RAG效果优化：高质量文档解析详解

2024-09-05 236

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本文涉及的产品

公共DNS（含HTTPDNS解析），每月1000万次HTTP解析

全局流量管理 GTM，标准版 1个月

云解析 DNS，旗舰版 1个月

简介： 本文关于如何将非结构化数据（如PDF和Word文档）转换为结构化数据，以便于RAG（Retrieval-Augmented Generation）系统使用。

背景

尽管通用大语言模型（LLM）在知识问答方面取得了非常大的进展，但是对于专业领域依然无能为力，因为专业领域的数据不会对外公开，通用LLM没有学习过，自然不会回答。一种思路是将这些专业数据喂给LLM进行微调，但是对技术和成本要求往往太高，而RAG系统则是解决专业领域问答的另一种思路，在用户原始问题之后加上与之相关的私域数据一起提问，由通用LLM进行分析和总结。通过检索增强的方式为LLM提供更加精准的信息，从而提升最终回答效果，如下图所示：

知识数据库是RAG系统的核心组件，需要离线将各类私域文档转换成计算机可检索的数据。实际场景中，大部分专业文档都是以pdf、doc等非结构化数据进行存储，它们有标题、段落、表格、图片等元素，易于人类阅读，却不适合计算机进行检索和处理。文档解析是将这些非结构化文档转换为半结构化的文档（如markdown、html），由系统后续进行切片、向量化处理，最终形成可检索的结构化数据。因此，文档解析是RAG系统的第一步，所谓better input better output，高质量的解析结果自然会提升RAG系统整体的效果。

Word与Pdf对比

Pdf和Word（MS Office 2007之前为doc，之后为docx）是两种最常见的文档格式，但是二者有本质区别：

Word倾向于编辑。Docx格式遵循Office Open XML标准[1]，底层通过xml保存数据，有标题、段落、表格等概念，但是不含页面和位置的概念，文档各个元素最终展现的位置由实际的渲染引擎决定（同一份文档不同软件打开后显示结果可能不同）。解析docx文件只需要按照标准读取底层的xml文件即可。doc格式在2008年才对外开放（此时已被docx替代），能够解析的开源工具很少，通常是转换为docx文件后进行解析。

Pdf倾向于阅读和打印。文档存储了一系列绘制字符、线条等基本元素的指令，指示了阅读器或打印机在屏幕或纸张上显示符号的位置和方式。相比word，pdf有页面和位置的概念，在不同终端的展示效果一致。因为不需要编辑，pdf中没有标题、段落、表格等概念，例如标题只是大号加粗的文字，表格只是对齐排列的线条和文字。解析pdf文件除了需要提取出文字外，还需要进行额外的版面恢复、表格识别等操作。

以下是docx和pdf文件结构的示例：

<w:document>
   <w:body>
       <!-- 段落 -->
       <w:p w:rsidR="005F670F" w:rsidRDefault="005F79F5">
           <w:r>
             <!-- 文本属性 -->
             <w:rPr>
                <w:rFonts w:ascii="Arial" w:hAnsi="Arial" w:cs="Arial"/>
                <w:color w:val="000000"/>
              </w:rPr>
              <w:t>Hello world！</w:t>
            </w:r>
       </w:p>
       <!-- 页面属性 -->
       <w:sectPr w:rsidR="005F670F">
           <w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/>
           <w:pgMar w:top="1440" w:right="1440" w:bottom="1440" w:left="1440" w:header="720" w:footer="720"
                    w:gutter="0"/>
           <w:cols w:space="720"/>
           <w:docGrid w:linePitch="360"/>
       </w:sectPr>
   </w:body>
</w:document>

4 0 obj                 % 页面内容流
<< >>
stream                  % 流的开始
1. 0. 0. 1. 50. 700. cm % 位置在（50,700）
BT                      % 开始文本块
 /F0 36. Tf             % 在36pt选择/F0字体
 (Hello, World!) Tj     % 放置文本字符串
ET                      % 结束文本块
endstream               % 流结束
endobj

总结：

Word解析

docx格式

一个DOCX文件实际上是一个包含多个文件和文件夹的压缩包，可以用解压缩工具进行解压。最小结构如下，示例为：

.
├── [Content_Types].xml
├── _rels
│   └── .rels
└── word
    ├── document.xml
    └── _rels
        └── document.xml.rels

其中word/document.xml是DOCX文档的主要内容。参考上面的示例，以下是一些关键标签：

<w:document>：根元素，包含整个文档内容。
<w:body>：文档主体部分，包含所有段落、表格和其他内容。
<w:p> (Paragraph)：段落元素。
<w:r> (Run)：包含一段连续的文本，带有相同的格式。
<w:t> (Text)：具体的文本内容。
<w:sectPr> (Section Properties)：节属性，定义页面设置如页边距、页码、页眉页脚等。

doc格式

doc格式本身是一个OLE（Object Linking and Embedding）复合文档，文档将数据分成很多流（Steams），存储在不同的 Storages 里，详见MS-DOC文件格式规范[2]。其中WordDocument二进制流是文档的主要内容，必须存在。据目前所知，python环境下没有任何库能够直接读取doc文件中的内容。python olefile虽然可以打开doc文件，但也仅限于打开，无法理解（decode）WordDocument等流。因此python环境下一般通过libreoffice将doc文件转换为docx文件进行解析。同时为了避免文件加密导致转换失败，可以借助olefile及文件格式规范进行提前判断。

Pdf解析

开源工具

目前python开源的pdf解析工具很多，总结如下：

其中Papermage对PDFPlumber进行了封装，并基于多个模型进行版面分析，功能最全，能识别标题、作者、摘要等元素，但仅限于论文场景。类似的还有ragflow-deepdoc[3]（参考：深度解读RAGFlow的深度文档理解DeepDoc[4]）。下面详细介绍下Papermage。

PaperMage介绍

第一步——纯文本提取

基于PDFPlumber将pdf中的文字部分提取出来，得到words集合，并基于words位置关系检测文本行（lines）。

第二步——视觉标注

将pdf按页光栅化成位图，通过目标检测技术识别位图中的元素，得到blocks，每个block包括了边界框（bounding box，bbox）和标签（如图片、表格等）信息。光栅化操作使用了pdf2image库（底层是poppler），目标检测模型用的是efficientdet系列模型：layoutparser/efficientdet · Hugging Face[5]。可视化结果如下：

可以发现，bbox是一个大致区域，主要目的是通过位置关系将words划分到不同label的blocks中，即第三步中的block_ids和labels。

第三步——字符级标注

字符标注模型使用了I-VILA系列模型（allenai/ivila-block-layoutlm-finetuned-s2vl-v2[6]），将前两步的结果作为输入，输入格式入下：

{
  "words": ["word1", "word2", ...],
  "block_ids": [0, 0, 0, 1 ...],
  "line_ids": [0, 1, 1, 2 ...],
  "labels": [0, 0, 0, 1 ...],
}

预测出的标签有：

{
  "0": "Title",
  "1": "Author",
  "2": "Abstract",
  "3": "Keywords",
  "4": "Section",
  "5": "Paragraph",
  "6": "List",
  "7": "Bibliography",
  "8": "Equation",
  "9": "Algorithm",
  "10": "Figure",
  "11": "Table",
  "12": "Caption",
  "13": "Header",
  "14": "Footer",
  "15": "Footnote"
}