论文阅读《Nougat：Neural Optical Understanding for Academic Documents》

摘要

科学知识主要存储在书籍和科学期刊中，通常以PDF的形式。然而PDF格式会导致语义信息的损失，特别是对于数学表达式。我们提出了Nougat，这是一种视觉transformer模型，它执行OCR任务，用于将科学文档处理成标记语言，并证明了我们的模型在新的科学文档数据集上的有效性。

引言

存储在pdf中的知识，信息提取有难度，其中数学表达式的语义信息会丢失。现有的OCR方法没有办法识别公式。为此，我们引入了Nougat,这是一种基于transformer的模型，能将文档页面的图像转换为格式化的标记文本。这篇论文的主要贡献如下：

1) 发布能够将PDF转换为轻量级标记语言的预训练模型；

2) 我们引入了一个将pdf转为标记语言的pipeline；

3) 我们的方法仅依赖于页面的图像，支持扫描的论文和书籍；

模型

以前的VDU(视觉文档理解)方法要么依赖于第三方OCR工具，要么专注于文档类型，例如：收据、发票或类似表单的文档。最近的研究表明，不需要外部OCR，在VDU中也能实现有竞争力的结果。

如图1所示，我们的模型基于donut构建，是一个encoder-decoder模型，允许端到端的训练。

编码器

视觉encoder首先接受一张文档图像，裁剪边距并调整图像大小成固定的尺寸(H,W)；如果图像小于矩形，那么增加额外的填充以确保每个图像具有相同的维度。我们使用了Swin Transformer，将图像分为不重叠的固定大小的窗口，然后应用一系列的自注意力层来聚集跨窗口的信息。该模型输出一个embedding patch ，其中d是隐层维度，N是patch的数目。

解码器

使用带有cross-attention的mBART解码器解码，然后生成一系列tokens，最后tokens被投影到vocabulary的大小，产生logits。我们使用作为decoder；

SetUP

我们用96 DPI的分辨率渲染文档图像。由于swin transformer的限制性，我们将input size设置为(896,672)；文档图像先resize,然后pad到所需的大小，这种输入大小允许我们使用Swin基础模型架构。我们用预训练的权重初始化了模型，Transformer解码器的最大序列长度是4096。这种相对较大的规模是因为学术研究论文的文本可能是密集的，尤其表格的语法是token密集的。BART解码器是一个10层的decoder-only transformer。整个架构共有350M参数；在推理的时候，文本使用greedy decoding生成的。

训练：使用AdamW优化器训练3个epoch，batch_size是192；初始化学习率是;

数据增强

在图像识别任务中，使用数据增强来提高泛化性是有效的。由于我们的训练集只有学术论文，所以我们需要应用一系列的transformation来模拟扫描文档的缺陷和可变性。这些变换包括：腐蚀，膨胀，高斯噪声，高斯模糊，位图转换，图像压缩，网格失真和弹性变换。每个都有一个固定的概率来应用给给定图像。每个转换的效果如图所示：

在训练过程中，我们会用随机替换token的方式给groud truth增加扰动。

数据

目前没有pdf页面和其对应的source code的成对数据集。因为我们根据arxiv上的开源文章，建立了自己的数据集。对于layout多样性，我们引入了PMC开源非商业数据集的子集。在预训练过程中，也引入了一部分行业文档库数据。

ARXIV

我们从arxiv上收集了174w+的pape，收集其源代码并编译pdf。为了保证格式的一致性，我们首先用latex2html处理源文件，并将他们转为html文件。这一步很重要，因为他们是标准化的并且去掉了歧义，尤其是在数学表达式中。转换过程包括：替换用户定义的宏，添加可选括号，规范化表以及用正确的数字替换引用。然后我们解析html文件，并将他们转换为轻量级标记语言，支持标题，粗体和斜体文本、公式，表等各种元素。这样，我们能保证源代码格式是正确的，方便后续处理。整个过程如图所示：

PMC

我们还处理了来自PMC的文章，其中除了PDF文件之外，还可以获得具有语义信息的XML文件。我们将这些文件解析为与arxiv文章相同的标记语言格式，我们选择使用PMC少得多的文章，因为XML文件并不总是具有丰富的语义信息。通常，方程和表格存储为图像，这些情况检测起来并非易事，这导致我们决定将PMC文字的使用限制在预训练阶段。

IDL

IDL是行业产生的文档集合。这个仅用在预训练阶段，用于教模型基本的OCR；

分页

我们根据pdf的页中断来分割markdown标记，然后将每个pdf页面转为图像，来获得图像-标记pair。在编译过程中，Latex会自动确定pdf的页面中断。由于我们没有重新编译每篇论文的Latex源，我们必须启发式地将源文件拆分为对应不同页面的部分。为了实现这一点，我们使用PDF页面上的嵌入文本和源文本进行匹配。

然而，PDF中的图像和表格可能不对应他们在源代码中的位置。为了解决这个问题，我们在预处理阶段去掉了这些元素。然后将识别的标题和XML文件中的标题进行比较，并根据他们的Levenshtein距离进行匹配。一旦源文档被分成单个页面，删除的图形和表格就会在每个页面的末尾重新插入。