文档智能之ERNIE-Layout

2023-03-09

百度提出跨模态文档理解模型 ERNIE-Layout，首次将布局知识增强技术融入跨模态文档预训练，在 4 项文档理解任务上刷新世界最好效果，登顶 DocVQA 榜首。同时，ERNIE-Layout 已集成至百度智能文档分析平台 TextMind，助力企业数字化升级。

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github地址：https://github.com/PaddlePaddle/PaddleNLP/tree/develop/applications/document_intelligence

百度基于ERNIE-Layout开发了docPrompt，可以通过PaddleNLP Taskflow三行代码即可体验功能，如下所示：

from paddlenlp import Taskflow
docprompt = Taskflow("document_intelligence", model='docprompt')
docprompt({"doc": "./invoice.jpg", "prompts": ["票据的具体名称是什么？", "右上方的数字是什么?", "第一个收费项目是啥?"]})

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核心创新点：

  • 引入了布局知识增强，融合文本、图像、布局等信息进行跨模态联合建模；
  • 提出阅读顺序预测、细粒度图文匹配等自监督预训练任务，升级空间解耦注意力机制；

ERNIE-Layout架构图如下所示：

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创新性的使用了Layout-Parser（https://github.com/Layout-Parser/layout-parser）进行文档解析，从Figure2可以看出，效果由于OCR tools的识别结果

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模型输入：

Text Embedding

在输入文本前后分别加入特殊token [CLS]和[SEP]，文本的embedding主要有token embedding，1D position embedding和token type embedding求和得到

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Visual Embedding

视觉部分使用Faster-RCNN作为backbone，文档图像大小归一化到224x224，输出一个固定大小的feature map，然后通过线性转换成与text embedding大小一样，最终visual embedding，1D position embedding和token type embedding求和

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Layout Embedding

使用OCR tools得到每个token的坐标位置，包括横坐标和纵坐标，然后分别进行embedding提取，如下

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最终的embedding是Text embedding和Visual embedding分别加上自己的Layout embedding再concate起来

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预训练任务：

Reading Order Prediction(ROP): 阅读顺序任务主要是在注意力矩阵的基础上增加了一个0-1矩阵G，该0-1矩阵主要是说明书前后两个token是否符合阅读顺序，损失函数如下所示：

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Replaced Region Prediction(RRP): 图像中10%的patch被随机删除或者被其他patch进行替换，然后进行预测是否被替换，损失函数如下所示：

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G表示golden label，P表示predict label

Masked Visual-Language Modeling(MVLM): 这个类似BERT中的MLM；

Text-Image Alignment(TIA): 该任务主要解决图文细粒度匹配问题，随机选择几行文本，然后把他们对应的图像遮挡，最后增加一个分类layer来判断每个文本token是否被遮挡

最终损失函数对上述四种预训练任务进行求和，公式如下：

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从以上实验看出，效果非常nice