一、語言模型定義

1. 什么是語言模型？

如圖1所示，顧名思義，語言模型即根據(jù)當(dāng)前語境的上下文推斷當(dāng)前句子的意思。具體的標(biāo)準(zhǔn)定義為：對(duì)于語言序列w1,w2,…wn，語言模型就是計(jì)算該序列的概率即P(w1,w2,…wn)。

2. 為什么需要語言模型？

文本圖像中包含兩層信息：視覺紋理信息和語言信息。由于單純根據(jù)視覺紋理信息進(jìn)行文字識(shí)別缺少了對(duì)上下文的字符語義信息的挖掘，時(shí)常會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的文本識(shí)別結(jié)果（之后會(huì)詳細(xì)說明）。因此如何獲得魯棒的語言信息來提升識(shí)別性能成為了最近場(chǎng)景文本識(shí)別任務(wù)中比較受歡迎的思路。

3. 統(tǒng)計(jì)語言模型（n-gram）

由鏈?zhǔn)椒▌t可以得到:

可以通過采用極大似然估計(jì)來計(jì)算每個(gè)詞出現(xiàn)的條件概率，但是對(duì)于任意長的自然語言語句，根據(jù)極大似然估計(jì)直接計(jì)算P(wn|w1,w2,…wn-1)顯然不現(xiàn)實(shí)（計(jì)算量太大）。因此為了解決這個(gè)問題，n-gram語言模型引入馬爾可夫假設(shè)(Markov assumption)，即假設(shè)當(dāng)前詞出現(xiàn)的概率只依賴于前 n-1 個(gè)詞，可以得到：

n=1 unigram:

n=2 bigram:

…

因此，綜上可以看出，基于n-gram的語言模型有如下優(yōu)點(diǎn)：1）完全包含了前n-1個(gè)詞的全部信息。2）可解釋性強(qiáng)。對(duì)應(yīng)也有缺點(diǎn)：1）缺乏長期依賴關(guān)系。2）參數(shù)空間隨著n增大指數(shù)型增長。3）單純的基于統(tǒng)計(jì)頻次，泛化能力差。

二、基于深度學(xué)習(xí)的解決思路

在目前基于深度學(xué)習(xí)的語言模型結(jié)構(gòu)主要包括三個(gè)類別：基于RNN的語言模型，基于CNN的語言模型和基于Transformer的語言模型。接下來我會(huì)對(duì)它們進(jìn)行依次介紹，并且逐一分析他們的優(yōu)缺點(diǎn)。

1．通過RNN的語言模型結(jié)構(gòu)

圖2基于RNN的語言模型結(jié)構(gòu)

隨著深度學(xué)習(xí)的發(fā)展，在受到NLP(Natural Language Processing)等任務(wù)的啟發(fā)，Lee等人[1]在視覺特征建模之后，通過引入RNN(Recurrent Neural Networks)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的n-gram進(jìn)行語言模型建模（圖2所示）。RNN通過自回歸的方式(Auto Regression)，在t時(shí)間步讀取的是t-1步的狀態(tài)，即預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)間步時(shí)會(huì)考慮上一時(shí)間步的信息，同時(shí)通過注意力的方式在glimpse向量中關(guān)注對(duì)應(yīng)位置字符的視覺信息。該方法省去了繁瑣的n-gram計(jì)算過程，在目前的場(chǎng)景文本識(shí)別框架中占據(jù)了主導(dǎo)的地位。

但是基于RNN的語言模型結(jié)構(gòu)存在2個(gè)問題：1）梯度消失/爆炸的問題。2）串行計(jì)算效率慢。因此，最近的方法對(duì)RNN的語言建模方式進(jìn)行了改進(jìn)（上下文記憶力差的問題，因?yàn)樵诓糠肿罱墓ぷ髦凶C明對(duì)中/短文本影響不大，所以在這里沒有考慮）。

2. 通過CNN的語言模型結(jié)構(gòu)

圖3 視覺和語言模型集成的網(wǎng)路框架

圖4 基于CNN的語言模型結(jié)構(gòu)

為了避免了由RNN造成的梯度消失/爆炸的問題，F(xiàn)ang等人[2]采用了全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，并通過一個(gè)并行的分支單獨(dú)學(xué)習(xí)語言信息（圖3），通過將視覺和語言信息集成的方法提升了識(shí)別結(jié)果。

基于CNN的語言模型如圖4所示，給定 ,輸出向量 由下式獲得：

sk-2和 sk-1是之前時(shí)間步對(duì)應(yīng)的向量，因此，該結(jié)構(gòu)可以看成一個(gè)近似的bigram語言模型。但是由于該語言模型也是串行的操作過程，導(dǎo)致其計(jì)算效率也較慢。

3. 通過Transformer的語言模型結(jié)構(gòu)

圖5 視覺語言模型解耦的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖6 基于transformer的語言模型結(jié)構(gòu)

Yu等人[3]將語言模型從視覺部分解耦，然后在兩個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)中分別進(jìn)行進(jìn)行視覺和語言模型的建模，最后通過融合視覺和語言信息進(jìn)行文本預(yù)測(cè)（圖5所示）。在語言模型部分，該方法采用了Transformer的結(jié)構(gòu)（圖6所示），通過Transformer中的mask來模擬語言結(jié)構(gòu)中的順序和逆序的建模過程，最終自適應(yīng)地融合視覺和語言信息進(jìn)行識(shí)別。由于Transformer的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，識(shí)別過程不同的時(shí)間步并行操作，提升了識(shí)別效率。

三、語言模型的問題

圖7 語言信息幫助提升識(shí)別結(jié)果的效果圖（上：沒有語言模型。下：加入語言模型。）

語言模型能夠幫助在視覺信息不充足的情況下，提升識(shí)別的結(jié)果。如圖7所示，語言模型提取的語言信息能夠有效地幫助在視覺缺失，模糊，噪聲的情況下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的識(shí)別結(jié)果。雖然語言模型提升效果顯著，但是也存在著以下幾個(gè)問題：1）OC(outside vocabulary)問題。2）計(jì)算復(fù)雜度高。

針對(duì)OC問題，Wan等人[4]指出了目前基于注意力的方法容易在訓(xùn)練集中沒有出現(xiàn)過的詞匯中識(shí)別錯(cuò)誤，且精度和在測(cè)試過程中使用訓(xùn)練集中出現(xiàn)過的詞匯的效果之間gap遠(yuǎn)大于基于分割的識(shí)別方法，因此如何獲得一個(gè)魯棒的語言模型是一種挑戰(zhàn)。對(duì)于計(jì)算量問題，雖然目前Transformer應(yīng)用于識(shí)別是一種趨勢(shì)，且能夠通過并行計(jì)算提升識(shí)別效率，但是對(duì)于長文本的識(shí)別，其計(jì)算量增加明顯（RNN為線性增長，Transformer為平方增長）。

四、未來展望

語言模型最近是場(chǎng)景文本識(shí)別領(lǐng)域比較熱門的研究方向，在我看來語言模型部分以后的研究大致會(huì)分為兩個(gè)方向：1）結(jié)構(gòu)。即如何通過搭建更強(qiáng)壯的語言模型捕捉更魯邦的語言信息。2）能力。如何降低OC問題的影響。3）計(jì)算量。如何在低計(jì)算量的前提下提取有效的語言信息。

最近的方法中，僅通過捕捉視覺特征也能取得不錯(cuò)的效果（基于視覺特征匹配[5]）。對(duì)于無序的識(shí)別（車牌識(shí)別），Yue等人[6]引入了位置信息增強(qiáng)視覺特征進(jìn)行識(shí)別。因此，在作者看來，未來的文本識(shí)別發(fā)展一定是多元化的，即視覺和語言模型并行發(fā)展，針對(duì)不同的具體任務(wù)會(huì)有不同的改進(jìn)。

以上就是詳解提升場(chǎng)景文本識(shí)別中的語言模型的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于提升場(chǎng)景文本識(shí)別中的語言模型的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！