导读
尽管多模态大型语言模型（MLLMs）在自然图像理解方面有所进展，但对图文的理解，尤其是高分辨率文本密集图像的处理，仍是一个需要进一步研究的领域。应读者要求，本次解决微软近期开源的另一个工作Kosmos-2.5
本文针对文本密集图像（文档图像），提出了Kosmos-2.5模型，有以下创新：
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多模态端到端整合：KOSMOS-2.5结合了视觉编码器和文本解码器，通过重采样模块连接，实现了文本和视觉信息的整合处理，模型能够同时完成检测文本内容和坐标、生成Markdown格式文本的任务，提供了端到端的解决方案。
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大规模预训练：KOSMOS-2.5在一个包含大量文本密集图像的大型语料库上进行预训练，增强了模型的多模态理解能力。
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双重任务训练策略：通过同时训练生成具有空间意识的文本块和结构化Markdown文本，增强了模型的通用多模态识字能力。
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文本图像理解的范式转变：从encoder-only/encoder-decoder模型转变为decoder-only模型，代表了文本图像理解的重要范式转变。
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论文名称：KOSMOS-2.5: A Multimodal Literate Model -
论文地址：https://arxiv.org/abs/2309.11419
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代码地址：https://github.com/microsoft/unilm/tree/master/kosmos-2.5
Introduction
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预训练视觉编码器：基于Vision Transformer（ViT）的预训练编码器，用于图像特征的提取。
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重采样模块：采用Perceiver Resampler模块和注意力池化机制，以减少图像嵌入的大小。
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语言解码器：基于Transformer的解码器，用于基于图像和文本上下文进行下一个token的预测。
KOSMOS-2.5接受由图像和文本表示组成的复合输入：
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图像表示：使用可变分辨率输入策略，提取固定大小的图像块（16×16），并使用重采样作为注意力池化机制减少图像嵌入的数量。
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文本表示：有两种类型，带边界框的文本行或纯Markdown文本。
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对于带有文本行和边界框的图像-文本对，输入表示为：
其中
⊕表示文本行与其边界框的连接，Tn表示行文本， Bn表示边界框Embedding: -
当文本为Markdown格式时，输入简化为
<s><image>Image Embedding</image>Markdown Text</s>。 -
在两种情况下，
<s>和</s>表示序列边界，<image>和</image>指示图像嵌入的开始和结束。
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IIT-CDIP: 一个大规模公共数据集，包含扫描文档图像，用于训练模型。
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arXiv论文: 来自开放获取研究共享平台的数据源，提供大量页面。
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PowerPoint幻灯片: 从网页收集的幻灯片页面，增加训练数据的多样性。
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通用PDF: 通过爬虫技术收集的开放领域数字PDF文件。
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网页截图: 从mC4网页数据集中抓取并渲染的截图。
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README.md文件: 从GitHub项目中收集的以Markdown格式编写的文件。
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DOCX文件: 从网页爬取的WORD文件，并转换为Markdown格式。
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LATEX文档: 从arXiv论文中提取的PDF页面及其对应的Markdown信息。
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HTML文件: 从mC4子集中获取并转换为Markdown格式的HTML文件。
# 数据处理
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IIT-CDIP: 主要由扫描文档图像组成，使用Microsoft Read API提取文本和布局信息。
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arXiv论文、PowerPoint幻灯片、通用PDF: 首先将这些文件编译和转换为PDF，然后使用PyMuPDF解析器提取文本和布局信息。
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网页截图: 包括网页截图以进一步多样化布局分布，使用Playwright访问URL并提取HTML内容，然后使用lxml库解析DOM树并获取元素的边界框信息。
特定格式处理
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README (Markdown): 收集GitHub项目的"README.md"文件，并使用Pandoc转换为HTML，再使用wkhtmltopdf获取图像。
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DOCX (Markdown): 收集WORD DOCX文件并转换为Markdown文本，使用Pandoc进行转换，并使用markdownify将表格转换为Markdown格式。
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LATEX (Markdown): 使用LaTeXML将LATEX代码转换为HTML序列，再转换为Markdown格式，并保持表格在页面开头的位置。
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HTML (Markdown): 使用Playwright框架导航HTML结构，提取相关文本内容，并应用自定义规则和正则表达式进一步精炼提取的文本，格式化为Markdown。
# 预训练目标
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生成具有空间意识的文本块，为图像中的每个文本块分配空间坐标。
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生产结构化文本输出，将样式和结构捕获为Markdown格式。
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语言识别过滤：使用fastText进行语言识别，过滤掉非英语文档，阈值设为0.5。
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内容多样性：利用MinHash算法识别并移除重复页面，确保每种数据源内部的内容多样性。相似度0.8的文档对将被标记为重复。
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图像与Markdown内容差异处理：对于README、DOCX、LATEX和HTML来源的图像到Markdown数据，由于转换问题，文本图像与相应的Markdown序列之间存在差异。通过评估图像和Markdown文件之间的token重叠，要求包含的token IOU大于0.95。
预训练数据的详细细分以及各自的采样比例如下表所示：
Experiments
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总参数量：KOSMOS-2.5总共包含13亿参数。
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视觉编码器初始化：视觉编码器从Pix2Struct-Large模型的编码器初始化。
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语言解码器结构：包含24个Transformer层，隐藏层大小为1536，FFN（前馈网络）中间层大小为6144，注意力头数为16。
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训练数据集：由于布局基础数据（layout-based data）的数量远大于标记基础数据（markup-based data），模型最初使用布局基础数据集单独训练了100k步。之后，两种数据集合并继续训练了140k步。并将评估数据集的训练 split 加入到整个预训练数据中，将训练过程延长了额外的10k步。
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Tokenization：使用SentencePiece进行text tokenization，并采用"full-sentence"格式，而新添加的位置token的词嵌入是随机初始化的，在训练期间更新所有参数。
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数据增强：在训练中利用TrOCR的数据增强方法，使模型更加健壮。
Analysis
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文本识别任务：KOSMOS-2.5在F1分数方面分别比Google文档OCR高出0.33%，2.45%和1.35%，展示了其有效性。
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图像到Markdown任务：与Nougat相比，KOSMOS-2.5方法显著提高。例如，在README数据集上，KOSMOS-2.5在NED方面比Nougat BASE提高了33.68%（95.09% vs. 61.41%）。此外，在文档数据集上，KOSMOS-2.5在NTED方面也将性能提高了33.38%（82.08% vs. 48.70%）。
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性能提升原因：与主要关注学术论文领域的Nougat相比，训练数据的多样性增加显著增强了模型对不同文档类型的理解，并加强了其泛化能力。
点评
本文解决了当前多模态模型在端到端的处理文档图像时遇到的痛点，效果上也是全面大幅度超越了Nougat。从模型结构上看也不是多么新颖，重点其实还是数据上，从上面的数据集总结上可以看到作者弄了324.4M的文档数据，相比Nougat数据种类也更多，还增加了逐行文本定位和识别能力。我一直认为一个多模态大模型如果不具备定位能力，那一定是不合格的，这样的模型可以直接不看。
KOSMOS-2.5的优势：
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文本定位和识别：KOSMOS-2.5擅长精确识别文本位置和内容。
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样式和结构捕捉：它能够熟练捕捉文本图像中的样式和结构，包括标题、项目符号、表格和粗体文本等元素。
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统一架构和接口：为文本图像理解提供了统一的架构和接口，适用于多种应用场景。
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易于微调：可以作为单一模型进行微调，适用于广泛的文本图像理解任务，如信息提取、布局检测与分析、视觉问答、截图理解、UI自动化等。
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与大型语言模型（LLMs）兼容：KOSMOS-2.5的输出可以用作LLMs的上下文，通过进一步的提示工程增强其能力，赋予LLMs强大的文本图像理解能力。
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潜在的扩展性：有潜力通过文本数据增强预训练，将其转变为通用的多模态大型语言模型（MLLM），不仅处理视觉信号，还具备强大的语言理解能力。
