Optical Medieval Music Recognition

Optical Medieval Music Recognition

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-214348
  • In recent years, great progress has been made in the area of Artificial Intelligence (AI) due to the possibilities of Deep Learning which steadily yielded new state-of-the-art results especially in many image recognition tasks. Currently, in some areas, human performance is achieved or already exceeded. This great development already had an impact on the area of Optical Music Recognition (OMR) as several novel methods relying on Deep Learning succeeded in specific tasks. Musicologists are interested in large-scale musical analysis and inIn recent years, great progress has been made in the area of Artificial Intelligence (AI) due to the possibilities of Deep Learning which steadily yielded new state-of-the-art results especially in many image recognition tasks. Currently, in some areas, human performance is achieved or already exceeded. This great development already had an impact on the area of Optical Music Recognition (OMR) as several novel methods relying on Deep Learning succeeded in specific tasks. Musicologists are interested in large-scale musical analysis and in publishing digital transcriptions in a collection enabling to develop tools for searching and data retrieving. The application of OMR promises to simplify and thus speed-up the transcription process by either providing fully-automatic or semi-automatic approaches. This thesis focuses on the automatic transcription of Medieval music with a focus on square notation which poses a challenging task due to complex layouts, highly varying handwritten notations, and degradation. However, since handwritten music notations are quite complex to read, even for an experienced musicologist, it is to be expected that even with new techniques of OMR manual corrections are required to obtain the transcriptions. This thesis presents several new approaches and open source software solutions for layout analysis and Automatic Text Recognition (ATR) for early documents and for OMR of Medieval manuscripts providing state-of-the-art technology. Fully Convolutional Networks (FCN) are applied for the segmentation of historical manuscripts and early printed books, to detect staff lines, and to recognize neume notations. The ATR engine Calamari is presented which allows for ATR of early prints and also the recognition of lyrics. Configurable CNN/LSTM-network architectures which are trained with the segmentation-free CTC-loss are applied to the sequential recognition of text but also monophonic music. Finally, a syllable-to-neume assignment algorithm is presented which represents the final step to obtain a complete transcription of the music. The evaluations show that the performances of any algorithm is highly depending on the material at hand and the number of training instances. The presented staff line detection correctly identifies staff lines and staves with an $F_1$-score of above $99.5\%$. The symbol recognition yields a diplomatic Symbol Accuracy Rate (dSAR) of above $90\%$ by counting the number of correct predictions in the symbols sequence normalized by its length. The ATR of lyrics achieved a Character Error Rate (CAR) (equivalently the number of correct predictions normalized by the sentence length) of above $93\%$ trained on 771 lyric lines of Medieval manuscripts and of 99.89\% when training on around 3.5 million lines of contemporary printed fonts. The assignment of syllables and their corresponding neumes reached $F_1$-scores of up to $99.2\%$. A direct comparison to previously published performances is difficult due to different materials and metrics. However, estimations show that the reported values of this thesis exceed the state-of-the-art in the area of square notation. A further goal of this thesis is to enable musicologists without technical background to apply the developed algorithms in a complete workflow by providing a user-friendly and comfortable Graphical User Interface (GUI) encapsulating the technical details. For this purpose, this thesis presents the web-application OMMR4all. Its fully-functional workflow includes the proposed state-of-the-art machine-learning algorithms and optionally allows for a manual intervention at any stage to correct the output preventing error propagation. To simplify the manual (post-) correction, OMMR4all provides an overlay-editor that superimposes the annotations with a scan of the original manuscripts so that errors can easily be spotted. The workflow is designed to be iteratively improvable by training better models as soon as new Ground Truth (GT) is available.show moreshow less
  • In den letzten Jahre wurden aufgrund der Möglichkeiten durch Deep Learning, was insbesondere in vielen Bildbearbeitungsaufgaben stetig neue Bestwerte erzielte, große Fortschritte im Bereich der künstlichen Intelligenz (KI) gemacht. Derzeit wird in vielen Gebieten menschliche Performanz erreicht oder mittlerweile sogar übertroffen. Diese großen Entwicklungen hatten einen Einfluss auf den Forschungsbereich der optischen Musikerkennung (OMR), da verschiedenste Methodiken, die auf Deep Learning basierten in spezifischen Aufgaben erfolgreich waren.In den letzten Jahre wurden aufgrund der Möglichkeiten durch Deep Learning, was insbesondere in vielen Bildbearbeitungsaufgaben stetig neue Bestwerte erzielte, große Fortschritte im Bereich der künstlichen Intelligenz (KI) gemacht. Derzeit wird in vielen Gebieten menschliche Performanz erreicht oder mittlerweile sogar übertroffen. Diese großen Entwicklungen hatten einen Einfluss auf den Forschungsbereich der optischen Musikerkennung (OMR), da verschiedenste Methodiken, die auf Deep Learning basierten in spezifischen Aufgaben erfolgreich waren. Musikwissenschaftler sind in großangelegter Musikanalyse und in das Veröffentlichen von digitalen Transkriptionen als Sammlungen interessiert, was eine Entwicklung von Werkzeugen zur Suche und Datenakquise ermöglicht. Die Anwendung von OMR verspricht diesen Transkriptionsprozess zu vereinfachen und zu beschleunigen indem vollautomatische oder semiautomatische Ansätze bereitgestellt werden. Diese Arbeit legt den Schwerpunkt auf die automatische Transkription von mittelalterlicher Musik mit einem Fokus auf Quadratnotation, die eine komplexe Aufgabe aufgrund der komplexen Layouts, der stark variierenden Notationen und der Alterungsprozesse der Originalmanuskripte darstellt. Da jedoch die handgeschriebenen Musiknotationen selbst für erfahrene Musikwissenschaftler aufgrund der Komplexität schwer zu lesen sind, ist davon auszugehen, dass selbst mit den neuesten OMR-Techniken manuelle Korrekturen erforderlich sind, um die Transkription zu erhalten. Diese Arbeit präsentiert mehrere neue Ansätze und Open-Source-Software-Lösungen zur Layoutanalyse und zur automatischen Texterkennung (ATR) von frühen Dokumenten und für OMR von Mittelalterlichen Mauskripten, die auf dem Stand der aktuellen Technik sind. Fully Convolutional Networks (FCN) werden zur Segmentierung der historischen Manuskripte und frühen Buchdrucke, zur Detektion von Notenlinien und zur Erkennung von Neumennotationen eingesetzt. Die ATR-Engine Calamari, die eine ATR von frühen Buchdrucken und ebenso eine Erkennung von Liedtexten ermöglicht wird vorgestellt. Konfigurierbare CNN/LSTM-Netzwerkarchitekturen, die mit dem segmentierungsfreien CTC-loss trainiert werden, werden zur sequentiellen Texterkennung, aber auch einstimmiger Musik, eingesetzt. Abschließend wird ein Silben-zu-Neumen-Algorithmus vorgestellt, der dem letzten Schritt entspricht eine vollständige Transkription der Musik zu erhalten. Die Evaluationen zeigen, dass die Performanz eines jeden Algorithmus hochgradig abhängig vom vorliegenden Material und der Anzahl der Trainingsbeispiele ist. Die vorgestellte Notenliniendetektion erkennt Notenlinien und -zeilen mit einem $F_1$-Wert von über 99,5%. Die Symbolerkennung erreichte eine diplomatische Symbolerkennungsrate (dSAR), die die Anzahl der korrekten Vorhersagen in der Symbolsequenz zählt und mit der Länge normalisiert, von über 90%. Die ATR von Liedtext erzielte eine Zeichengenauigkeit (CAR) (äquivalent zur Anzahl der korrekten Vorhersagen normalisiert durch die Sequenzlänge) von über 93% bei einem Training auf 771 Liedtextzeilen von mittelalterlichen Manuskripten und von 99,89%, wenn auf 3,5 Millionen Zeilen von moderner gedruckter Schrift trainiert wird. Die Zuordnung von Silben und den zugehörigen Neumen erreicht $F_1$-werte von über 99,2%. Ein direkter Vergleich zu bereits veröffentlichten Performanzen ist hierbei jedoch schwer, da mit verschiedenen Material und Metriken evaluiert wurde. Jedoch zeigen Abschätzungen, dass die Werte dieser Arbeit den aktuellen Stand der Technik darstellen. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es, Musikwissenschaftlern ohne technischen Hintergrund das Anwenden der entwickelten Algorithmen in einem vollständigen Workflow zu ermöglichen, indem eine benutzerfreundliche und komfortable graphische Benutzerschnittstelle (GUI) bereitgestellt wird, die die technischen Details kapselt. Zu diesem Zweck präsentiert diese Arbeit die Web-Applikation OMMR4all. Ihr voll funktionsfähiger Workflow inkludiert die vorgestellten Algorithmen gemäß dem aktuellen Stand der Technik und erlaubt optional manuell zu jedem Schritt einzugreifen, um die Ausgabe zur Vermeidung von Folgefehlern zu korrigieren. Zur Vereinfachung der manuellen (Nach-)Korrektur stellt OMMR4all einen Overlay-Editor zur Verfügung, der die Annotationen mit dem Scan des Originalmanuskripts überlagert, wodurch Fehler leicht erkannt werden können. Das Design des Workflows erlaubt iterative Verbesserungen, indem neue performantere Modelle trainiert werden können, sobald neue Ground Truth (GT) verfügbar ist.show moreshow less

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Metadaten
Author: Christoph Wick
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-214348
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Mathematik und Informatik
Faculties:Fakultät für Mathematik und Informatik / Institut für Informatik
Referee:Prof. Dr. Frank Puppe, Prof. Dr. Ichiro Fujinaga, Prof. Dr. Andreas Nüchter
Date of final exam:2020/10/15
Language:English
Year of Completion:2020
DOI:https://doi.org/10.25972/OPUS-21434
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke
GND Keyword:Optische Musikerkennung (OMR); Neumennotation; Automatische Texterkennung (ATR); Optische Zeichenerkennung (OCR); Deep Learning
Tag:Automatic Text Reconition; Deep Learning; Neume Notation; Optical Character Recognition; Optical Music Recognition
CCS-Classification:J. Computer Applications
Release Date:2020/10/26
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht