基于會計信息智能化管理的票據(jù)圖像處理與識別

李宗民

（中原工學(xué)院經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，鄭州 450007）

在數(shù)字經(jīng)濟(jì)時代，隨著智能技術(shù)的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，將深刻影響會計行業(yè)和業(yè)務(wù)的發(fā)展，促進(jìn)會計信息處理方式的創(chuàng)新和會計人員職能的轉(zhuǎn)型升級［1］. 通過人工智能與會計業(yè)務(wù)的融合，會計人員可以借助智能算法實(shí)現(xiàn)會計信息的高效、精準(zhǔn)、自動處理，彌補(bǔ)傳統(tǒng)會計信息處理方式的準(zhǔn)確性、實(shí)效性和完整性不足等缺點(diǎn)，提升會計信息處理的效率與效益［2］，原有流程性、標(biāo)準(zhǔn)化和重復(fù)性的會計業(yè)務(wù)將被人工智能取代［3］. 這些特征將促使會計人員從會計核算職能，向強(qiáng)化內(nèi)控、輔助與參與企業(yè)經(jīng)營決策等管理會計職能方向轉(zhuǎn)型.

會計核算業(yè)務(wù)中的大部分憑證、票據(jù)等信息會計都是以圖像為載體呈現(xiàn)，如何借助人工智能算法和圖像處理技術(shù)將圖像信息轉(zhuǎn)換成準(zhǔn)確、及時和有效的文本信息，對提高會計處理處理效率、質(zhì)量、及時性等方面具有關(guān)鍵意義，也是促進(jìn)會計人員職能轉(zhuǎn)型升級的前提與保障.

近年來，針對會計信息智能處理方面的研究，一些專家、學(xué)者做了有意義的研究與探索. 張艷等提出運(yùn)用框線檢測，建立框線相似模型，精確提取票據(jù)圖像框架特征，對票據(jù)類別進(jìn)行分類［4］. 李治江等提出運(yùn)用樸素貝葉斯理論，構(gòu)建樸素貝葉斯分類模型，把圖像中的各個像素分成二類放到模型中，有效地實(shí)現(xiàn)彩色圖像各顏色區(qū)域的分離［5］. 韓征等提出運(yùn)用蒙特卡洛模擬的圖像二值化增強(qiáng)算法，對背景復(fù)雜、亮度不均勻的圖像進(jìn)行二值化分割［6］. 倬棟等綜合最大類間方差法和Bernsen算法，進(jìn)行實(shí)時二值化處理，解決光照不均勻條件下的圖像處理問題［7］. 卜飛宇等提出運(yùn)用框線去除算法，排除框線對字符識別的干擾［8］. 歐陽歡等提出運(yùn)用最大對稱環(huán)繞算法，通過對圖像目標(biāo)進(jìn)行聚類分析，實(shí)現(xiàn)圖章的識別與校正［9］. 鐘俠提出運(yùn)用基于Hough的票據(jù)圖像傾斜檢測與校正方法，以圖像中心為原點(diǎn)，通過平移變換，確定峰值點(diǎn)，精確計算傾斜角度，并進(jìn)行校正［10］. 羅曉萍提出運(yùn)用向上優(yōu)先區(qū)域生長法搜索行間留白，實(shí)現(xiàn)文本行分割與圖像校正［11］. 曹玉東等提出移動基準(zhǔn)點(diǎn)定位算法，對銀行票據(jù)文本信息區(qū)域進(jìn)行定位［12］. 金海燕等提出運(yùn)用二值化法，根據(jù)垂直投影和輪廓特征對發(fā)票中的數(shù)字進(jìn)行自適應(yīng)字符分割與識別，提高了圖像字符串的分割效率和準(zhǔn)確率［13］. 崔文成等提出運(yùn)用數(shù)字結(jié)構(gòu)特征算法，對發(fā)票編號的字體結(jié)構(gòu)與特征進(jìn)行識別，與基于輪廓特征的識別相比，具有高識別率、準(zhǔn)確性和低噪聲魯棒性［14］. 蔣方等提出依據(jù)發(fā)票信息布局和文本特征，結(jié)合雙向LSTM（Long Short-Term Memory）序列學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)對文本進(jìn)行分割與識別［15］. 宋琦悅等提出運(yùn)用改進(jìn)滴水算法，尋找粘連字符切分路徑，對粘連字符進(jìn)行分割，效果較好［16］.

盡管針對會計票據(jù)智能化處理方面已有許多研究成果，但仍存在識別的準(zhǔn)確性、完整性、效率性和智能性等方面的問題不足. 本文綜合相關(guān)研究成果與實(shí)踐，綜合運(yùn)用票據(jù)圖像處理技術(shù)，采用二值化、定向白游改進(jìn)算法對票據(jù)圖像進(jìn)行預(yù)處理與傾斜校正，然后，運(yùn)用維納濾波法和灰度投影法對圖像進(jìn)行去噪與字符分割，最后，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特征識別模型從票據(jù)圖像中提取特征數(shù)據(jù)，智能識別會計信息，實(shí)現(xiàn)會計信息的智能化采集與處理.

本文運(yùn)用上述思路與方法，對真實(shí)的150張增值稅發(fā)票樣本進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，識別率為98.42%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很強(qiáng)的有效性，本文的研究成果將對會計信息處理智能化，促進(jìn)會計人員職能轉(zhuǎn)型升級有一定的促進(jìn)作用.

1 圖像識別相關(guān)方法

1.1 圖像二值化

圖像二值化是將彩色圖像或多灰度圖像轉(zhuǎn)換成只有兩個黑白灰度圖像的過程. 其處理步驟與方法如下.

1）脫色處理. 對于彩色圖像首先進(jìn)行圖像脫色，即灰度處理. 將彩色像素轉(zhuǎn)換成灰度像素的常用算法是計算RGB三種顏色系列的平均值，并使用平均值表示灰度像素的灰度（0～255）. 該算法非常簡單，許多圖像處理APP平臺為圖像脫色提供了封裝功能.

2）黑白分割. 通過將像素的灰度值與閾值進(jìn)行比較來確定像素是黑色還是白色（像素值是1 還是0）.計算公式如下：

式（1）中e是選擇的閾值. 當(dāng)圖像的像素值為0時為白色. 當(dāng)圖像的像素值為1時為黑色，即字符圖像. 如果圖像背景不在灰度值上（如紋理不同），可以將差別特征值，轉(zhuǎn)換為灰度差別，然后再利用閾值判斷分割該圖像，并通過動態(tài)調(diào)節(jié)閾值實(shí)現(xiàn)圖像的二值化分割.

1.2 傾斜校正

在票據(jù)圖像獲取過程中由人為或其他原因，所獲取的圖像經(jīng)常會出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象. 這樣將影響圖像后續(xù)的字符分割效果，必須通過傾斜識別，以校正圖像的水平度.

王威等提出了基于定向白游傾斜角度檢測算法，從白色像素開始，沿著特定方向搜索，進(jìn)行傾斜校正［17］.該方法的計算誤差比較大，本文提出一種基于方向白色行進(jìn)的改進(jìn)方法. 具有步驟與方法如下.

1）采集樣本點(diǎn). 在預(yù)處理后的圖像中，掃描圖像的行和列，以第一個黑色像素為樣本起點(diǎn)，在水平和垂直方向上以一定間隔獲取一個采樣點(diǎn)，并依次獲取完整圖像的采樣點(diǎn).

2）分析采樣點(diǎn). 確定采樣點(diǎn)是否是文本和直線之間的中心點(diǎn)，若在采樣點(diǎn)的區(qū)域中存在黑色像素，則刪除采樣點(diǎn)，否則，寫下更改的位置.

3）計算傾斜角. 首先以每個滿足條件的采樣點(diǎn)作為圖像中心，以1°為單位計算白色游程的長度，找到各采樣點(diǎn)白游程的最大長度. 然后，沿著各采樣點(diǎn)的白游程長度方向上下搜索每個角度的白色游程，遇到帶有黑色像素就停止搜索，從而獲得線之間的每個角度的白色游程，并對獲得的角度進(jìn)行平均，然后記錄角度值. 最后，對滿足條件的每個采樣點(diǎn)重復(fù)上述步驟，并再次平均每個采樣點(diǎn)獲得的角度的平均值，即獲得準(zhǔn)確的傾斜角度.

4）傾斜校正. 根據(jù)獲得的傾斜角度，以圖像的中心點(diǎn)為原點(diǎn)旋轉(zhuǎn). 任意一點(diǎn)（x，y）旋轉(zhuǎn)后的水平和垂直坐標(biāo)公式如下：

該方法采用選擇多個采樣點(diǎn)，計算各方向的白游程，并通過平均值作為最終的白游程，獲取的傾斜角度更準(zhǔn)確.

1.3 信息降噪

會計票據(jù)圖像在打印、傳輸、轉(zhuǎn)換或存儲的過程中會受到各種隨機(jī)因素的影響而產(chǎn)生許多噪音，使圖像變得粗糙、質(zhì)量下降、特征淹沒［18］. 為了確保字符分割與識別的準(zhǔn)確性，必須對會計票據(jù)圖像進(jìn)行降噪處理.

根據(jù)噪聲與信號之間的關(guān)系，可以將噪聲分為加性噪聲、乘性噪聲和附加噪聲. 其中，加性噪聲是背景噪聲，包括熱噪聲、散粒噪聲，它與信號疊加，具有普遍性；乘性噪聲（也稱為卷積噪聲）是由系統(tǒng)衰落或其他非線性等，時變因素引起，取決于信號的存在；附加噪聲主要來源于人為、自然和內(nèi)部因素.

信息降噪主要采用均值濾波、中值濾波與維納濾波等方法，其中，維納濾波是自適應(yīng)濾波中使用最廣泛的方法［19］，是在可計算的情況下，通過使用原始獲得的濾波參數(shù)的結(jié)果來自動調(diào)整后續(xù)的濾波參數(shù)，以獲得適合于輸入圖像和噪聲的統(tǒng)計特性［20］，它可以更好地消除噪音點(diǎn)并保留圖像的高頻和邊緣信息.

維納濾波是通過信號和噪聲的概率密度隨機(jī)函數(shù)，找到未污染圖像的估計值f?(x,y)，以便滿足估計圖像和原始圖像f(x,y)之間的誤差最小：

當(dāng)E || f(x,y)-w(x,y)*g(x,y)2=min 時，維納濾波方程滿足以下等式：

式（5）中：H(u,v)是退化函數(shù)；H*(u,v)是H(u,v)的共軛函數(shù)；H(u,v)和W(u,v)分別是h(x,y)和w(x,y)的傅里葉變換；Pf(u,v)/Pn(u,v)為分別信噪比. 其中，圖像功率譜Pf(u,v)、噪聲功率譜Pn(u,v)公式如下：

因此，維納濾波估計值可表示為

式（8）中，G(u,v)是w(x,y)的傅里葉變換.

1.4 基于灰度投影的字符分割

經(jīng)過降噪處理后，獲得相對干凈的數(shù)字字符串區(qū)域，需要將數(shù)字字符串區(qū)域中的打印數(shù)字一一分割用于后續(xù)的數(shù)字識別處理. 本文使用基于灰度投影的字符切割算法來準(zhǔn)確、快速地切割單個字符［21］. 其思路如下：

1）根據(jù)降噪后的二值化圖像的像素分布，分別進(jìn)行水平與垂直方向投影，對每一行或每一列所有灰度值為0的像素數(shù)求和.

2）在水平和垂直方向分別設(shè)定一個搜索范圍與步長，并計算兩個曲線的一階差分值.

3）選擇相差最小的位置，識別判斷投影的每一行或列，找到分割點(diǎn).

4）根據(jù)分割點(diǎn)進(jìn)行字符分割.

5）依據(jù)思路，設(shè)計算法，用Matlab實(shí)現(xiàn)上述思路.

對于會計票據(jù)，比如發(fā)票，在水平和垂直方向投影時，由于許多字符交錯排列，投影的效果會受到影響.這時發(fā)票在水平和垂直方向投影時，許多字符行和列是交錯排列的，并且會受到影響，應(yīng)考慮動態(tài)設(shè)置子區(qū)域投影以減少票據(jù)類型和格式的影響.

1.5 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的字符識別模型

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Networks，CNN）是一種包含卷積計算的深度前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，直接將圖像作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，通過權(quán)重共享機(jī)制，自動提取圖像特征；通過池化合并減少參數(shù)量、有效地避免過擬合和圖像平移變性，并通過連接的稀疏性，實(shí)現(xiàn)多維數(shù)據(jù)“扁平化”［22］.

本文采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對票據(jù)圖像特征進(jìn)行識別與分類. 首先把30×30的原始票據(jù)圖像，采用16維度的5×5 卷積核，1 個卷積步長對圖像進(jìn)行卷積，獲得16 維度的26×26 大小的特征圖，經(jīng)過2×2 池化最大化合并，獲得16個維度的13×13大小的特征圖. 在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行2層卷積與池化，采用32維度的4×4卷積核，2×2化池最大化合并，獲得32×5×5 大小的扁平化向量. 最后，運(yùn)用ReLu 函數(shù)作為全連接層每個神經(jīng)元的激勵函數(shù)，采用softMax分類器實(shí)現(xiàn)對會計票據(jù)圖像的分類識別與最大化輸出.

2 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本文的實(shí)驗(yàn)環(huán)境為Intel Core i3-4150@3.50 GHz 的CPU，4G 內(nèi)存的硬件配置，64 bit win7 和MATLAB 2013B軟件配置.

2.2 數(shù)據(jù)采集

本文收集了150張增值稅發(fā)票，以測試系統(tǒng)數(shù)字識別的準(zhǔn)確性. 實(shí)驗(yàn)總共使用了10 410個字符，其中發(fā)票代碼區(qū)域中使用了1800 個字符；購買方名稱區(qū)域945 個字符；納稅人識別號為2700 個字符；開票日期為2100個字符；數(shù)量區(qū)域有495個字符；單價區(qū)域有1125個字符；金額區(qū)域有1245個字符.

2.3 仿真結(jié)果分析

本文以150張發(fā)票作為會計票據(jù)圖像樣本，由于發(fā)票的信息量非常大，本文僅對發(fā)票代碼、開票日期、納稅人識別號、數(shù)量、單價、金額等文本信息進(jìn)行分割與識別，具體仿真結(jié)果分析如下.

1）字符分割效果分析

該仿真實(shí)驗(yàn)采用灰度投影法，并結(jié)合分割區(qū)域的字符縱橫比，對150張發(fā)票圖像的相關(guān)文本信息進(jìn)行水平與垂直字符分割. 首先對發(fā)票圖像二值化、傾斜校正與降噪處理，然后計算出水平與垂直坐標(biāo)后，對文本字符進(jìn)行分割，并各文本字符進(jìn)行單獨(dú)分析，以驗(yàn)證分割算法的有效性. 由于本文僅對發(fā)票代碼、納稅人識別號、開票日期、金額、單價、數(shù)量等信息進(jìn)行分析，以驗(yàn)證分割算法的有效性. 對150張發(fā)票樣本的分割區(qū)域總數(shù)為945個（由于購買方有時購買商品類型或種類不止一種，對數(shù)量、單價及金額區(qū)域的分割多于150個），仿真實(shí)驗(yàn)分割效果如表1所示.

表1 發(fā)票字符分割實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental results of invoice character segmentation

從表1可以看出，采用基于灰度投影法的字符分割模型對發(fā)票文本字符分割平均正確率為98.37%，效果較好. 由于數(shù)量、單價、金額區(qū)域基本上都是數(shù)字或字符，縱橫比差異很小，每個字符都是一個完整的部分，受到復(fù)雜結(jié)構(gòu)的影響很少，其正確分割率相對較高. 開票是可變域信息，會受到字條重疊、布局重疊等因素的影響，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，正確分割率較低，僅為96.00%，仍有很大的改進(jìn)空間.

2）區(qū)域字符識別效果分析

發(fā)票圖像經(jīng)過二值化預(yù)處理、圖像校正、圖像去噪、定位和分割操作后，采用基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識別模型對字符進(jìn)行仿真識別. 在150 張增值稅發(fā)票樣本中，共對10 922 個字符進(jìn)行識別，其中發(fā)票代碼區(qū)域1800個字符，納稅人識別號2700個字符，開票日期2100個字符，數(shù)量區(qū)812個字符，單價區(qū)1643個字符，貨幣區(qū)1867個字符. 經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)，各區(qū)域及整體的字符正確識別數(shù)及識別率如表2所示.

表2 各區(qū)域字符識別率Tab.2 Regional character recognition rate

從表2可以看出，發(fā)票圖像確定區(qū)域的字符正確識別率明顯高于總體字符平均正確識別率，開票日期作為可變域，其字符正確識別率低于平均識別率，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于確定區(qū)域字符正確識別率，主要是由于機(jī)器打印引起日期、區(qū)域重疊等問題造成的，僅通過結(jié)構(gòu)和投影特征來分割與識別字符已不能達(dá)成預(yù)期目標(biāo). 總體上，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的識別模型具有較好的字符識別率（平均98.42%），但仍存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間，特別是對可變域的字符分割與識別方面.

3 結(jié)論

本文采用二值化、改進(jìn)型定向白游法、維納濾波、灰度投影及卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，對增值稅發(fā)票圖像進(jìn)行預(yù)處理、傾斜校正、去噪、字符分割及識別，實(shí)現(xiàn)會計信息的智能化提取. 仿真實(shí)驗(yàn)效果表明，該方法是有效的，可以大大提高會計信息處理的準(zhǔn)確性、效率與及時性. 該研究有助于提升會計信息智能化水平，提高會計信息處理效率，并促進(jìn)會計人員從流程化、固化的會計核算事務(wù)中解脫出來.