​​​​​​摘要：文档版式分析任务中，文档的视觉信息、文本信息、各版式部件间的关系信息都对分析过程具有很重要的作用。本文提出一种融合视觉、文本、关系多模态信息的版式分析架构 VSR。

本文分享自华为云社区《论文解读系列十八：融合视觉、语义、关系多模态信息的文档版面分析架构VSR》，作者： 小菜鸟 chg 。

现有文档版面分析方法大致可分为两种：基于 NLP 的方法将版面分析任务看作是序列标签分类任务（sequence labeling），但是该类方法在版面建模上表现出不足，无法捕获空间信息；基于 CV 的方法则将版面分析看作是目标检测或分割任务（object detection orsegmentation），该类方法的不足表现在（1）缺乏细粒度的语义、（2）简单的拼接方式、（3）未利用关系信息。如图 1 展示的 VSR 的 motivation 示意图，为解决上述各方法的局限性问题，本文提出一种融合视觉、文本、关系多模态信息的版式分析架构 VSR （Vision，Semantic， Relation）。

图 1 VSR 的 motivation 示意图

1. 问题定义

版式分析任务既可当做序列标签分类，又可当做目标检测。主要区别在于部件候选（componentcandidates）的选择。对于基于 NLP 方法，即序列标签分类的定义，选择通过 pdf 解析或 OCR 识别得到 texttokens；对于基于 CV 方法，即目标检测或分割的定义，选择通过目标检测网络如 Mask RCNN 得到的区域 RoI。VSR 主要围绕目标检测的定义展开，同时 VSR 也可以很直接地应用到基于 NLP 的方法上。

2. VSR 架构

VSR 架构如图 2 所示，主要包括三个模块：双流卷积网络(two-stream ConvNets)、多尺度自适应聚合模块、关系学习模块。首先，双流卷积网络提取视觉和语义特征；然后，相对于简单的拼接，多尺寸自适应聚合模块来得到视觉和语义双模态信息表示；接着，基于聚合的多模态信息表示，可以生成布局组件候选集；最后，关系学习模块来学习各组件候选间的关系，并生成最终结果。下面对各模块具体展开。

图 2 VSR 架构图

2.1 双流卷积网络

VSR 采用双流卷积神经网络（本文采用的是 ResNeXt-101）来分别提取图像视觉信息和文本语义信息。

视觉 ConvNet

对于输入图片 V_{0}=\mathbb{R}^{H\timesW\times 3}V0​=RH×W×3，通过骨干 CNN 网络，得到视觉信息的多尺度特征图\{V_{2},V_{3},V_{4},V_{5}\}{V2​,V3​,V4​,V5​}，其中 V_i\in \mathbb{R}^{\frac{H}{2^i}\times\frac{W}{2^i}\times C_{i}^{V}}Vi​∈R2iH​×2iW​×CiV​，HH 和 WW 分别是图片的高和宽，C_{i}^{V}CiV​是通道数。

语义 ConvNet

VSR 将文本转换为 2D 表示 S_{0}=\mathbb{R}^{H\timesW\times C_{0}^{S}}S0​=RH×W×C0S​, 其中 C_{0}^{S}C0S​是初始通道维度（本文取 64）。根据字符和语句两种粒度分别得到 CharGrid 和 SentGrid:

CharGrid_{ij}=\left\{\begin{matrix}E^{c}(c_k) & if (i,j)\in b_k^c\\ 0 & else \end{matrix}\right. \tag{1}CharGridij​={Ec(ck​)0​if(i,j)∈bkc​else​(1)

其中 c_kck​表示第 kk 个字符，b_k^c =(x_{0}; y_0; x_1; y_1)bkc​=(x0​;y0​;x1​;y1​) 是其对应两点标注（左上角和右下角横纵坐标），E^{c}Ec 是词向量映射操作。

SentGrid_{ij}=\left\{\begin{matrix}E^{s}(s_k) & if (i,j)\in b_k^s\\ 0 & else \end{matrix}\right. \tag{2}SentGridij​={Es(sk​)0​if(i,j)∈bks​else​(2)

其中 s_ksk​表示第 kk 个语句，b_k^s =(x_{0}; y_0; x_1; y_1)bks​=(x0​;y0​;x1​;y1​) 是其对应两点标注，E^{s}Es 是预训练的 BERT 模型。  

对字符和语句两个粒度的语义信息进行融合，得到文本 2D 表示 S_{0}S0​：

S_{0} =LayerNorm(CharGrid+SentGrid) \tag{3}S0​=LayerNorm(CharGrid+SentGrid)(3)

将 S_{0}S0​输入到骨干 CNN 网络，得到文本信息的多尺度特征图\{S_{2},S_{3},S_{4},S_{5}\}{S2​,S3​,S4​,S5​}，与视觉信息的多尺度特征图\{V_{2},V_{3},V_{4},V_{5}\}{V2​,V3​,V4​,V5​}是同样的尺寸和维度。

2.2 多尺寸自适应聚合模块

在得到各模态的特征图表示后，通过一个卷积层得到 attention map AM_iAMi​，再基于 attention map 对各模态特征进行聚合得到聚合特征图 FM_iFMi​：

AM_i =h(g[V_i, S_i]) \tag{4}AMi​=h(g[Vi​,Si​])(4)

FM_i =AM_i\odot V_i + (1 - AM_i)\odot S_i \tag{5}FMi​=AMi​⊙Vi​+(1−AMi​)⊙Si​(5)

其中 gg 是一个卷积核尺寸为 1\times 1\times (C_i^V + C_i^S)\times C_i^S1×1×(CiV​+CiS​)×CiS​的卷积层，hh 是非线性激活函数。随后 FM=\{FM_{2},FM_{3},FM_{4},FM_{5}\}FM={FM2​,FM3​,FM4​,FM5​}经过特征金字塔网络 FPN 得到最终的多模态聚合特征。

2.3 关系学习模块

在得到 FM 后，可以通过 RPN 网络很容易得到 ROI（Regionof Interest）作为布局部件候选集。本文在实验阶段选择的是 Mask RCNN，同时设置 7 个 anchor 比例(0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 2.0)(0.02,0.05,0.1,0.2,0.5,1.0,2.0)得到部件候选集。如图 3 所示，根据各部件候选之间的关系，可以有如下作用：（1）利用空间位置关系，调整文本框坐标；（2）根据部件间的共现关系（比如表格和表格标题一般会同时出现）修正预测标签；（3）各 component 间不重叠的特性移除多余框。VSR 中关系学习模块对各部件候选间的关系进行建模，并最终得到版面分析的结果。

图 3 VSR 关系学习模块作用示意图

将一篇文档作为一张图 graph，而每个部件候选 component candidate 作为节点 node。每个节点的特征表示由多模态特征表示和位置信息表示组成：

z_j =LayerNorm(f_j+e^{pos}_j(b_j)) \tag{6}zj​=LayerNorm(fj​+ejpos​(bj​))(6)

其中 f_j=ROIAlign(FM,b_j)fj​=ROIAlign(FM,bj​)，而 e^{pos}_j(b_j)ejpos​(bj​)是位置坐标的向量表示。

通过 self-attention 机制来学习关系：

Z' =Attention(Q,K,V) = softmax(\frac{QK^T}{\sqrt{d_k}})V \tag{7}Z′=Attention(Q,K,V)=softmax(dk​​QKT​)V(7)

其中 Q，K，VQ，K，V 都是由 Z=\{z_1, z_2, ..., z_N\}Z={z1​,z2​,...,zN​}来表示, Z'=\{z'_1,z'_2, ..., z'_N\}Z′={z1′​,z2′​,...,zN′​}是经过 self-attention 后的输出结果。  

计算节点即部件候选的分类概率：

\tilde{p}^c_j= softmax(Linear_{cls}(z'_j))\tag{8}p~​jc​=softmax(Linearcls​(zj′​))(8)

计算节点即部件候选的边框坐标回归：

\tilde{b}_j=Linear_{reg}(z'_j) \tag{9}b~j​=Linearreg​(zj′​)(9)

2.4 优化训练

序列标注的定义下：

采用分类交叉熵进行优化：

\mathcal{L}= -\frac{1}{T}\sum_{j=1}^{T}y_jlog(\tilde{p}_j) \tag{10}L=−T1​j=1∑T​yj​log(p~​j​)(10)

其中 TT 是 text token 的个数，y_jyj​是序列标注的 groundtruth。

目标检测的定义下：

优化损失函数计算：

\mathcal{L}= \mathcal{L}_{DET} + \lambda \mathcal{L}_{RM} \tag{11}L=LDET​+λLRM​(11)

其中\mathcal{L}_{DET}LDET​是候选生成阶段的损失，包括交叉熵（用于分类）和 smooth L1（用于边框回归）；\mathcal{L}_{RM}LRM​是关系学习模块的损失，同样包括交叉熵（用于分类）和 smooth L1（用于边框回归）。本文实验中设置\lambda =1λ=1。

3. 实验结果

3.1 对比实验

VSR 在三个开源数据集 ArticleRegions，PubLayNet，DocBank 上取得了最优结果。

3.2 消融实验

表 5、表 6、表 7 的实验结果分别验证了 A.不同粒度的文本表示；B.双流卷积网络和聚合模块；C.关系学习模块三个部分的有效性。

4. 总结

VSR 方法的三个重要部分如下：

（1）文本语义用 character 和 sentence 两种粒度来表示；

（2）采用 two-stream convnet 来分别提取视觉和语义特征，再通过 attention 将两个模态特征聚合，最后基于聚合特征得到 componentcandidates；

（3）GNN 即 Selfattention 来学习各 component candidates 间的关系。

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