.42	69.19
75%	4.03%	13.20%	350.14	69.93
max	51.61%	59.45%	368.57	73.63

Mejor Configuración Encontrada

Según el análisis del notebook:

Best CER: 0.011535 (1.15%)
Best WER: 0.098902 (9.89%)

Configuración óptima:
  textline_orientation: True
  use_doc_orientation_classify: False
  use_doc_unwarping: False
  text_det_thresh: 0.4690
  text_det_box_thresh: 0.5412
  text_det_unclip_ratio: 0.0
  text_rec_score_thresh: 0.6350

Análisis de Correlación

Correlación de Pearson entre parámetros y métricas de error (del notebook):

Correlación con CER:

Parámetro	Correlación
CER	1.000
config/text_det_box_thresh	0.226
config/text_rec_score_thresh	-0.161
config/text_det_thresh	-0.523
config/text_det_unclip_ratio	NaN

Correlación con WER:

Parámetro	Correlación
WER	1.000
config/text_det_box_thresh	0.227
config/text_rec_score_thresh	-0.173
config/text_det_thresh	-0.521
config/text_det_unclip_ratio	NaN

Hallazgo clave: El parámetro text_det_thresh muestra la correlación más fuerte (-0.52), indicando que valores más altos de este umbral tienden a reducir el error.

Impacto del Parámetro textline_orientation

Según el análisis del notebook, este parámetro booleano tiene el mayor impacto:

textline_orientation	CER Medio	WER Medio
True	~3.76%	~12.73%
False	~12.40%	~21.71%

Interpretación del notebook:

"7x better CER with textline_orientation=True. And the variance is much tighter — more reliable results. For Spanish business documents with mixed layouts (tables, headers, addresses), orientation classification helps PaddleOCR correctly order text lines."

Análisis de Fallos

Los trials con CER muy alto (>40%) se produjeron cuando:

• text_det_thresh < 0.1 (valores muy bajos)
• textline_orientation = False

Ejemplo de trial con fallo catastrófico:

• CER: 51.61%
• WER: 59.45%
• Configuración: text_det_thresh=0.017, textline_orientation=True

4.2.4 Comparación Baseline vs Optimizado

Resultados sobre Dataset Completo (24 páginas)

Del análisis final del notebook ejecutando sobre las 24 páginas:

Modelo	CER	WER
PaddleOCR (Baseline)	7.78%	14.94%
PaddleOCR-HyperAdjust	1.49%	7.62%

Métricas de Mejora

Métrica	Baseline	Optimizado	Mejora Absoluta	Reducción Error
CER	7.78%	1.49%	-6.29 pp	80.9%
WER	14.94%	7.62%	-7.32 pp	49.0%

Interpretación (del notebook)

"La optimización de hiperparámetros mejoró la precisión de caracteres de 92.2% a 98.5%, una ganancia de 6.3 puntos porcentuales. Aunque el baseline ya ofrecía resultados aceptables, la configuración optimizada reduce los errores residuales en un 80.9%."

Impacto práctico: En un documento de 10,000 caracteres:

• Baseline: ~778 caracteres con error
• Optimizado: ~149 caracteres con error
• Diferencia: ~629 caracteres menos con errores

4.2.5 Tiempo de Ejecución

Métrica	Valor
Tiempo total del experimento	~6 horas (64 trials × ~6 min/trial)
Tiempo medio por trial	367.72 segundos
Tiempo medio por página	69.42 segundos
Total páginas procesadas	64 trials × 5 páginas = 320 evaluaciones

4.2.6 Resumen de la Sección

Esta sección ha presentado:

1. Configuración del experimento: 64 trials con Ray Tune + Optuna sobre 7 hiperparámetros
2. Resultados estadísticos: CER medio 5.25%, CER mínimo 1.15%
3. Hallazgos clave:
   • textline_orientation=True es crítico (reduce CER ~70%)
   • text_det_thresh tiene correlación -0.52 con CER
   • Valores bajos de text_det_thresh (<0.1) causan fallos catastróficos
4. Mejora final: CER reducido de 7.78% a 1.49% (reducción del 80.9%)

Fuentes de datos:

• src/paddle_ocr_fine_tune_unir_raytune.ipynb: Código del experimento
• src/raytune_paddle_subproc_results_20251207_192320.csv: Resultados de 64 trials
• src/paddle_ocr_tuning.py: Script de evaluación

4.3 Discusión y Análisis de Resultados

4.3.1 Introducción

Esta sección presenta un análisis consolidado de los resultados obtenidos en las fases de benchmark comparativo y optimización de hiperparámetros. Se discuten las implicaciones prácticas y se evalúa el cumplimiento de los objetivos planteados.

4.3.2 Resumen de Resultados

Resultados del Benchmark Comparativo

Del archivo results/ai_ocr_benchmark_finetune_results_20251206_113206.csv, PaddleOCR con configuración inicial (use_textline_orientation=True) obtuvo los siguientes resultados en las páginas 5-9:

Página	WER	CER
5	12.16%	6.33%
6	12.81%	6.40%
7	11.06%	6.24%
8	8.13%	1.54%
9	10.61%	5.58%
Promedio	10.95%	5.22%

Resultados de la Optimización con Ray Tune

Del archivo src/raytune_paddle_subproc_results_20251207_192320.csv (64 trials):

Métrica	Valor
CER mínimo	1.15%
CER medio	5.25%
CER máximo	51.61%
WER mínimo	9.89%
WER medio	14.28%
WER máximo	59.45%

Comparación Final (Dataset Completo - 24 páginas)

Resultados del notebook src/paddle_ocr_fine_tune_unir_raytune.ipynb:

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

4.3.3 Análisis de Resultados

Mejora Obtenida

Forma de Medición	Valor
Mejora en precisión de caracteres (absoluta)	+6.29 puntos porcentuales
Reducción del CER (relativa)	80.9%
Mejora en precisión de palabras (absoluta)	+7.32 puntos porcentuales
Reducción del WER (relativa)	49.0%
Precisión final de caracteres	98.51%

Impacto de Hiperparámetros Individuales

Parámetro textline_orientation

Este parámetro booleano demostró ser el más influyente:

Valor	CER Medio	Impacto
True	~3.76%	Rendimiento óptimo
False	~12.40%	3.3x peor

Reducción del CER: 69.7% cuando se habilita la clasificación de orientación de línea.

Parámetro text_det_thresh

Correlación con CER: -0.523 (la más fuerte de los parámetros continuos)

Rango	Comportamiento
< 0.1	Fallos catastróficos (CER 40-50%)
0.3 - 0.6	Rendimiento óptimo
Valor óptimo	0.4690

Parámetros con menor impacto

Parámetro	Correlación con CER	Valor óptimo
text_det_box_thresh	+0.226	0.5412
text_rec_score_thresh	-0.161	0.6350
use_doc_orientation_classify	-	False
use_doc_unwarping	-	False

Configuración Óptima Final

config_optimizada = {
    "textline_orientation": True,           # CRÍTICO
    "use_doc_orientation_classify": False,
    "use_doc_unwarping": False,
    "text_det_thresh": 0.4690,              # Correlación -0.52
    "text_det_box_thresh": 0.5412,
    "text_det_unclip_ratio": 0.0,
    "text_rec_score_thresh": 0.6350,
}

4.3.4 Discusión

Hallazgos Principales

1. Importancia de la clasificación de orientación de línea: El parámetro textline_orientation=True es el factor más determinante. Esto tiene sentido para documentos con layouts mixtos (tablas, encabezados, direcciones) donde el orden correcto de las líneas de texto es crucial.

2. Umbral de detección crítico: El parámetro text_det_thresh presenta un umbral mínimo efectivo (~0.1). Valores inferiores generan demasiados falsos positivos en la detección, corrompiendo el reconocimiento posterior.

3. Componentes opcionales innecesarios: Para documentos académicos digitales (no escaneados), los módulos de corrección de orientación de documento (use_doc_orientation_classify) y corrección de deformación (use_doc_unwarping) no aportan mejora e incluso pueden introducir overhead.

Interpretación de la Correlación Negativa

La correlación negativa de text_det_thresh (-0.52) con el CER indica que:

• Umbrales más altos filtran detecciones de baja confianza
• Esto reduce falsos positivos que generan texto erróneo
• El reconocimiento es más preciso con menos regiones pero más confiables

Limitaciones de los Resultados

1. Generalización: Los resultados se obtuvieron sobre documentos de un único tipo (instrucciones académicas UNIR). La configuración óptima puede variar para otros tipos de documentos.

2. Ground truth automático: El texto de referencia se extrajo programáticamente del PDF. En layouts complejos, esto puede introducir errores en la evaluación.

3. Ejecución en CPU: Los tiempos reportados (~69s/página) corresponden a ejecución en CPU. Con GPU, los tiempos serían significativamente menores.

4. Parámetro fijo: text_det_unclip_ratio permaneció fijo en 0.0 durante todo el experimento por decisión de diseño.

Comparación con Objetivos

Objetivo	Meta	Resultado	Cumplimiento
OE1: Comparar soluciones OCR	Evaluar EasyOCR, PaddleOCR, DocTR	PaddleOCR seleccionado	✓
OE2: Preparar dataset	Construir dataset estructurado	Dataset de 24 páginas	✓
OE3: Identificar hiperparámetros críticos	Analizar correlaciones	textline_orientation y text_det_thresh identificados	✓
OE4: Optimizar con Ray Tune	Mínimo 50 configuraciones	64 trials ejecutados	✓
OE5: Validar configuración	Documentar mejora	CER 7.78% → 1.49%	✓
Objetivo General	CER < 2%	CER = 1.49%	✓

4.3.5 Implicaciones Prácticas

Recomendaciones de Configuración

Para documentos académicos en español similares a los evaluados:

1. Obligatorio: use_textline_orientation=True
2. Recomendado: text_det_thresh entre 0.4 y 0.5
3. Opcional: text_det_box_thresh ~0.5, text_rec_score_thresh >0.6
4. No recomendado: Habilitar use_doc_orientation_classify o use_doc_unwarping para documentos digitales

Impacto Cuantitativo

En un documento típico de 10,000 caracteres:

Configuración	Errores estimados
Baseline	~778 caracteres
Optimizada	~149 caracteres
Reducción	629 caracteres menos con errores

Aplicabilidad

Esta metodología de optimización es aplicable cuando:

• No se dispone de recursos GPU para fine-tuning
• El modelo preentrenado ya tiene soporte para el idioma objetivo
• Se busca mejorar rendimiento sin reentrenar

4.3.6 Resumen de la Sección

Esta sección ha presentado:

1. Los resultados consolidados del benchmark y la optimización
2. El análisis del impacto de cada hiperparámetro
3. La configuración óptima identificada
4. La discusión de limitaciones y aplicabilidad
5. El cumplimiento de los objetivos planteados

Resultado principal: Se logró reducir el CER del 7.78% al 1.49% (mejora del 80.9%) mediante optimización de hiperparámetros, cumpliendo el objetivo de alcanzar CER < 2%.

Fuentes de datos:

• results/ai_ocr_benchmark_finetune_results_20251206_113206.csv
• src/raytune_paddle_subproc_results_20251207_192320.csv
• src/paddle_ocr_fine_tune_unir_raytune.ipynb