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

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

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

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Objetivo

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

Resultado alcanzado: CER = 1.49% (objetivo cumplido)

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Resultados Principales

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

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

Fuente: Elaboración propia.

Mejora obtenida: Reducción del CER en un 80.9%

Configuración Óptima Encontrada

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

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Metodología

Pipeline de Trabajo

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

Experimento de Optimización

Tabla. Parámetros de configuración del experimento Ray Tune.

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

Fuente: Elaboración propia.

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Estructura del Repositorio

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

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Hallazgos Clave

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

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

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

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Rendimiento GPU

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

Tabla. Comparación de rendimiento CPU vs GPU.

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

Fuente: Elaboración propia.

Recomendación de Modelos

Tabla. Comparación de modelos PaddleOCR en RTX 3060.

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

Fuente: Elaboración propia.

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

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Requisitos

Tabla. Dependencias principales del proyecto y versiones utilizadas.

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

Fuente: Elaboración propia.

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Uso

Preparar dataset

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

Ejecutar optimización

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

Evaluación individual

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

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Fuentes de Datos

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

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Generación del Documento TFM

Prerrequisitos

# Instalar dependencias de Python
pip install beautifulsoup4

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

Flujo de Generación del Documento

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

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

Comandos de Generación

# Desde el directorio raíz del proyecto:

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

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

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

Notas Importantes para Edición en Word

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

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

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

Archivos de Entrada y Salida

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

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

Fuente: Elaboración propia.

Contenido Generado Automáticamente

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

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Trabajo Pendiente para Completar el TFM

Contexto: Hardware

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

Hardware utilizado:

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

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

Tareas Pendientes

Obligatorias para Entrega

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

Opcionales (Mejoras Futuras)

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

Completadas

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

Dataset

El dataset contiene 45 páginas de 2 documentos UNIR:

• src/dataset/0/: Instrucciones TFE (24 páginas)
• src/dataset/1/: Plantilla TFE (21 páginas)

Formato Hugging Face

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

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

Generar/Regenerar Dataset

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

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

Descargar Dataset

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

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Licencia

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

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Referencias

• PaddleOCR
• Ray Tune
• Optuna
• jiwer