【文档智能 & LLM】LayoutLLM：一种多模态文档布局模型和大模型结合的框架

前言

传统的文档理解任务，通常的做法是先经过预训练，然后微调相应的下游任务及数据集，如文档图像分类和信息提取等，通过结合图像、文本和布局结构的预训练知识来增强文档理解。LayoutLLM是一种结合了大模型和视觉文档理解技术的单模型方法，通过多模态指令数据集的微调来提高对图像文档的理解和分析能力。

LayoutLMv3

在此之前，先简单介绍下LayoutLLM的编码器LayoutLMv3。

概述：文本的布局信息使用了片段级别，一段文本共用一组坐标。视觉借鉴了ViT的方法替换CNN，减少了参数以及省去了很多的预处理步骤。使用了两种新的损失MIM和WPA进行预训练。

paper：LayoutLMv3: Pre-training for Document AI with Unified Text and Image Masking

link：https://arxiv.org/abs/2204.08387

code：https://github.com/microsoft/unilm/tree/master/layoutlmv3

模型结构

• 文本嵌入：RoBerta backbone
• 视觉嵌入：与layoutLMv2相同，与之前的单词级别的边界框不同，此处使用了片段级别的嵌入，即：块边界框。
• 布局嵌入：不再使用CNN网络，采用类似ViT思想的backbone，将图片切分成一个个的patches。

预训练任务

• Masked Language Modeling (MLM)：使用span掩码策略，mask掉30%的文本token，maks的span长度服从泊松分布(λ=3)
• Masked Image Modeling (MIM)：
  • 用分块掩码策略随机掩盖掉40%的图像token，用交叉熵损失驱动其重建被掩盖的图像区域；
  • 图像token的标签来自一个图像tokenizer，通过图像vocab将密集图像的像素转化成离散token，相比于低级高噪声的细节部分，更促进学习高级特征；
• Word-Patch Alignment (WPA)：学习文本单词和图像patches之间的细粒度对齐。WPA的目的是预测文本单词的相应图像补丁是否被屏蔽。具体地说，当对应的图像标记也被取消屏蔽时，为未屏蔽的文本标记分配一个对齐的标签[aligned]。否则，将指定一个未对齐的标签[unaligned]。

LayoutLLM

模型架构

LayoutLLM主要由两部分组成：编码器（Encoder）和解码器（Decoder）。

1. 编码器：负责对文档图像进行编码，处理视觉和布局信息。这里使用的是预训练的VrDU模型，特别是LayoutLMv3，它能够捕捉文档的布局结构和文本信息，并生成相应的特征。简单来说就是将OCR文本和视觉信息从文档图像中编码，生成一个最大序列长度为512的一维序列，以便输入到Llama模型中。
2. 解码器：基于大型语言模型（LLMs），如Llama，它负责解释任务指令，并使用其语言理解能力来分析文档的文本内容，最终输出结果。

VrDU Prompts

结合大模型，通过对不同的下游任务设定提示词。LayoutLLM能够理解不同类型的VrDU任务，并结合文档的特征来生成适当的响应。这种方法使得单一模型能够灵活地处理多种任务，而不需要为每个任务单独训练模型。

prompt格式

prompt格式和Alpaca模型的格式保持一致：

The previous information is about document images.
Below is an instruction that describes a task. Write a
response that appropriately completes the request.
### Instruction: {instruction}
### Response
1
2
3
4
5

不同下游任务的prompt示例

• 文档分类：

  “执行文档分类。分类标签是...”。
  1

• 文档信息提取：

  “执行文档信息提取。分类标签是... 输出格式是一组提取词及其标签，用逗号分隔。如果存在多个提取目标，使用\n作为分隔符并分割输出。”。
  1

  这个提示指导模型识别文档中的语义实体，并按照指定的格式输出提取的信息和标签。

• 文档问答：

  “执行文档问答。问题是...”。
  1

评价

总结

本文介绍了一种传统布局模型结合大模型做文档理解的方法：LayoutLLM。这个框架通过结合VrDU编码器来捕捉文档图像的特征，以及使用LLM作为解码器来处理任务指令，有效地提高了对文档图像的理解和分析能力。

参考文献

【1】LayoutLMv3: Pre-training for Document AI with Unified Text and Image Masking，https://arxiv.org/abs/2204.08387

【2】LayoutLLM: Large Language Model Instruction Tuning for Visually Rich Document Understanding，https://arxiv.org/abs/2403.14252