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发票关键信息抽取.md

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基于VI-LayoutXLM的发票关键信息抽取

1. 项目背景及意义

关键信息抽取在文档场景中被广泛使用,如身份证中的姓名、住址信息抽取,快递单中的姓名、联系方式等关键字段内容的抽取。传统基于模板匹配的方案需要针对不同的场景制定模板并进行适配,较为繁琐,不够鲁棒。基于该问题,我们借助飞桨提供的PaddleOCR套件中的关键信息抽取方案,实现对增值税发票场景的关键信息抽取。

2. 项目内容

本项目基于PaddleOCR开源套件,以VI-LayoutXLM多模态关键信息抽取模型为基础,针对增值税发票场景进行适配,提取该场景的关键信息。

3. 安装环境

# 首先git官方的PaddleOCR项目,安装需要的依赖
# 第一次运行打开该注释
git clone https://gitee.com/PaddlePaddle/PaddleOCR.git
cd PaddleOCR
# 安装PaddleOCR的依赖
pip install -r requirements.txt
# 安装关键信息抽取任务的依赖
pip install -r ./ppstructure/kie/requirements.txt

4. 关键信息抽取

基于文档图像的关键信息抽取包含3个部分:(1)文本检测(2)文本识别(3)关键信息抽取方法,包括语义实体识别或者关系抽取,下面分别进行介绍。

4.1 文本检测

本文重点关注发票的关键信息抽取模型训练与预测过程,因此在关键信息抽取过程中,直接使用标注的文本检测与识别标注信息进行测试,如果你希望自定义该场景的文本检测模型,完成端到端的关键信息抽取部分,请参考文本检测模型训练教程,按照训练数据格式准备数据,并完成该场景下垂类文本检测模型的微调过程。

4.2 文本识别

本文重点关注发票的关键信息抽取模型训练与预测过程,因此在关键信息抽取过程中,直接使用提供的文本检测与识别标注信息进行测试,如果你希望自定义该场景的文本检测模型,完成端到端的关键信息抽取部分,请参考文本识别模型训练教程,按照训练数据格式准备数据,并完成该场景下垂类文本识别模型的微调过程。

4.3 语义实体识别 (Semantic Entity Recognition)

语义实体识别指的是给定一段文本行,确定其类别(如姓名住址等类别)。PaddleOCR中提供了基于VI-LayoutXLM的多模态语义实体识别方法,融合文本、位置与版面信息,相比LayoutXLM多模态模型,去除了其中的视觉骨干网络特征提取部分,引入符合阅读顺序的文本行排序方法,同时使用UDML联合互蒸馏方法进行训练,最终在精度与速度方面均超越LayoutXLM。更多关于VI-LayoutXLM的算法介绍与精度指标,请参考:VI-LayoutXLM算法介绍

4.3.1 准备数据

发票场景为例,我们首先需要标注出其中的关键字段,我们将其标注为问题-答案的key-value pair,如下,编号No为12270830,则No字段标注为question,12270830字段标注为answer。如下图所示。

注意:

  • 如果文本检测模型数据标注过程中,没有标注 非关键信息内容 的检测框,那么在标注关键信息抽取任务的时候,也不需要标注该部分,如上图所示;如果标注的过程,如果同时标注了非关键信息内容 的检测框,那么我们需要将该部分的label记为other。
  • 标注过程中,需要以文本行为单位进行标注,无需标注单个字符的位置信息。

已经处理好的增值税发票数据集从这里下载:增值税发票数据集下载链接

下载好发票数据集,并解压在train_data目录下,目录结构如下所示。

train_data
  |--zzsfp
       |---class_list.txt
       |---imgs/
       |---train.json
       |---val.json

其中class_list.txt是包含other, question, answer,3个种类的的类别列表(不区分大小写),imgs目录底下,train.jsonval.json分别表示训练与评估集合的标注文件。训练集中包含30张图片,验证集中包含8张图片。部分标注如下所示。

b33.jpg [{"transcription": "No", "label": "question", "points": [[2882, 472], [3026, 472], [3026, 588], [2882, 588]], }, {"transcription": "12269563", "label": "answer", "points": [[3066, 448], [3598, 448], [3598, 576], [3066, 576]], ]}]

相比于OCR检测的标注,仅多了label字段。

4.3.2 开始训练

VI-LayoutXLM的配置为ser_vi_layoutxlm_xfund_zh_udml.yml,需要修改数据、类别数目以及配置文件。

Architecture:
  model_type: &model_type "kie"
  name: DistillationModel
  algorithm: Distillation
  Models:
    Teacher:
      pretrained:
      freeze_params: false
      return_all_feats: true
      model_type: *model_type
      algorithm: &algorithm "LayoutXLM"
      Transform:
      Backbone:
        name: LayoutXLMForSer
        pretrained: True
        # one of base or vi
        mode: vi
        checkpoints:
        # 定义类别数目
        num_classes: &num_classes 5
   ...

PostProcess:
  name: DistillationSerPostProcess
  model_name: ["Student", "Teacher"]
  key: backbone_out
  # 定义类别文件
  class_path: &class_path train_data/zzsfp/class_list.txt

Train:
  dataset:
    name: SimpleDataSet
    # 定义训练数据目录与标注文件
    data_dir: train_data/zzsfp/imgs
    label_file_list:
      - train_data/zzsfp/train.json
  ...

Eval:
  dataset:
    # 定义评估数据目录与标注文件
    name: SimpleDataSet
    data_dir: train_data/zzsfp/imgs
    label_file_list:
      - train_data/zzsfp/val.json
  ...

LayoutXLM与VI-LayoutXLM针对该场景的训练结果如下所示。

模型 迭代轮数 Hmean
LayoutXLM 50 100.00%
VI-LayoutXLM 50 100.00%

可以看出,由于当前数据量较少,场景比较简单,因此2个模型的Hmean均达到了100%。

4.3.3 模型评估

模型训练过程中,使用的是知识蒸馏的策略,最终保留了学生模型的参数,在评估时,我们需要针对学生模型的配置文件进行修改: ser_vi_layoutxlm_xfund_zh.yml,修改内容与训练配置相同,包括类别数、类别映射文件、数据目录

修改完成后,执行下面的命令完成评估过程。

# 注意:需要根据你的配置文件地址与保存的模型地址,对评估命令进行修改
python3 tools/eval.py -c ./fapiao/ser_vi_layoutxlm.yml -o Architecture.Backbone.checkpoints=fapiao/models/ser_vi_layoutxlm_fapiao_udml/best_accuracy

输出结果如下所示。

[2022/08/18 08:49:58] ppocr INFO: metric eval ***************
[2022/08/18 08:49:58] ppocr INFO: precision:1.0
[2022/08/18 08:49:58] ppocr INFO: recall:1.0
[2022/08/18 08:49:58] ppocr INFO: hmean:1.0
[2022/08/18 08:49:58] ppocr INFO: fps:1.9740402401574881

4.3.4 模型预测

使用下面的命令进行预测。

python3 tools/infer_kie_token_ser.py -c fapiao/ser_vi_layoutxlm.yml -o Architecture.Backbone.checkpoints=fapiao/models/ser_vi_layoutxlm_fapiao_udml/best_accuracy Global.infer_img=./train_data/XFUND/zh_val/val.json Global.infer_mode=False

预测结果会保存在配置文件中的Global.save_res_path目录中。

部分预测结果如下所示。

  • 注意:在预测时,使用的文本检测与识别结果为标注的结果,直接从json文件里面进行读取。

如果希望使用OCR引擎结果得到的结果进行推理,则可以使用下面的命令进行推理。

python3 tools/infer_kie_token_ser.py -c fapiao/ser_vi_layoutxlm.yml -o Architecture.Backbone.checkpoints=fapiao/models/ser_vi_layoutxlm_fapiao_udml/best_accuracy Global.infer_img=./train_data/zzsfp/imgs/b25.jpg Global.infer_mode=True

结果如下所示。

它会使用PP-OCRv3的文本检测与识别模型进行获取文本位置与内容信息。

可以看出,由于训练的过程中,没有标注额外的字段为other类别,所以大多数检测出来的字段被预测为question或者answer。

如果希望构建基于你在垂类场景训练得到的OCR检测与识别模型,可以使用下面的方法传入检测与识别的inference 模型路径,即可完成OCR文本检测与识别以及SER的串联过程。

python3 tools/infer_kie_token_ser.py -c fapiao/ser_vi_layoutxlm.yml -o Architecture.Backbone.checkpoints=fapiao/models/ser_vi_layoutxlm_fapiao_udml/best_accuracy Global.infer_img=./train_data/zzsfp/imgs/b25.jpg Global.infer_mode=True Global.kie_rec_model_dir="your_rec_model" Global.kie_det_model_dir="your_det_model"

4.4 关系抽取(Relation Extraction)

使用SER模型,可以获取图像中所有的question与answer的字段,继续这些字段的类别,我们需要进一步获取question与answer之间的连接,因此需要进一步训练关系抽取模型,解决该问题。本文也基于VI-LayoutXLM多模态预训练模型,进行下游RE任务的模型训练。

4.4.1 准备数据

以发票场景为例,相比于SER任务,RE中还需要标记每个文本行的id信息以及链接关系linking,如下所示。

标注文件的部分内容如下所示。

b33.jpg [{"transcription": "No", "label": "question", "points": [[2882, 472], [3026, 472], [3026, 588], [2882, 588]], "id": 0, "linking": [[0, 1]]}, {"transcription": "12269563", "label": "answer", "points": [[3066, 448], [3598, 448], [3598, 576], [3066, 576]], "id": 1, "linking": [[0, 1]]}]

相比与SER的标注,多了idlinking的信息,分别表示唯一标识以及连接关系。

已经处理好的增值税发票数据集从这里下载:增值税发票数据集下载链接

4.4.2 开始训练

基于VI-LayoutXLM的RE任务配置为re_vi_layoutxlm_xfund_zh_udml.yml,需要修改数据路径、类别列表文件

Train:
  dataset:
    name: SimpleDataSet
    # 定义训练数据目录与标注文件
    data_dir: train_data/zzsfp/imgs
    label_file_list:
      - train_data/zzsfp/train.json
    transforms:
      - DecodeImage: # load image
          img_mode: RGB
          channel_first: False
      - VQATokenLabelEncode: # Class handling label
          contains_re: True
          algorithm: *algorithm
          class_path: &class_path train_data/zzsfp/class_list.txt
  ...

Eval:
  dataset:
    # 定义评估数据目录与标注文件
    name: SimpleDataSet
    data_dir: train_data/zzsfp/imgs
    label_file_list:
      - train_data/zzsfp/val.json
  ...

LayoutXLM与VI-LayoutXLM针对该场景的训练结果如下所示。

模型 迭代轮数 Hmean
LayoutXLM 50 98.00%
VI-LayoutXLM 50 99.30%

可以看出,对于VI-LayoutXLM相比LayoutXLM的Hmean高了1.3%。

如需获取已训练模型,请加入PaddleX官方交流频道,获取20G OCR学习大礼包(内含《动手学OCR》电子书、课程回放视频、前沿论文等重磅资料)

4.4.3 模型评估

模型训练过程中,使用的是知识蒸馏的策略,最终保留了学生模型的参数,在评估时,我们需要针对学生模型的配置文件进行修改: re_vi_layoutxlm_xfund_zh.yml,修改内容与训练配置相同,包括类别映射文件、数据目录

修改完成后,执行下面的命令完成评估过程。

# 注意:需要根据你的配置文件地址与保存的模型地址,对评估命令进行修改
python3 tools/eval.py -c ./fapiao/re_vi_layoutxlm.yml -o Architecture.Backbone.checkpoints=fapiao/models/re_vi_layoutxlm_fapiao_udml/best_accuracy

输出结果如下所示。

[2022/08/18 12:17:14] ppocr INFO: metric eval ***************
[2022/08/18 12:17:14] ppocr INFO: precision:1.0
[2022/08/18 12:17:14] ppocr INFO: recall:0.9873417721518988
[2022/08/18 12:17:14] ppocr INFO: hmean:0.9936305732484078
[2022/08/18 12:17:14] ppocr INFO: fps:2.765963539771157

4.4.4 模型预测

使用下面的命令进行预测。

# -c 后面的是RE任务的配置文件
# -o 后面的字段是RE任务的配置
# -c_ser 后面的是SER任务的配置文件
# -c_ser 后面的字段是SER任务的配置
python3 tools/infer_kie_token_ser_re.py -c fapiao/re_vi_layoutxlm.yml -o Architecture.Backbone.checkpoints=fapiao/models/re_vi_layoutxlm_fapiao_trained/best_accuracy Global.infer_img=./train_data/zzsfp/val.json Global.infer_mode=False -c_ser fapiao/ser_vi_layoutxlm.yml -o_ser Architecture.Backbone.checkpoints=fapiao/models/ser_vi_layoutxlm_fapiao_trained/best_accuracy

预测结果会保存在配置文件中的Global.save_res_path目录中。

部分预测结果如下所示。

  • 注意:在预测时,使用的文本检测与识别结果为标注的结果,直接从json文件里面进行读取。

如果希望使用OCR引擎结果得到的结果进行推理,则可以使用下面的命令进行推理。

python3 tools/infer_kie_token_ser_re.py -c fapiao/re_vi_layoutxlm.yml -o Architecture.Backbone.checkpoints=fapiao/models/re_vi_layoutxlm_fapiao_udml/best_accuracy Global.infer_img=./train_data/zzsfp/val.json Global.infer_mode=True -c_ser fapiao/ser_vi_layoutxlm.yml -o_ser Architecture.Backbone.checkpoints=fapiao/models/ser_vi_layoutxlm_fapiao_udml/best_accuracy

如果希望构建基于你在垂类场景训练得到的OCR检测与识别模型,可以使用下面的方法传入,即可完成SER + RE的串联过程。

python3 tools/infer_kie_token_ser_re.py -c fapiao/re_vi_layoutxlm.yml -o Architecture.Backbone.checkpoints=fapiao/models/re_vi_layoutxlm_fapiao_udml/best_accuracy Global.infer_img=./train_data/zzsfp/val.json Global.infer_mode=True -c_ser fapiao/ser_vi_layoutxlm.yml -o_ser Architecture.Backbone.checkpoints=fapiao/models/ser_vi_layoutxlm_fapiao_udml/best_accuracy Global.kie_rec_model_dir="your_rec_model" Global.kie_det_model_dir="your_det_model"