1. 动机
比如翻译“hello”的法语，就是把“hello”这一个词的最后一层的RNN的输出的context，再加上法语的embedding进行concat，但seq2seq模型不能对此直接建模，需要采用attention来实现
2. 加入注意力
-
key和value是一样的
- 假设英语句子长为3的话，就会有3个key-value pair，key和vlaue是一个东西，每一个key-value pair对应第i个词的RNN的输出。
- 之前的seq2seq只使用了最后的key-value，现在则是把所有的key-value都考虑到
-
解码器RNN对上一个词的输出是query
- 比如说上一次的预测是“hello”的话（也就是得到了法语的“你好”），那么接下来是要去翻译下一个词，就要用现在这个翻译出来的词去找到对应的英语的“hello”，然后把附近的词考虑进来
- 用编码器建立索引，用解码器来定位关注点
- 或者说：预测完hello，然后拿hello的输出（法语的“你好”）去attention中寻找hello单词周围区域的key-value加权输入。
3. 总结
- seq2seq中通过隐状态在编码器和解码器中传递信息
- 注意力机制可以根据解码器RNN的输出来匹配到合适的编码器RNN的输出来更有效地传递信息
4. 代码实现
一个带有Bahdanau注意力的循环神经网络编码器-解码器模型 :
import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l
4.1 定义注意力解码器
下面看看如何定义Bahdanau注意力，实现循环神经网络编码器-解码器。 其实，我们只需重新定义解码器即可。 为了更方便地显示学习的注意力权重， 以下AttentionDecoder类定义了带有注意力机制解码器的基本接口。
class AttentionDecoder(d2l.Decoder):
"""带有注意力机制解码器的基本接口"""
def __init__(self, **kwargs):
super(AttentionDecoder, self).__init__(**kwargs)
@property
def attention_weights(self):
raise NotImplementedError
接下来，让我们在接下来的Seq2SeqAttentionDecoder类中 实现带有Bahdanau注意力的循环神经网络解码器。 首先，初始化解码器的状态，需要下面的输入：
- 编码器在所有时间步的最终层隐状态，将作为注意力的键和值；
- 上一时间步的编码器全层隐状态，将作为初始化解码器的隐状态；
- 编码器有效长度（排除在注意力池中填充词元）。
在每个解码时间步骤中，解码器上一个时间步的最终层隐状态将用作查询。 因此，注意力输出和输入嵌入都连结为循环神经网络解码器的输入。
# encoder不用发生改变，因为attention只作用在docoder上面，
# 所以encoder可以直接用seq2seqencoder
# 但是decoder需要改成 Seq2SeqAttentionDecoder
class Seq2SeqAttentionDecoder(AttentionDecoder):
def __init__(self, vocab_size, embed_size, num_hiddens, num_layers,
dropout=0, **kwargs):
super(Seq2SeqAttentionDecoder, self).__init__(**kwargs)
# 和之前的seq2seq不一样的是，加入了attention
# 在这里，key，value，query的长度都是num_hiddens（h）
# 这里使用来加性attention，当然也能用点乘attention
self.attention = d2l.AdditiveAttention(
num_hiddens, num_hiddens, num_hiddens, dropout)
# 下面这三行代码和之前seq2seq一样
self.embedding = nn.Embedding(vocab_size, embed_size)
self.rnn = nn.GRU(
embed_size + num_hiddens, num_hiddens, num_layers,
dropout=dropout)
self.dense = nn.Linear(num_hiddens, vocab_size)
# 函数init_state和之前的seq2seq很类似，只是多了enc_valid_lens
# enc_valid_lens：encoder中序列的有效长度
def init_state(self, enc_outputs, enc_valid_lens, *args):
# output的形状:(num_steps,batch_size,num_hiddens)
# state的形状:(num_layers,batch_size,num_hiddens)
outputs, hidden_state = enc_outputs
# output 经过permute之后形状变成(batch_size，num_steps，num_hiddens)
return (outputs.permute(1, 0, 2), hidden_state, enc_valid_lens)
def forward(self, X, state):
enc_outputs, hidden_state, enc_valid_lens = state
# 输出X的形状为(num_steps,batch_size,embed_size)
X = self.embedding(X).permute(1, 0, 2)
outputs, self._attention_weights = [], []
for x in X: # x的形状是（batch_size,embed_size)
# query的形状为(batch_size,1,num_hiddens)
# 加上的1是：number of query，也就是num_step，是因为只拿这一个词
# hidden_state是上一个时刻每层RNN的最右边hn这一输出，最一开始是来自于encoder
# [-1]则表示上一个时刻最后一层RNN的输出
# hidden_state[-1]的形状是（batch_size,num_hiddens)
query = torch.unsqueeze(hidden_state[-1], dim=1)
# context的形状为(batch_size,1,num_hiddens)
# query 是上一个时刻最后一层RNN的输出
# enc_outputs是key和value，形状为(batch_size，num_steps，num_hiddens)
# enc_valid_lens是长为batch_size的向量，其中第i个元素表示：
# 第i个样本（也就是第i个英文句子）的原始长度（有效长度），而不是pad之后的长度
# 所以，也就是对每个英文句子的原始长度做attention，其余pad的不管
context = self.attention(
query, enc_outputs, enc_outputs, enc_valid_lens)
# query是在不断变的，key-value就是原句子的每一个对应的输出，是不变的，
# 所以context每次都重新算
# 在特征维度上连结
# dim=-1：在最后一个维度concat起来
# x在dim=1上扩展维度，形状变成（batch_size,1，embed_size)
# context的形状为(batch_size,1,num_hiddens)，和x在最后一个维度concat之后，
# 得到的x的形状是(batch_size,1,embed_size+num_hiddens)
x = torch.cat((context, torch.unsqueeze(x, dim=1)), dim=-1)
# x经过permute之后的形状是(1,batch_size,embed_size+num_hiddens)，
# num_step：1，因为是一个一个单词翻译
# 以下的代码会返回新的hidden_state，这个新的hidden_state会进入下一次循环
out, hidden_state = self.rnn(x.permute(1, 0, 2), hidden_state)
outputs.append(out)
# 每次都把attention_weights存起来，当然在这里只是为了可视化
self._attention_weights.append(self.attention.attention_weights)
# 全连接层变换后，outputs的形状为
# (num_steps,batch_size,vocab_size)
outputs = self.dense(torch.cat(outputs, dim=0))
return outputs.permute(1, 0, 2), [enc_outputs, hidden_state,
enc_valid_lens]
@property
def attention_weights(self):
return self._attention_weights
接下来，使用包含7个时间步的4个序列输入的小批量测试Bahdanau注意力解码器。
encoder = d2l.Seq2SeqEncoder(vocab_size=10, embed_size=8, num_hiddens=16,
num_layers=2)
encoder.eval()
decoder = Seq2SeqAttentionDecoder(vocab_size=10, embed_size=8, num_hiddens=16,
num_layers=2)
decoder.eval()
X = torch.zeros((4, 7), dtype=torch.long) # (batch_size,num_steps)
state = decoder.init_state(encoder(X), None)
output, state = decoder(X, state)
output.shape, len(state), state[0].shape, len(state[1]), state[1][0].shape
运行结果：
4.2 训练
与seq2seq_training类似， 我们在这里指定超参数，实例化一个带有Bahdanau注意力的编码器和解码器， 并对这个模型进行机器翻译训练。 由于新增的注意力机制，训练要比没有注意力机制的 seq2seq_training慢得多。
embed_size, num_hiddens, num_layers, dropout = 32, 32, 2, 0.1
batch_size, num_steps = 64, 10
lr, num_epochs, device = 0.005, 250, d2l.try_gpu()
train_iter, src_vocab, tgt_vocab = d2l.load_data_nmt(batch_size, num_steps)
encoder = d2l.Seq2SeqEncoder(
len(src_vocab), embed_size, num_hiddens, num_layers, dropout)
decoder = Seq2SeqAttentionDecoder(
len(tgt_vocab), embed_size, num_hiddens, num_layers, dropout)
net = d2l.EncoderDecoder(encoder, decoder)
d2l.train_seq2seq(net, train_iter, lr, num_epochs, tgt_vocab, device)
运行结果：
模型训练后，我们用它将几个英语句子翻译成法语并计算它们的BLEU分数。
engs = ['go .', "i lost .", 'he\'s calm .', 'i\'m home .']
fras = ['va !', 'j\'ai perdu .', 'il est calme .', 'je suis chez moi .']
for eng, fra in zip(engs, fras):
translation, dec_attention_weight_seq = d2l.predict_seq2seq(
net, eng, src_vocab, tgt_vocab, num_steps, device, True)
print(f'{
eng} => {
translation}, ',
f'bleu {
d2l.bleu(translation, fra, k=2):.3f}')
运行结果：
attention_weights = torch.cat([step[0][0][0] for step in dec_attention_weight_seq], 0).reshape((
1, 1, -1, num_steps))
训练结束后，下面通过可视化注意力权重 会发现，每个查询都会在键值对上分配不同的权重，这说明 在每个解码步中，输入序列的不同部分被选择性地聚集在注意力池中。
# 加上一个包含序列结束词元
d2l.show_heatmaps(
attention_weights[:, :, :, :len(engs[-1].split()) + 1].cpu(),
xlabel='Key positions', ylabel='Query positions')
运行结果：
