发票关键信息抽取.md

# 基于VI-LayoutXLM的发票关键信息抽取

- [1. 项目背景及意义](#1-项目背景及意义)
- [2. 项目内容](#2-项目内容)
- [3. 安装环境](#3-安装环境)
- [4. 关键信息抽取](#4-关键信息抽取)
  - [4.1 文本检测](#41-文本检测)
  - [4.2 文本识别](#42-文本识别)
  - [4.3 语义实体识别](#43-语义实体识别)
  - [4.4 关系抽取](#44-关系抽取)



## 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

```bash
# 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](../doc/doc_ch/detection.md)，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](../doc/doc_ch/recognition.md)，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](../doc/doc_ch/algorithm_kie_vi_layoutxlm.md)。

#### 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。

<div align="center">
    <img src="https://user-images.githubusercontent.com/14270174/185381131-76b6e260-04fe-46d9-baca-6bdd7fe0d0ce.jpg" width="800">
</div>

**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](https://aistudio.baidu.com/aistudio/datasetdetail/165561)。

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.json`与`val.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。

```py
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](../configs/kie/vi_layoutxlm/ser_vi_layoutxlm_xfund_zh_udml.yml)，需要修改数据、类别数目以及配置文件。

```yml
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](../configs/kie/vi_layoutxlm/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。

```bash
# 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。

```bash
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。

<div align="center">
    <img src="https://user-images.githubusercontent.com/14270174/185310636-6ce02f7c-790d-479f-b163-ea97a5a04808.jpg" width="800">
</div>


* 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。


```bash
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。

<div align="center">
    <img src="https://user-images.githubusercontent.com/14270174/185384321-61153faa-e407-45c4-8e7c-a39540248189.jpg" width="800">
</div>

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。

```bash
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。

<div align="center">
    <img src="https://user-images.githubusercontent.com/14270174/185387870-dc9125a0-9ceb-4036-abf3-184b6e65dc7d.jpg" width="800">
</div>


标注文件的部分内容如下所示。

```py
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`id`与`linking`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](https://aistudio.baidu.com/aistudio/datasetdetail/165561)。

#### 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](../configs/kie/vi_layoutxlm/re_vi_layoutxlm_xfund_zh_udml.yml)，需要修改**数据路径、类别列表文件**。

```yml
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%。

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<div align="center">
<img src="https://ai-studio-static-online.cdn.bcebos.com/dd721099bd50478f9d5fb13d8dd00fad69c22d6848244fd3a1d3980d7fefc63e"  width = "150" height = "150" />
</div>


#### 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](../configs/kie/vi_layoutxlm/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。

```bash
# 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。

```py
[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。

```bash
# -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。

<div align="center">
    <img src="https://user-images.githubusercontent.com/14270174/185393805-c67ff571-cf7e-4217-a4b0-8b396c4f22bb.jpg" width="800">
</div>


* 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。

```bash
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。

```bash
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"
```