機器之心報道
編輯：陳萍、梓文
有了 Nougat，再也不用怕復雜的數學公式了。
我們平時在閱讀論文或者科學文獻時，見到的文件格式基本上是 PDF（Portable Document Format）。據了解，PDF 成為互聯網上第二重要的數據格式，占總訪問量的 2.4%。
然而，存儲在 PDF 等文件中的信息很難轉成其他格式，尤其對數學公式更是顯得無能為力，因為轉換過程中很大程度上會丟失信息。就像下圖所展示的，帶有數學公式的 PDF，轉換起來就比較麻煩。
現在，Meta AI 推出了一個 OCR 神器，可以很好的解決這個難題，該神器被命名為 Nougat。Nougat 基于 Transformer 模型構建而成，可以輕松的將 PDF 文檔轉換為 MultiMarkdown，掃描版的 PDF 也能轉換，讓人頭疼的數學公式也不在話下。
- 論文地址：https://arxiv.org/pdf/2308.13418v1.pdf
- 項目主頁：https://facebookresearch.Github.io/nougat/
Nougat 不但可以識別文本中出現的簡單公式，還能較為準確地轉換復雜的數學公式。
公式中出現的上標、下標等各種數學格式也分的清清楚楚：
Nougat 還能識別表格：
掃描產生畸變的文本也能處理：
不過，Nougat 生成的文檔中不包含圖片，如下面的柱狀圖：
看到這，網友紛紛表示：（轉換）效果真是絕了。
方法概述
本文架構是一個編碼器 - 解碼器 Transformer 架構，允許端到端的訓練，并以 Donut 架構為基礎。該模型不需要任何 OCR 相關輸入或模塊，文本由網絡隱式識別。該方法的概述見下圖 1。
該研究用到了 2 個 Swin Transformer ，一個參數量為 350M，可處理的序列長度為 4096，另一參數量為 250M，序列長度為 3584。在推理過程中，使用貪婪解碼生成文本。
在圖像識別任務中，使用數據增強技術來提高泛化能力往往是有益的。由于本文只研究數字化的學術研究論文，因此需要使用一些變換來模擬掃描文件的不完美和多變性。這些變換包括侵蝕、擴張、高斯噪聲、高斯模糊、位圖轉換、圖像壓縮、網格變形和彈性變換 。每種變換都有固定的概率應用于給定的圖像。這些變換在 Albumentations 庫中實現。在訓練過程中，研究團隊也會通過隨機替換 token 的方式，對實際文本添加擾動。
每種變換的效果概覽
數據集構建與處理
據研究團隊所知，目前還沒有 PDF 頁面和相應源代碼的配對數據集，因此他們從 arXiv 上開放獲取的文章中創建了自己的數據集。為了數據多樣性，數據集中還包括 PubMed Central (PMC) 開放訪問非商業數據集的一個子集。預訓練期間，還加入了部分行業文檔庫 (IDL)。
表 1 數據集構成
在處理數據集的過程中，研究團隊也將不同來源的數據進行了合適的處理，下圖展示了他們對 arXiv 文章進行源代碼收集并編譯 PDF 的過程。詳細內容請閱讀全文。
源文件被轉換成 html，然后再轉換成 Markdown。
研究團隊根據 PDF 文件中的分頁符分割 markdown 文件，并將每個頁面柵格化為圖像以創建最終配對的數據集。在編譯過程中，LaTeX 編譯器自動確定 PDF 文件的分頁符。由于他們不會為每篇論文重新編譯 LaTeX 源文件，因此必須將源文件分割成若干部分，分別對應不同的頁面。為此，他們使用 PDF 頁面上的嵌入文本，并將其與源文本進行匹配。
但是，PDF 中的圖形和表可能并不對應于它們在源代碼中的位置。為了解決這個問題，研究團隊使用 pdffigures2 在預處理步驟中刪除這些元素。將識別出的字幕與 XML 文件中的字幕進行比較，根據它們的 Levenshtein 距離進行匹配。一旦源文檔被拆分為單獨的頁面，刪除的圖形和表就會重新插入到每一頁的末尾。為了更好地匹配，他們還使用 pylatexence -library 將 PDF 文本中的 unicode 字符替換為相應的 LaTeX 命令。
詞袋匹配：首先，研究團隊使用 MuPDF 從 PDF 中提取文本行，并對其進行預處理，刪除頁碼和頁眉 / 頁腳。然后使用詞袋模型與 TF-IDF 向量化器和線性支持向量機分類器。將模型擬合到以頁碼為標簽的 PDF 行。然后，他們將 LaTeX 源代碼分成段落，并預測每個段落的頁碼。理想情況下，預測將形成階梯函數，但在實踐中，信號將有噪音。為了找到最佳邊界點，他們采用類似于決策樹的邏輯，并最小化基于 Gini 不純度的度量：
其中
是在區間 [a,b] 中選擇具有預測頁碼 i 的元素的概率，該區間描述了哪些段落 (元素) 被考慮用于分割。
區間 [a, b] 的最佳拆分位置 t 為：
搜索過程從所有段落開始，對于后續的每個分頁，搜索區間的下界設置為前一個分頁位置。
模糊匹配：在第一次粗略的文檔分割之后，研究團隊嘗試找到段落中的準確位置。通過使用 fuzzysearch 庫，將預測分割位置附近的源文本與嵌入的 PDF 文本的前一頁的最后一個句子和下一頁的第一個句子進行比較，就可以達到這個目的。如果兩個分隔點在源文本中的相同位置，則認為換頁是準確的，得分為 1。另一方面，如果分割位置不同，則選擇具有最小歸一化 Levenshtein 距離的分割位置，并給出 1 減距離的分數。要包含在數據集中，PDF 頁面的兩個分頁符的平均得分必須至少為 0.9。如此一來，所有頁面的接受率約為 47%。
實驗
實驗中用到的文本包含三種類別：純文本、數學表達式以及表格。
結果如表 1 所示。Nougat 優于其他方法，在所有指標中取得最高分，并且具有 250M 參數模型的性能與 350M 參數模型相當。
下圖為 Nougat 優對一篇論文的轉換結果：
Meta 表示，Nougat 在配備 NVIDIA A10G 顯卡和 24GB VRAM 機器上可并行處理 6 個頁面，生成速度在很大程度上取決于給定頁面上的文本量。在不進行任何推理優化的情況下，基礎模型每批次平均生成時間為 19.5s（token 數≈1400），與經典方法（GROBID 10.6 PDF/s ）相比速度還是非常慢的，但 Nougat 可以正確解析數學表達式。
