PDF-Extract-Kit代码实例：实现PDF公式检测与识别

1. 引言：PDF智能提取的工程挑战与解决方案

在科研、教育和出版领域，PDF文档中包含大量结构化内容，如数学公式、表格和图文混排布局。传统OCR工具难以精准识别这些复杂元素，尤其对数学公式的语义保持提出了极高要求。PDF-Extract-Kit正是为解决这一痛点而生——一个由开发者“科哥”二次开发构建的PDF智能提取工具箱，集成了布局检测、公式识别、OCR文字提取与表格解析四大核心能力。

该工具基于深度学习模型（YOLO用于目标检测，Transformer-based模型用于公式识别）与PaddleOCR技术栈深度融合，提供WebUI交互界面与模块化API接口，支持从PDF或图像中端到端地抽取出可编辑、可复用的内容。本文将聚焦其公式检测与识别功能，通过实际代码示例展示如何调用底层API实现自动化处理流程，并分析关键参数配置策略。

2. 核心功能架构与工作流解析

2.1 系统整体架构概览

PDF-Extract-Kit采用分层设计思想，各模块职责清晰：

输入层 → 预处理 → [布局检测 | 公式检测] → [公式识别 | OCR | 表格解析] → 输出层

其中： -预处理：PDF转图像（DPI可调），灰度化/去噪等增强操作 -布局检测：使用YOLOv8模型定位文本块、图片、表格区域 -公式检测：专用检测模型区分行内公式（inline）与独立公式（display） -公式识别：基于Vision Transformer的序列生成模型输出LaTeX代码 -输出层：结构化JSON + 可视化标注图 + 格式化文本（LaTeX/Markdown）

这种流水线式设计使得用户可以灵活组合使用不同模块，例如仅执行“公式检测+识别”而不进行全文OCR。

2.2 公式检测与识别的技术原理

检测阶段：双阶段定位机制

公式检测采用两步法： 1.粗粒度定位：通过通用文档布局模型初步筛选疑似公式区域 2.细粒度分类：使用专有YOLO模型判断是否为公式，并标记类型（inline/display）

# 示例：调用公式检测API from models.formula_detector import FormulaDetector detector = FormulaDetector( model_path="weights/formula_yolov8n.pt", img_size=1280, conf_thres=0.25, iou_thres=0.45 ) results = detector.detect("input_page.png") for box in results: x1, y1, x2, y2, conf, cls_id = box print(f"Formula detected at ({x1},{y1})-{({x2},{y2})}, confidence: {conf:.3f}")

📌说明：img_size越大精度越高但速度越慢；conf_thres过低会导致误检增多，过高则可能漏检小尺寸公式。

识别阶段：端到端LaTeX生成

识别模块基于Donut-like架构（不含注意力机制的纯解码器模型），输入裁剪后的公式图像，直接输出LaTeX字符串。

# 示例：公式识别核心调用 from models.formula_recognizer import LatexRecognizer recognizer = LatexRecognizer( model_path="weights/formula_recognizer_v1.pth", max_length=300, batch_size=1 ) latex_code = recognizer.recognize("cropped_formula_01.png") print(latex_code) # 输出: \int_{-\infty}^{\infty} e^{-x^2} dx = \sqrt{\pi}

该模型在公开数据集IM2LATEX-100K上训练，支持大多数AMS-LaTeX语法，包括分数、上下标、积分、矩阵等复杂结构。

3. 实践应用：从PDF到LaTeX的完整提取流程

3.1 环境准备与依赖安装

确保已安装Python 3.8+及以下依赖：

pip install torch==1.13.1+cu117 torchvision==0.14.1+cu117 -f https://download.pytorch.org/whl/torch_stable.html pip install paddlepaddle-gpu==2.4.2.post117 pip install ultralytics opencv-python PyMuPDF pillow streamlit gradio

项目目录结构如下：

PDF-Extract-Kit/ ├── webui/ # Web界面入口 ├── models/ # 检测与识别模型 ├── utils/ # 工具函数（PDF转图、坐标映射等） ├── outputs/ # 默认输出路径 └── scripts/ # 批量处理脚本示例

3.2 完整代码实现：批量提取PDF中的所有公式

以下是一个完整的Python脚本，实现从PDF文件中自动提取所有数学公式并保存为LaTeX列表：

import fitz # PyMuPDF import cv2 import os from models.formula_detector import FormulaDetector from models.formula_recognizer import LatexRecognizer from utils.pdf_utils import pdf_page_to_image # 初始化模型 detector = FormulaDetector(model_path="weights/formula_yolov8n.pt", img_size=1280) recognizer = LatexRecognizer(model_path="weights/formula_recognizer_v1.pth") def extract_formulas_from_pdf(pdf_path, output_latex="formulas.tex"): all_latex = [] # 打开PDF doc = fitz.open(pdf_path) for page_num in range(len(doc)): # 转换为图像 img = pdf_page_to_image(doc, page_num, dpi=200) img_path = f"temp_page_{page_num}.png" cv2.imwrite(img_path, img) # 公式检测 detection_results = detector.detect(img_path) print(f"Page {page_num + 1}: Found {len(detection_results)} formulas") # 遍历每个检测到的公式 for idx, det in enumerate(detection_results): x1, y1, x2, y2 = map(int, det[:4]) crop_img = img[y1:y2, x1:x2] crop_path = f"temp_formula_{page_num}_{idx}.png" cv2.imwrite(crop_path, crop_img) # 公式识别 latex = recognizer.recognize(crop_path) all_latex.append(f"% Page {page_num + 1}, Formula {idx + 1}\n{latex}\n") # 清理临时文件 os.remove(crop_path) os.remove(img_path) # 保存结果 with open(output_latex, "w", encoding="utf-8") as f: f.write("\\begin{align}\n") f.write("\n".join(all_latex)) f.write("\\end{align}\n") print(f"✅ All formulas saved to {output_latex}") return all_latex # 使用示例 if __name__ == "__main__": formulas = extract_formulas_from_pdf("sample_paper.pdf")

✅优势：此脚本实现了全自动化处理，无需人工干预即可完成PDF→图像→检测→识别→LaTeX导出全流程。

3.3 关键问题与优化建议

问题一：公式切割不完整导致识别失败

现象：部分长公式被截断，影响LaTeX生成质量
解决方案：在检测后增加边界扩展逻辑

# 扩展检测框边缘10像素以保留完整上下标 def expand_box(x1, y1, x2, y2, margin=10): return max(0, x1 - margin), max(0, y1 - margin), x2 + margin, y2 + margin

问题二：低分辨率扫描件识别准确率下降

对策： - 提高img_size至1536 - 在预处理阶段使用超分模型（如ESRGAN）提升图像质量 - 启用--auto_orient参数自动纠正倾斜文本

优化技巧：批处理加速识别

当处理多个公式时，启用批处理可显著提升GPU利用率：

# 修改批大小为4（需显存≥8GB） recognizer = LatexRecognizer(batch_size=4) # 支持同时识别4个公式图像 batch_latex = recognizer.recognize_batch(formula_image_list)

4. 总结

PDF-Extract-Kit作为一款高度集成的PDF内容提取工具箱，凭借其模块化设计与深度学习驱动的能力，有效解决了学术文档数字化过程中的关键难题。本文通过具体代码实例展示了如何利用其公式检测与识别API实现自动化LaTeX提取，涵盖环境搭建、核心调用、异常处理与性能优化等多个工程实践维度。

其价值不仅体现在单点功能的强大，更在于提供了可二次开发的开放架构，允许研究人员和开发者根据特定需求定制模型、调整流程或扩展新功能（如化学式识别、代码块提取等）。对于需要频繁处理科技文献、教材讲义或考试试卷的用户而言，这套工具极大提升了信息再利用效率。

未来随着多模态大模型的发展，此类工具将进一步融合语义理解能力，实现从“视觉提取”向“语义重构”的跃迁。