深度学习——机器翻译、注意力机制、transformer

深度学习

 

一、机器翻译(MT)

• 用神经网络进行机器翻译-----神经机器翻译(NMT)。困难点在于输入和输出的序列长度不一样。
• 有一种结构可以解决这个困难，如下图。在Encoder结构中将原语言转换为语义编码c（隐藏状态），再通过Decoder过程转换为目标语言。
• Encoder到Decoder有一种Sequence to Sequence模型，如下图所示。将源语言和目标语言的单词都形成词向量输入到隐藏层中，再根据对应的编码实现从输入到输出。
   
   

二、注意力机制

1.基本概念

• 上面的Sequence to Sequence模型在各个时间步数上依赖相同的背景变量（循环神经网络的背景变量是最终时间步的隐藏状态）。由于RNN机制存在长程梯度消失的问题，随着句子长度增加，seq2seq模型的结构效果不佳。
• 另一个问题是Decoder的目标词语可能只与输入的部分词语有关而不是与所有的输入有关，在Encoder-Decoder模型中，所有输出的单词使用的语义编码C是相同的，而语义编码C是根据输入句子X的单词经过Encoder编码产生的，所以句子X的任意单词对生成最后的目标单词的影响力是相同的。而在seq2seq模型中由于RNN的结构原因，后输入的单词影响较前输入的单词的影响力大，非等权影响。
• 注意力机制(Attention)可以部分解决以上问题。注意力机制可以分配给不同单词不同的注意力大小，这意味着在生成输出单词 $y_i$时，Encoder-Decoder模型中固定的语义编码C会换成加入根据输出单词进行调整的注意力模型变化的 $C_i$。
• 注意力机制具体过程：
• 第一步计算attention scores：将当前隐藏状态 $H_i$与输入句子的每个单词对应的隐藏单元节点状态 $h_j$对比，即通过函数 $F(h_j,H_i)$获得目标单词和每个输入单词对应的可能性。（不同attention layer 的区别在于该函数的选择）
• 第二步将函数经过 $softmax$归一化，取得注意力权重。
• 最后输入值与权重相乘加权求和输出。
• 表达式： $\begin{aligned}a_i &=F_{att}(h_j,H_i)\\b_i&=softmax(a_i)\\c_i&=\sum^n_{i=1}b_ih_i\end{aligned}$
• 参考blog：https://www.jianshu.com/p/e14c6a722381
  
   

2.常见的注意力层

（1）点积注意力(dot product/multiplicative attention)

• 表达式： $f_{att}(h_i,s_j)=H_i^TW_a h_j$

（2）多层感知机注意力

• 表达式： $f_{att}(h_i,s_j)=v^Ttanh(W_kk+W_qq)$

（3）引入注意力机制的Seq2seq模型

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三、transformer

• transformer模型利用attention机制实现了并行化捕捉序列依赖，并且同时处理序列的每个位置的tokens，从而减少训练时间同时保持性能良好。
• transformer模型基于Encoder-Decoder结构，此外还将seq2seq模型的循环网络替换为transformer blocks，该模块包含一个多头注意力层(Muti-head attention)和两个基于位置的前馈网络(Position-wise FFN).
  • 基于位置的前馈网络接受一个形状为（batch_size，seq_length, feature_size）的三维张量。由两个全连接层组成，作用在最后一维上。
  • 相加归一化层（Add and norm）：多头注意力层和前馈网络的输出被送到两个“add and norm”层进行处理，该层包含残差结构以及层归一化。
  • 位置编码（Position encoding)：由于自注意力层并没有区分元素的顺序，所以一个位置编码层被用于向序列元素里添加位置信息。
     

多头注意层

• 多头注意力层包含 $h$个并行的自注意力层，每一个自注意力层是一个head，每次先计算并行的自注意力层输出，然后对这 $h$个注意力头的输出拼接后整合到一个线性层中。
• 自注意力层结构如下图：
  
• 表达式：
  每个头的输出： $o^{(i)}=f_{attention}(W_q^{(i)}q,W_k^{(i)}k,W_v^{(i)}v)$线性整合： $o=W_o[o^{(1) },\ldots,o^{(h)}]$