技术综述六:一文带你了解两种Transformer文字识别方法

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谷雨润一麦 发表于 2020/11/22 14:46:15 2020/11/22
【摘要】 当前的文本行识别器为拥有更强的序列语义能力,模型多采用CNN + RNN的结构,如目前使用十分广泛的两个识别器CRNN和Aster,这些模型取得了非常好的效果。然而由于RNN只能采用串行计算,在目前大量采用并行计算设备的前提下,RNN面临着明显的速度瓶颈。而Transformer模型基于Attention实现,该操作可并行实现,因此该模型具有良好的并行性。

当前的文本行识别器为拥有更强的序列语义能力,模型多采用CNN + RNN的结构,如目前使用十分广泛的两个识别器CRNN和Aster,这些模型取得了非常好的效果。然而由于RNN只能采用串行计算,在目前大量采用并行计算设备的前提下,RNN面临着明显的速度瓶颈。若弃用RNN只使用CNN,性能往往不尽如人意。在NLP领域,Ashish Vaswan[1]等人提出的Transformer模型在语言理解相关任务上十分成功,并优于CNN和RNN效果,展现出Transformer强大的序列建模能力。Transformer模型基于Attention实现,该操作可并行实现,因此该模型具有良好的并行性。

 

    受Transformer模型的启发,目前一些学者将该结构应用到文本行识别中,以替代RNN,取得了良好的效果,如在HGA-STR[2]和 SRN[3]。下面对两种方法进行介绍,总体上,HGA-STR更接近原有的Transformer的结构,使用了和Transformer类似的解码结构,而SRN则是使用了Transformer unit进行特征提取,并采用该文作者提出的并行解码器,整个模型拥有更好的可并行性。为较好理解下面两篇文章,请参阅相关资料以了解Transformer的原理。



HGA-STR 简介

    对于不规则文本,文本分布在二维空间上,将其转换成一维有一定难度,同时基于RNN的编码解码器无法做到并行,本文直接将2D的特征输入到attention-based 1D序列解码器,解码器采用Transformer中的解码器同样的结构。同时,在编码器部分,提取一个全局语义向量,与解码器的输入embedding向量合并,为解码器提供全局语义信息。该模型结构如图1所示。


image.png

图 1. 模型的基本结构



编码器介绍:该模型使用CNN进行特征提取,并保持输出的特征为二维。并使用池化操作得到一维向量,作为全局信息表示。

解码器介绍:编码器主要组件有:masked self-attention用来建模预测结果的依赖性;2D-attention用来连接编码器和解码器;以及一个前馈层。具体实现和Transformer文中的结构相同。同时为了更好的性能作者使用两个方向进行解码,结构如图2所示。


图 2.该方法使用双向解码器



    该方法在多个英文基准数据集取得了较好的结果,具体结果可参见论文。在速度上作者和两种基于attention的方法进行对比有一定的优势,如表1所示。


表 1. 速度对比



在作者进行的对比试验中,一个比较有意思的现象是,在编码器里面添加Self-attention模块并不能提升模型性能,在解码器中添加才会对结果有提升,如表2所示。这表明原本的Transformer结构直接应用到文字识别任务上是不可行的,需要做相应的调整。


表 2. Self-attention性能对比



SRN简介

与上一方法不同的是,SRN采用完全不同的解码方式,并引入全局语义推理模块。就获取语义信息的方式而言,主流的Attention-based方法基于RNN来实现,是一种采用单向串行方式进行建模的方法,如图 3.(a)所示。这种方式有明显的不足:

1)仅仅感知了历史时刻的语义信息,而无法获取未来时刻的语义信息;

2)如果较早时刻解码出的错误字符,会为余下时刻的解码传递错误的语义信息,导致误差积累效应;

3)串行的解码模式是相对低效的,特别是在模型预测的环节。


                图 3. 两种不同的传递语义信息的方法



如图4所示,SRN由四部分组成:基础网络Backbone、并行的视觉特诊提取模块(PVAM)、全局语义推理模块(GSRM) 和视觉语义融合的解码器(VSFD)。给定一张输入的文本图像,基于ResNet50 + Transformer unit的Backbone从中提取出视觉2D feature map V;之后PVAM会针对每个目标字符获取其相应的视觉特征G;GSRM会基于视觉特征G获取全局语义信息,并转化为每个目标字符的语义特征S;最后VSFD融合对齐的视觉特征和语义特征,预测出相应字符。在训练阶段和推断阶段,每个序列中各个字符之间是并行。



https://bbs.huaweicloud.cn/static/blog/ueditor/themes/default/images/spacer.gif

图 4. 方法的总体结构图



PVAM模块介绍:在Backbone输出了2D的视觉特征图之后,PVAM会针对文本行中的每个字符,计算出相应attention map, 通过将其与feature map 按像素加权求和,可得到每个目标字符对应的的视觉特征。另外,PVAM也用字符的阅读顺序取代上一时刻隐变量来引导计算当前时刻的attention map,实现了并行提取视觉特征的目的。


GSRM模块介绍:GSRM会基于全局语义信息进行推理。具体过程为,首先将视觉过程转换成语义特征,使用交叉熵损失进行监督,并对其概率分布取argmax得到初始的分类结果,同时通过分类结果获取每个字符的embedding向量,通过多层Transformer unit后,得到经语义推理模块修正的预测结果,同样使用交叉熵损失进行监督。


VSFD 模块介绍:对PVAM输出的对齐的视觉特征和GSRM输出的全局语义特征进行融合,最后基于融合后的特征进行预测输出。

该方法在多个英文基准数据集上取得了SOTA的结果。对于中文长文本的识别,SRN相对于其他识别方法也有明显优势,如表3所示。



表 3.中文数据集结果(TRW-L为长文本)



速度上,得益于整个模型的并行设计,SRN拥有较小的推理时延,如表4所示。



表 4.推理速度介绍



Reference

[1] https://arxiv.org/pdf/1706.03762.pdf

[2] https://arxiv.org/abs/1904.01375

[3] https://arxiv.org/pdf/2003.12294.pdf

 


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