场景文本理解预训练PreSTU

【论文摘要】

在视觉与语言（V&L）模型中，阅读和推理图像中的文本的能力往往是缺乏的。我们如何才能学习出强大的场景文本理解（STU）的V&L模型呢？本文提出了PreSTU，一个专门为场景文本理解而设计的简单预训练模型。PreSTU将一个简单的OCR感知预训练目标与一个具有现成OCR信号的大规模图像-文本数据集相结合。我们在TextVQA、TextCaps、ST-VQA和VizWiz-VQA上经验性地证明了这个预训练目标的优越性。我们还研究了哪些因素会影响STU的性能，其中我们强调了图像分辨率和数据集规模在预训练中的重要性。

【出发点】

在真实世界中的视觉语言任务中，有大量的图像是包含场景文本的。理解图像中的文本对于视觉语言任务来说，往往是重要的，例如发票识别整理、机器人理解环境等。而现有模型经常忽略这一信息。通过对图像OCR信号引入，可以提升视觉语言模型对图像的理解能力。论文基于大规模的图像文本数据集，设计了进行场景文本理解的预训练模型PreSTU。

【解决方案】

1. 引入一个OCR文本生成的预训练任务“SPLITOCR”：给定图像patches，随机将OCR文本分为两个部分，给定第一部分，令模型预测第二部分的OCR文本。

2. 使用Prompt learning的方式，输入各个任务所对应的提示词，使得模型能够更好地适配下游任务。论文中使用image captioning和VQA两个任务。

【总体框架】

模型结构图

如图，模型整体是一个Encoder-Decoder结构，其中视觉encoder采用ViT-B/16 (Dosovitskiy et al., 2021)，语言encoder-decoder采用mT5-Base (Xue et al., 2021)。ViT是一个基于Transformer encoder的，在大规模图像分类数据集上预训练的模型。mT5是T5模型(Raffel et al., 2020)的多语言版本，在大规模多语言数据集上预训练，它对OCR识别结果当中出现的识别错误比较健壮，因为使用了wordpiece的方法。

在预训练阶段，将图像中场景文本的OCR信息与图像特征一同输入Encoder，可以使OCR文本与视觉环境更好的联系在一起。通过对余下的OCR文本的预测，模型能够学习出一定的场景文本识别能力，这使得模型同时对视觉和文本两种模态的建模能力得到提升。

【细节】

SPLITOCR任务

1. 目标：在预训练阶段使模型学习如何从图像中识别场景文本。

2. 具体步骤：

1） 首先将OCR文本按照在图中出现的位置排序（从左到右，从上到下）；

2） 将OCR文本随机切分为2部分，分别作为输入和预测目标。值得注意的是，如果切分出的第1部分的长度为0，则SPLITOCR任务就退化为了一个传统的OCR任务。

3. 优势：

1） 令模型预测部分OCR文本，使得模型具备一定的完成OCR任务的能力，从而能够增强其阅读场景文本的能力；

2） 输入时引入部分OCR文本，使得输入的形式接近下游任务的形式（都是文本），更便于迁移学习；

3） 便于与其他训练目标相结合，例如image captioning。

预训练数据集

CC15M：是CC3M (Sharma et al., 2018)和CC12M (Changpinyo et al., 2021)的并集。数据集的形式是<图像, 标题>对。进行SPLITOCR目标时，采用Google Cloud OCR系统获取OCR文本的信息。

Fine-tuning阶段

所有下游任务都具有这样的形式：输入是图像+文本，输出只有文本。使用Google OCR获取图片中的场景文本。

进行image captioning任务时，输入为<图像，提示词，OCR token>，输出目标为图像标题；进行场景文本VQA任务时，输入为<图像，提示词，问题，OCR token>，输出为问题的回答。

【实验】

主要结果

实验采用4个benchmarks：TextVQA (Singh et al., 2019) 、ST-VQA (Biten et al., 2019) 、VizWiz-VQA (Gurari et al., 2018) 、TextCaps (Sidorov et al., 2020) 。实验Baseline采用去掉SPLITOCR预训练的本模型PreSTU，同时也对比了以下预训练方法：TAP (Yang et al., 2021) 、Flamingo (Alayrac et al., 2022) 、GIT (Wang et al., 2022a) 。实验结果如表所示。

主要结果

采用SPLITOCR预训练后，PreSTU在所有指标上都相对baseline有提升，这证明了SPLITOCR的有效性，能够赋予模型场景文本阅读的能力。

对比其他模型：PreSTU模型参数和数据量比TAP多，结果也更高一些，除了TextVQA略低；参数量和数据量与GITL基本一致，在所有指标高于GITL；参数量和数据量比Flamingo和GIT小，但结果上没有显著地低。

消融实验

1. 对比SPLITOCR目标与传统OCR目标（TextCaps CIDEr指标）：如表，SPLITOCR比OCR预训练的模型结果高，由126.7提升到134.6；

OCR与SPLITOCR对比

2. 在Fine-tuning阶段去掉输入的OCR文本：如表，去掉OCR文本后，各模型都有下降，但baseline模型结果下降更多。OCR/SPLITOCR预训练的模型即便Finetune时不使用OCR文本，结果也比baseline高(116.6/110.4 > 99.6)。这说明SPLITOCR预训练目标能够很好的使模型获得场景文本的阅读能力。

Fine tuning时去掉OCR输入的影响

3. 预训练时的图像分辨率：如表，高分辨率的图像会获得更好的结果。

图像分辨率的影响

4. 预训练的数据规模：如表，数据规模越大，结果越好。

预训练数据规模的影响

【结论】

1. SPLITOCR预训练目标能够使模型的场景文本阅读能力得到提升，从而提高下游任务的结果

2. 对于PreSTU模型来说，预训练图像的分辨率以及数据量很重要。

• 论文地址：https://arxiv.org/abs/2209.05534

【参考文献】

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11. Jianfeng Wang, Zhengyuan Yang, Xiaowei Hu, Linjie Li, Kevin Lin, Zhe Gan, Zicheng Liu, Ce Liu, and Lijuan Wang. 2022a. GIT: A generative image-to-text transformer for vision and language. arXiv preprint arXiv:2205.14100.