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심층 신경망을 활용한 전자문서 내 객체의 자동 추출 방법 연구
Automatic Object Extraction from Electronic Documents Using Deep Neural Network 원문보기

정보처리학회논문지. KIPS transactions on software and data engineering. 소프트웨어 및 데이터 공학, v.7 no.11, 2018년, pp.411 - 418  

장희진 (한국과학기술정보연구원 과학기술연구망센터) ,  채영훈 (한국과학기술정보연구원 과학기술연구망센터) ,  이상원 (한국과학기술원 생명화학공학과) ,  조진용 (한국과학기술정보연구원 과학기술연구망센터)

초록
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인공지능 기술의 확산으로 인해 과학기술 분야에서도 연구 데이터의 확보, 저장 및 활용이 중요시 되고 있는 상황이다. 연구 데이터를 확보하기 위해 전자문서 형태의 연구논문으로부터 그래프, 표와 같은 유의미한 객체를 추출하는 다양한 방법들이 제안되고 있다. 경험적 방법론을 이용하는 기존의 연구들은 문서의 편집 특성을 일반화하여 객체들을 추출하기 때문에 다수의 이질적인 형태를 갖는 전자문서들을 대상으로 연구결과를 적용하는데는 한계가 있다. 본 논문은 경험적 방법론의 경직성을 극복하고 이질적인 전자문서들로부터 목표 객체들을 효과적으로 추출하기 위해 심층 학습 기반의 객체 추출 시스템을 제안한다. 텐서플로우 객체 탐지 APIFaster R-CNN 알고리즘을 기반으로 새로운 학습 모델을 생성했으며 심층 학습과 평가를 위해 총 100여 편의 연구논문들을 대상으로 목표 객체들을 데이터화했다. 마지막으로 성능평가를 통해 제안한 시스템이 경험적 방법론을 적용한 비교 대상에 비해 약 5.2% 높은 성능을 보임을 확인하였다.

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With the proliferation of artificial intelligence technology, it is becoming important to obtain, store, and utilize scientific data in research and science sectors. A number of methods for extracting meaningful objects such as graphs and tables from research articles have been proposed to eventuall...

주제어

표/그림 (13)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 전이 학습을 이용하면 성능이 검증된 기존 모델의 설정값을 재활용함으로써 한정된 학습 집단으로부터 효율적으로 새로운 모델을 생성할 수 있다. 본 논문에서는 전이 학습을 기반으로 객체 추출을 위한 새로운 학습모델(trained model)을 제시한다. 추론 단계에서는 대상이 되는 전자문서를 이미지 형태로 변환한 후, 심층 학습을 통해 생성된 학습 모델을 활용하여 목표 객체를 탐지(object detection)한다.
  • 본 논문은 경험적 방법론의 경직성(inflexibility)을 극복하기 위해 심층 학습 기반의 객체 추출 시스템을 제안한다. 제안된 객체 추출 시스템은 텐서플로우 객체 탐지 API(Tensorflow object detection application programming interface)의 Faster R-CNN(Region based Convolution Neural Network) 알고리즘[17]을 이용했다.
  • 본 논문은 전자문서로부터 그림(figure), 표(table), 캡션(caption)의 영역을 탐지하고 탐지된 객체를 자동으로 저장하기 위한 심층 학습 기반의 객체 추출 시스템을 제안한다. 제안된 시스템은 텐서플로우 객체 탐지 API를 이용해 심층신경망을 학습한 후, 입력된 전자문서로부터 개별 객체의 종류와 위치 정보를 추출한다.
  • 본 논문은 전자문서로부터 그림, 표, 캡션과 같은 목표 객체들을 효과적으로 추출하기 위해서 심층 학습망 기반의 객체추출 시스템을 제안하고 경험적 방법론을 활용한 PDFFigures를 대상으로 비교평가를 수행하였다. 제안한 시스템은 PDFFigures에 비해서 약 5.
  • 2%의 높은 성능을 보임을 확인했다. 본 논문은 전자문서에서 객체를 자동으로 추출하기 위해 최초로 심층 신경망 기술을 적용한 연구라는 점에서 의의를 갖는다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
벡터 그래픽이 그림을 추출하는 것이 어려운 이유는 무엇인가? 학술문서에서 벡터(vector) 형태의 그림을 추출하기 위해 기계학습을 적용하려는 연구[3]도 진행되고 있다. 벡터 그래픽은 PDF 파일과 동일한 형태로 저장되기 때문에 그림의 추출이 어렵다. 해당 연구는, 곡선 등 벡터 이미지를 구성하는 세부 객체 및 객체들의 위치를 기계학습으로 파악하고 군집화를 통해 특정 이미지의 영역을 탐지한다.
PDFFigures은 어떤 방법으로 그림과 표를 추출하는가? PDFFigures는 그림과 표를 추출하기 위해 경험적 방법론을 활용했다[1]. 전자문서의 메타데이터를 해석한 후, 예약어(예, Fig., Table 등), 폰트크기, 줄 간격, 정렬방식 등 사전에정의된 추출 규칙을 활용하여 그림과 표 객체를 추출한다. 추출 규칙은 사람이 그림과 표, 캡션(caption), 본문 등을 인지하는 방식과 유사하게 정의된다(예, 문헌의 앞부분에 위치하고 본문 폰트보다 크게 작성된 텍스트는 제목으로 인식).
전이 학습이란 무엇인가? 본 논문에서는 학습 모델의 생성을 위해 ResNet-101[22]구조의 Faster R-CNN을 이용하며 새로운 학습 모델은 전이학습(transfer learning)을 통해 생성된다. 전이 학습은 사전에 학습된 모델(pre-trained model)의 최종 가중치 값을 이용해 새로운 모델의 초기 가중치 값을 설정한 후, 추가적인 학습 집단을 대상으로 재학습을 수행함으로써 새로운 학습 모델을 생성하는 방법이다. 전이 학습을 이용하면 성능이 검증된 기존 모델의 설정값을 재활용함으로써 한정된 학습 집단으로부터 효율적으로 새로운 모델을 생성할 수 있다.
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참고문헌 (29)

  1. C. Clark and S. Divvala, "PDFFigures 2.0: Mining figures from research papers," in Proceedings of IEEE/ACM Joint Conference on Digital Libraries (JCDL), pp.143-152, 2016. 

  2. J. Wu et al., "Pdfmef: A multi-entity knowledge extraction framework for scholarly documents and semantic search," in Proceedings of the 8th International Conference on Knowledge Capture, Article No.13, 2015. 

  3. S. Ray Choudhury, P. Mitra, and C. L. Giles, "Automatic extraction of figures from scholarly documents," in Proceedings of the 2015 ACM Symposium on Document Engineering, pp.47-50, 2015. 

  4. S. J. Chalk, "ChemExtractor: Enhanced Rule-Based Capture and Identification of PDF Based Property Data," 253rd American Chemistry Society (ACS) National Meeting, 2017. 

  5. S. Klampfl and R. Kern, "Machine learning techniques for automatically extracting contextual information from scientific publications," Semantic Web Evaluation Challenge, Springer, pp.105-116, 2015. 

  6. P. Lopez, "GROBID: Combining automatic bibliographic data recognition and term extraction for scholarship publications," in Proceedings of International Conference on Theory and Practice of Digital Libraries, pp.473-474, 2009. 

  7. M. Aristaran, Extract Tables from PDFs [Internet], http://tabula.technology. 

  8. Y. Shinyama, PDFMiner: Python PDF Parser and Analyser [Internet], http://www.unixuser.org/-euske/python/pdfminer/. 

  9. Apache PDFBox: A Java PDF Library [Internet], https://pdfbox.apache.org/. 

  10. Pdftohtml [Internet], http://pdftohtml.sourceforge.net. 

  11. Poppler: a PDF rendering library based on the xpdf-3.0 code base [Internet], https://poppler.freedesktop.org/. 

  12. A. E. Jinha, "Article 50 million: an estimate of the number of scholarly articles in existence," Learned Publishing, Vol.23, No.3, pp.258-263, 2010. 

  13. 254th American Chemical Society National Meeting and Expo [Internet], http://washingtondc2017.acs.org/t/ 197077- acs-national-meeting-washington-dc-2017. 

  14. E. E. Bolton, Y. Wang, P. A. Thiessen, and S. H. Bryant, "PubChem: integrated platform of small molecules and biological activities," in Annual reports in computational chemistry, Elsevier, Vol.4, pp.217-241, 2008. 

  15. R. Zakharov, V. Tkacheonko, A. Korotcov, I. Presniakov, and S. Kalmykov, "Open Science Data Repository: The platform for materials research," 253rd American Chemistry Society (ACS) National Meeting, 2017. 

  16. Open Chemistry [Internet], https://www.openchemistry.org/. 

  17. S. Ren, K. He, R. Girshick, and J. Sun, "Faster R-CNN: towards real-time object detection with region proposal networks," IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol.39, No.6, pp.1137-1149, 2017. 

  18. M. Lipinski, K. Yao, C. Breitinger, J. Beel, and B. Gipp, "Evaluation of header metadata extraction approaches and tools for scientific PDF documents," in Proceedings of the 13th ACM/IEEE-CS Joint Conference on Digital Libraries, pp.385-386, 2013. 

  19. P. Lopez and L. Romary, "HUMB: Automatic key term extraction from scientific articles in GROBID," in Proceedings of the 5th International Workshop on Semantic Evaluation, pp.248-251, 2010. 

  20. I. G. Councill, C. L. Giles, and M.-Y. Kan, "ParsCit: an Open-source CRF Reference String Parsing Package," in Proceedings of the Language Resources and Evaluation Conference (LREC 08), Vol.8, pp.661-667, 2008. 

  21. TensorFlow Object Detection API [Internet], https:// research.googleblog.com/2017/06/. 

  22. K. He, et al., "Deep residual learning for image recognition," in Proceedings of 2017 IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), pp.770-778, 2016. 

  23. D. A. Lawson, et al., "Single-cell analysis reveals a stemcell program in human metastatic breast cancer cells," Nature, Vol.526, No.7571, pp.131-135, 2015. 

  24. J. Huang et al., "Speed/accuracy trade-offs for modern convolutional object detectors," in Proceedings of 2017 IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), pp. 3296-3305, 2017. 

  25. J. R. Uijlings, K. E. Van De Sande, T. Gevers, and A. W. Smeulders, "Selective search for object recognition," International Journal of Computer Vision, Vol.104, No. 2, pp.154-171, 2013. 

  26. I. Sutskever, J. Martens, G. Dahl, and G. Hinton, "On the importance of initialization and momentum in deep learning," in Proceedings of International Conference on Machine Learning, pp.1139-1147, 2013. 

  27. K. Barre, et al., "Tillage and herbicide reduction mitigate the gap between conventional and organic farming effects on foraging activity of insectivorous bats," Ecology and Evolution, Vol.8, No.3, pp.1496-1506, 2018. 

  28. A. Kuznetsova, P. B. Brockhoff, and R. H. Christensen, "lmerTest package: Tests in linear mixed effects models," Journal of Statistical Software, Vol.82, No.13, pp.1-26, 2017. 

  29. N. Wahlstro?m, et al., "A Strategy for the Sequential Recovery of Biomacromolecules from Red Macroalgae Porphyra umbilicalis Ku?tzing," Industrial & Engineering Chemistry Research, Vol.57, No.1, pp.42-52, 2017. 

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