NLP中的变形金刚

1.前言

上回讲了当前DNN中较为较为广泛应用的一种算法机制——Attention Mechanisms，此机制在模型可解释性和模型优化方面均取得了不错的效果。那么今天，我们来进一步了解attention算法在自然语言中的更深层次的应用。本次我们介绍下自然语言处理的“变形金刚”——Transformer模型，该算法是近一年都比较热门的bert系列算法的基础。

2.Transformer模型

上回提到的attention机制可以认为是对RNN模型的一种进阶优化，其基础仍为RNN算法，针对RNN模型，存在一些不足的地方：

1. 有一定的长期依赖问题：虽然利用门限等方法得到了有效的缓解，但是此问题依旧存在，并且句子越长，此问题越严重；

2. RNN有很大的性能问题：主要表现在训练阶段，如在RNN的前向计算中，每个隐藏状态Ht的计算，需要依赖Ht-1,Ht-2，...，无法做到像CNN那样的并行计算，尤其当数据量很大的情况下，此问题更为严重。

   
   

所以，如何更好的抽取文本的上下文信息，以及如何更好的提高计算性能，google的大神们在2017年提出了transformer算法，其利用self-attention的方法，完全摒弃掉RNN的结构，仅依赖attention的方式，构建了一种seq2seq的模型，可用于机器翻译等领域，取得了不错的效果，模型基本框架如图1所示：

图1 transformer模型架构图

我们来具体看下transformer是如何计算的：

1. 输入层：transformer输入包括两部分：每个词的embedding+位置encoding向量，使用时，将其整合在一起输入到模型中；

2. encoder和decoder层：encoder和decoder层的核心是利用attention的方式对输入进行编码和解码，此外两者中均加入残差网络的结构。

3. 输出层：输出时，从左到右，先把右侧位置的元素遮挡掉，利用mask的attention方式进行训练预测。

为了更好的了解该算法，我们分为以下几个部分重点介绍：

第一部分：multi-head Attention

Transformer中的attention部分，使用的为Multi-head Attention的方式。

Multi-head Attention是基于一种Scaled Dot-Product Attention计算方法，每次计算时，将后者重复计算多次，叠加在一起，从而保证每个输入能够提取足够的上下文信息。

那么Scaled Dot-Product Attention又是如何计算呢？下面即为该算法的示意图，具体计算步骤如下：

1. 对于每个输入单词X1,X2，给定Wq,Wk,Wv三个矩阵，将x1和x2与这三个矩阵进行相乘，得到六个向量:q1、q2、k1、k2、v1、v2。其中这三个矩阵先随机初始给定，后面随模型训练不断迭代优化。
   

   
   
2. 针对每一个单词，如第一个单词thinking，拿其q1与其他输入单词的k向量进行点乘得到各个score，s1=q1 * k1 ,s2=q1 * k2；
3. 对每个score进行归一化，保证梯度的稳定，同时除以sqrt(dk)，其中dk为向量q，k，v的长度；
4. 利用softmax激活函数将score转化为权重w1,w2
5. 加权求和得到各x的输出z,如z1=w1 * v1 + w2 * v2 
   
   
   

然后将上述计算步骤重复h次，将得到的h个小矩阵拼接在一起，利用一个简单的线性变换，得到每个输入的最终表达，这就是Multi-head attention的整体计算逻辑。

图2 Multi-Head Attention框架图

此处我们可以利用每次计算的权值w1,w2...来可视化查看输入的每个词之间的相关性，权重越大，说明相关性越强。

由于attention计算多次，每个attention层提取的词语之间的意义会有所不同，图3中可以看到第5个attention层中it与the、animal相关系较强，由此可以对模型优化提供指导意见。

图3 transformer模型input词语相关性图

第二部分：Add & Norm

除去基础的attention单元外，transformer还有众多的add &norm层，该层计算逻辑如图4所示，主要分为两部分：

1. Add层：此处采用残差网络的设置，将原输入X与经attention计算得到的Z进行叠加，从而保证梯度不会消失，避免模型退化的发生；
2. LayerNorm层：将数据标准化为均值为0，方差为1的数据，这样可以减小数据的偏差，规避训练过程中梯度消失或爆炸的情况。
   
   

图4 transformer模型add&norm层框架图

第三部分：Feed Forward层

模型中的前向反馈层，采用一种Position-wise feed-forward方法，具体公式如下：

此处计算方式比较容易理解，先对输入加一个全连接网络，之后拼接一个relu激活函数，之后再加一个全连接网络即可。

第三部分：Positional encoding

在我们之前使用CNN或者RNN模型进行文本建模时，模型内部已经考虑到序列的序列位置了，而上述的self-attention，仅可以认为是一个词袋模型，未考虑到词的位置信息。为了解决这个问题，此处在input中，除词语的embedding外，再额外添加位置编码信息，具体计算依据以下方式，主要依据sin和cos的方式锁定单词位置：

那么上述就是transformer模型的主要核心内容了，模型整体就是依据上述的几个部分进行重复、叠加与拼接。

3.展望

本文是对上次attention的后续，主要介绍了self-attention的基础理论部分，主要内容来源于google的《Attention Is All You Need》，此论文对于后续bert、gpt-2的理解具有极其重要的作用。

后期将介绍如何利用BERT预训练模型，进行文本建模实践。

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本文转载自公众号：数据天团，作者丁永兵