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从RNN到Attention

2021年10月31日

简介

脉络:传统神经网络或CNN ==> 解决输入输出不固定的问题引入RNN ==> 解决M to N问题引入编码集-解码器(两个RNN+context) ==> 为了避免相同的上下文变量对模型性能的限制,给编码器-解码器模型加入了注意力机制 ==> 如何计算注意力?自注意力——Transformer。

为什么要发明循环神经网络

为什么提出RNN?或者传统神经网络或CNN 为什么不行?传统的神经网络,以及CNN,它们存在的一个问题是,采用固定的大小的输入并产生固定大小的输出(input是一个固定大小的向量)。而RNN呢?比如处理文本,其输入和输出的长度是可变的(input是一个不固定长度的多个向量,一个向量代表一个词),比如,一对一,一对多,多对一,多对多。

RNN是神经网络中的一种,它的链状结构,擅长对序列数据进行建模处理。序列数据有很多种形式。音频是一种自然的序列,你可以将音频频谱图分成块并将其馈入RNN。文本也是一种形式的序列,你可以将文本分成一系列字符或一系列单词。

  1. 循环神经网络,引入状态变量来存储过去的信息,并用其与当期的输入共同决定当前的输出。 多层感知机 + 隐藏状态 = 循环神经网络
  2. 应用到语言模型中时 ,循环神经网络根据当前词预测下一时刻词
  3. 通常使用困惑度来衡量语言模型的好坏

RNN 输入和输出 根据目的而不同

  1. 比如 根据一个字预测下一个字,输入就是一个字的特征向量(后续就是这个字的某个数字编号)
  2. 给一个词 标记是名词还是动词
  3. 语音处理。输入一个每帧的声音信号 的特征向量

RNN 结构

史上最详细循环神经网络讲解(RNN/LSTM/GRU)先来看一个NLP很常见的问题,命名实体识别,举个例子,现在有两句话:

  1. 第一句话:I like eating apple!(我喜欢吃苹果!)
  2. 第二句话:The Apple is a great company!(苹果真是一家很棒的公司!)

现在的任务是要给apple打Label,我们都知道第一个apple是一种水果,第二个apple是苹果公司,假设我们现在有大量的已经标记好的数据以供训练模型,当我们使用全连接的神经网络时,我们做法是把apple这个单词的特征向量输入到我们的模型中,在输出结果时,让我们的label里,正确的label概率最大,来训练模型。

// 序列模型的X 和 Y,实际上一般是随机采样,每个样本都是在原始的长序列上任意捕获的子序列。基于所有词会创建一个词表,每个词由其在词表中的位置 对应的向量来表示。
// features ==> labels
I like ==> eating
like eating ==> apple
the apple ==> is
apple is  ==> a 
is a ==> greate
a greate ==> company

但我们的语料库中,有的apple的label是水果,有的label是公司,这将导致,模型在训练的过程中,预测的准确程度,取决于训练集中哪个label多一些,这样的模型对于我们来说完全没有作用。问题就出在了我们没有结合上下文去训练模型

  1. 「输入层」:X是一个向量,它表示「输入层」的值,并且与隐藏层之间不是全连接,而是按照时刻进行与隐藏层之间进行对齐连接。
  2. 「隐藏层」:h是一个向量,它表示「隐藏层」的值(节点数与向量S的维度相同);
  3. 「输出层」:y是一个向量,它表示「输出层」的值;

RNN 输出$y_i$依赖于上一个状态$h_{i-1}$和当前输入$x_i$所推导出的隐状态$h_i$,这种机制在解决了传统神经网络无法与过去输入建立联系的问题。与多层感知机 (MLP) 等前馈网络不同,RNN 有一个内部反馈回路,负责记住每个时间步的信息状态。

RNN Cell(RNN 就是一个RNN Cell 的不断复制):a typical vanilla RNN uses only 3 sets of weights to perform its calculations: $W_{xh}$,$W_{hh}$,$W_{hy}$。 We’ll also use two biases for our RNN: $b_h$,$b_y$。

\(h_t = tanh(W_{xh}x_t + W_{hh}h_{t-1} + b_h)\) \(y_t = W_{hy}h_t + b_y\)

rnn 是通过 $W_{hh}$ 存储时序信息的。

RNN 代码

如何深度理解RNN?——看图就好!

rnn = RNN()
ff = FeedForwardNN()
hidden_state = [0.0,0.0,0.0,0.0]
for word in input:
    output , hidden_state = rnn(word, hidden_state)
    ...
prediction = ff(output)

An Introduction to Recurrent Neural Networks for Beginners RNN 的前向 后向传播等,并给出了一个基于文本给出情感的例子,很仔细。PS: forward 和 backward 有点从左到右 和 从右向左的意思。

class RNN:
  # A Vanilla Recurrent Neural Network.
  def __init__(self, input_size, output_size, hidden_size=64):
    # Weights
    self.Whh = randn(hidden_size, hidden_size) / 1000
    self.Wxh = randn(hidden_size, input_size) / 1000
    self.Why = randn(output_size, hidden_size) / 1000

    # Biases
    self.bh = np.zeros((hidden_size, 1))
    self.by = np.zeros((output_size, 1))
  def forward(self, inputs):
    '''
    Perform a forward pass of the RNN using the given inputs.
    Returns the final output and hidden state.
    - inputs is an array of one-hot vectors with shape (input_size, 1).
    '''
    h = np.zeros((self.Whh.shape[0], 1))
    # Perform each step of the RNN
    for i, x in enumerate(inputs):
      h = np.tanh(self.Wxh @ x + self.Whh @ h + self.bh)
    # Compute the output
    y = self.Why @ h + self.by
    return y, h
  def forward(self, inputs):
    '''
    Perform a forward pass of the RNN using the given inputs.
    Returns the final output and hidden state.
    - inputs is an array of one-hot vectors with shape (input_size, 1).
    '''
    h = np.zeros((self.Whh.shape[0], 1))

    self.last_inputs = inputs
    self.last_hs = { 0: h }
    # Perform each step of the RNN
    for i, x in enumerate(inputs):
      h = np.tanh(self.Wxh @ x + self.Whh @ h + self.bh)
      self.last_hs[i + 1] = h
    # Compute the output
    y = self.Why @ h + self.by
    return y, h

在 RNN 里面,给一个序列,它的计算是把这个序列 从左往右 一步一步往前做。假设一个序列是一个句子,它就是一个词一个词的看。对第 t 个词,它会计算一个输出叫做$h_t$(该词 的隐藏状态),然后该词的$h_t$是由 前面一个词的隐藏状态$h_{t-1}$和当前 第 t 个词本身决定的。这样它就可以把前面学到的历史信息通过$h_{t-1}$放到当下,然后和当前的词 做一些计算 得到输出。这也是 RNN 为何能够有效处理时序信息的一个关键所在。它把之前的信息全部放在隐藏状态里面,然后一个一个循环下去。但它的问题也来自于此

  1. RNN 是一个时序一步一步计算的过程,比较难以并行。就是说在算 第 t 个词的时候,算出 $h_t$的时候,必须要保证 前面那个词的$h_{t-1}$输入完成。假设 句子有 100 个词的话,那么需要 时序的算 100 步,导致说在这个时间上,无法并行。现在GPU 都是成千上万个线程,无法在这个上面并行的话,导致 并行度比较低,使得在计算上性能比较差。
  2. 历史信息是一步一步的往后传递的,如果 时序比较长的话,那么 很早期的那些时序信息,在后面的时候可能会丢掉,如果不想丢掉的话,那可能得要$h_t$比较大。但是问题是:如果$h_t$比较大,在 每一个时间步 都得把它存下来,导致内存开销是比较大。

GRU 和 LSTM

RNN网络对任意时刻的输入都是赋予相同权重计算,这样区分不出重点因素。可以进行一个短期的记忆,长期记忆的实现一般使用LSTM模型,当预测点与依赖的相关信息距离比较远的时候,就难以学到该相关信息。例如在句子“我是一名中国人,…….(省略数十字),我会说中文”,如果我们要预测末尾的“中文”两个字,我们需要上文的“中国人”,或者“中国”。

GRU: 能关注的机制(更新门/Zt),能遗忘的机制(重置门/Rt)。PS:多了几个要学习的weight

\(R_t = \sigma(X_tW_{xr} + H_{t-1}W_{hr}+b_r)\) \(Z_t = \sigma(X_tW_{xz} + H_{t-1}W_{hz}+b_z)\) \(\tilde{H_t} = tanh(X_tW_{xh}+(R_t\bigodot H_{t-1})W_{hh+b_h})\) \(H_t = Z_t \bigodot H_{t-1} + (1-Z_t) \bigodot \tilde{H_t}\)

$\bigodot$ 是按元素乘法的意思,比如$R_t$ 全是0 ,则$H_{t-1}$ 就几乎无效了。

由于 RNN 自身的结构问题,在进行反向传播时,容易出现梯度消失或梯度爆炸。LSTM 网络在 RNN 结构的基础上进行了改进,通过精妙的门控制将短时记忆与长时记忆结合起来,一定程度上解决了梯度消失与梯度爆炸的问题。

Encoder-Decoder/两个RNN加context

NLP注意力机制的视觉应用——谈谈看图说话的SAT模型由于结构上的受限,RNN只能实现“1 to N”、“N to 1”和“N to N”的形式。那么对于“M to N”这种形式的句子关系(输入输出不等长问题,如机器翻译、阅读理解等场景),RNN便显得有些乏力。于是,大佬们提出了Seq2Seq,这是一个拥有编码器Encoder和解码器Decoder的模型,其中,Encoder和Decoder都是RNN类型的网络,上下文变量为二者搭建起了信息传递的桥梁,编码器将输入序列的信息编码到上下文变量中,解码器将上下文变量中的信息解码生成输出序列。依靠“意义”这一中介,Seq2Seq成功解决了两端语句单词数量不对等的情况,即与传统RNN模型相比,更好的解决了“M to N”。

编码器-解码器的设计是多种多样的,需要根据具体问题具体分析。编码器获取输入并将其编码为固定长度的向量,而解码器获取该向量并将其解码为输出序列。编码器和解码器联合训练以最小化条件对数似然。一旦训练完毕,编码器/解码器就可以在给定输入序列的情况下生成输出,或者可以对成对的输入/输出序列进行处理。比如在中译英任务中,编码器会将输入序列从源空间(例如中文)投影到一个高维语义空间的向量表示中。接着,解码器将这个高维向量从语义空间映射回目标空间(例如英文),生成一个新的序列作为翻译输出。只是在做各个语义空间中的相互投影罢了,只不过这个投影的方法叫做编码器和解码器。

编码器实现将输入的任意长度的输入序列x映射为固定长度的上下文序列 c,该上下文序列为输入序列的一个中间编码表示 $c = Encoder(x_1,…,x_m)$

获得c的具体方法有多种

  1. 可以取RNN编码器的最后一个隐状态,即 $c=h_m$
  2. 可以是最后一个隐状态的某种变换,即$c=q(h_m)$
  3. 可以对针对所有隐状态做的某种变换,即 $c=q(h_1,h_2,…h_m)$ 解码器用来将上述固定长度的中间序列c映射为变长度的目标序列作为最终输出 ,其中输出序列中的每一个元素$y_i(i=1,2,…,n)$依赖中间序列c 以及其之前的隐状态,即$y_i=Decoder(c,s_1,s_2,…,s_{i-1})$。$s_i$ 是decoder的隐藏状态。

解码器跟编码器的不一样的是:在解码器里面,词是一个一个生成的。对编码器来讲,很有可能是一次性看全整个句子,比如做机器翻译的时候,可以把整个英语的句子给你。但是在解码的时候,只能一个一个的生成,这个东西叫做一个叫做自回归(auto-regressivet),在自回归里面,模型的输入又是模型的输出。

具体来说,在最开始给定 z,那么要去生成第一个输出$y_1$,拿到$y_1$之后,就可以去生成$y_2$。一般来说要生成$y_t$,可以把之前所有的 $y_1$到$y_{t-1}$全部拿到。也就是说在机器翻译的时候是一个词一个词地往外蹦,所以在过去时刻的输出,也会作为当前时刻的输入,所以这个叫做自回归。

Seq2Seq模型可以认为是一个序列到序列转换的通用框架,具有广泛的应用场景,可以完成诸如“中文->英文”的翻译任务,也可以完成“文章->关键词”的摘要提取任务,甚至可以完成“图像->文字”的看图说话任务。然而,Seq2Seq模型的编码器-解码器架构也存在着明显的缺陷。

  1. Seq2Seq模型理论上可以接受任意长度的序列作为输入,但是机器翻译的实践表明,输入的序列越长,模型的翻译质量越差。产生这一问题的原因在于无论输入序列的长短,编码器都会将其映射为一个具有固定长度的上下文序列c。这就意味着当输入序列的长度过长时,上下文序列将无法表示整个输入序列的信息。试想在一个文本摘要生成的应用中,若c为一个几百维的向量,在针对一段短新闻稿时,也许能够表达新闻稿的全部语义信息,但是面对一篇长篇小说,恐怕其在语义信息表达方面将显得力不从心。
  2. 在上述编码器-解码器框架中,在生成每一个目标元素$y_i$时使用的下文序列c都是相同的,这就意味着输入序列x中的每个元素对输出序列y中的每一个元素都具有相同的影响。换句话说,解码阶段不同时间步看到的输入序列的信息都是一样的,这种现象是有悖常理的。毕竟在一个输入序列中,不同元素所携带的信息量是不同的,受到关注的程度也自然存在差异。例如在英文到中文的机器翻译应用中,英文语句中的不定冠词“a”或“an”在很多场合是不需要显式翻译的,而类似“very”这样的副词在很多语句中却携带着很重的情感信息。

注意力机制/抛弃RNN

从RNN到“只要注意力”——Transformer模型基于RNN的架构存在着一个明显弊端,那就是RNN属于序列模型,需要以一个接一个的序列化方式进行信息处理,注意力权重需要等待序列全部输入模型之后才能确定,即需要RNN对序列“从头看到尾”。这种架构无论是在训练环节还是推断环节,都具有大量的时间开销,并且难以实现并行处理。例如面对翻译问题“A magazine is stuck in the gun.”,其中的“magazine”到底应该翻译为“杂志”还是“弹匣”?当看到“gun”一词时,将“magazine”翻译为“弹匣”才确认无疑。在基于RNN的机器翻译模型中,需要一步步的顺序处理从magazine到gun的所有词语,而当它们相距较远时RNN中存储的信息将不断被稀释,翻译效果常常难以尽人意,而且效率非常很低。我们不禁要问一个问题:RNN 结构是否真的必要?谷歌大脑、谷歌研究院等团队于 2017 年联合发表文章《Attention Is All You Need》,给出了的答案——“RNN is unnecessary, attention is all you need”。PS:为什么RNN上下文理解能力弱?因为RNN通过一个隐藏层记录当前及之前所见过的词汇,已经将语义信息杂糅在一起,而往往理解 it 这个词的语义时候,通过几个词就行,而不是it 之前的所有词汇。

NLP注意力机制的视觉应用——谈谈看图说话的SAT模型

深度学习中的“注意力”概念源于改进循环神经网络(RNN)使其能够处理较长序列或句子,例如,将句子从一种语言翻译成另一种语言。我们通常不会选择逐字翻译,因为这种方式忽略了每种语言特有的复杂语法结构和惯用表达,会导致翻译不准确或无意义。为克服上述问题,引入了注意力机制,允许模型在每个时间步都能够访问所有序列元素。注意力机制的关键在于选择性地确定在特定上下文中哪些词语是最重要的

对于一个由 n 个单词组成的句子来说,不同位置的单词,重要性是不一样的。因此,我们需要让模型“注意”到那些相对更加重要的单词,这种方式我们称之为注意力机制,也称作 Attention 机制。比如“我今天中午跑到了肯德基吃了仨汉堡”。这句话中,你一定对“我”、“肯德基”、“仨”、“汉堡”这几个词比较在意,不过,你是不是没注意到“跑”字?其实 Attention 机制要做的就是这件事:找到最重要的关键内容。它对网络中的输入(或者中间层)的不同位置,给予了不同的注意力或者权重,通过权重矩阵来自发地找到token之间的关系,网络就可以逐渐知道哪些是重点,哪些是可以舍弃的内容了。

与标准Seq2Seq模型相比,注意力模型最大的改进在于其不再要求编码器将输入序列的所有信息都压缩为一个固定长度的上下文序列c中,取而代之的是将输入序列映射为多个上下文序列$c_1,c_2,…,c_n$,其中$c_i$是与输出$y_i$对应的上下文信息。

下图示意了一个注意力模型的基本结构,其中的注意力模块可以视为是一个具有m个输入节点和n个输出节点的全连接神经网络。PS:Attention 可以看做为解码器阶段的每个单元,单独准备了一个定制、全局的 C

在注意力模型中,每一个上下文序列为编码器所有隐状态向量的加权和

\[c_i=\sum_{j=1}^m\alpha_{ij}h_j\]

其中$\alpha_{ij}$为注意力权重系数(也称为注意力得分)。在编码器中,隐变量$h_j$蕴含了输入序列第j个元素的信息,因此对编码器隐变量按照不同权重求和表示在生成预测结果$y_i$时,对输入序列中的各个元素上分配的注意力是不同的——$\alpha_{ij}$越大,表示第i个输出在第j个输入上分配的注意力越多,即生成i个输出时受到第j个输入的影响也就越大,反之亦反。

剩下最后一个问题即如何得到注意力权重系数$\alpha_{ij}$了。在注意力模型中,注意力权重系数是通过构造一个全连接网络,然后再对该网络输出向量进行概率化得到的。这个参考原文。

小结:为模型的每一个输入项(比如语句中的某个单词)分配一个权重,这个权重的大小就代表了我们希望模型对该部分一个关注程度。这样一来,通过权重大小来模拟人在处理信息的注意力的侧重,有效的提高了模型的性能,并且一定程度上降低了计算量。PS:注意力机制本质上就是学习/更新权重,训练完后,权重大的地方被关注了,权重小的地方被轻视。注意力实际上是“关注输入数据中最重要的部分”。从技术上讲,注意力测量两个向量之间的“相似度”,并返回“加权相似度分数”。

Attention综述