Pytorch实战笔记(2)——CNN实现情感分析

本文展示的是使用 Pytorch 构建一个 TextCNN 来实现情感分析。本文的架构是第一章详细介绍 TextCNN（不带公式版），第二章是核心代码部分。

1. TextCNN

相较于 LSTM 而言，我个人其实是没看过 CNN 的任何公式的，主要是我觉得也没必要，因为从使用的角度上讲，会用就行；从 CNN 的角度上讲，你只需要知道 CNN 提取的是一种聚合关系就行（与 GNN 不同的是，CNN 提取的是欧式数据的聚合关系，GNN 提取的是非欧数据的聚合关系）。

TextCNN [1] 的模型图如下图所示。其中一共包含了有 3 个模块：卷积层，最大池化层，和输出层。

在原论文中，作者采用了多个通道来提取不同词嵌入的特征，然而如果只有一种词嵌入输入的话，可以参考下面这篇论文[2]中的模型图：

我们现在就以上图作为例子，详细介绍下 TextCNN（仅有一种词嵌入输入时）的具体流程（放心，没有任何公式）：

1. 首先是输入，TextCNN 的输入是词嵌入，设序列长度为 $s$（在图中为$s=7$），设嵌入维度为 $d$（在图中 $d=5$）。
2. 接着 TextCNN 会经过一次二维卷积。首先是卷积核，从图中可以看到，一共有三个卷积核，大小分别为 $(4\times 5)$，$(3\times 5)$，$(2\times 5)$。先从卷积核的第二维开始说，我们发现卷积核的第二维都是 5，这个尺寸大小与嵌入维度 $d$ 相同，就是说对于 TextCNN 而言，一次卷积要囊括所有词嵌入，这个也很好理解，因为只有 $d$ 才能够代表整个词语。而对于第一维，分别为 4、3、2，这个就指的是，一次卷积考虑几个词语的依赖关系。假设卷积核大小为 $(4\times 5)$，那么就说明该卷积核一次聚合 4 个词语的依赖关系。(注：图中从左到右第二个区域是卷积核，第三个区域才是卷积后的输出)
3. 然后从图上可以发现，该图中每个卷积核共有 2 个滤波器（filter），所以一共有 2 个 $(4\times 5)$ 的卷积核、2 个 $(3\times 5)$ 的卷积核、2 个 $(2\times 5)$ 的卷积核。这里就是说，我们用不同数量的滤波器来捕获这个区间内不同的特征，以 $(4\times 5)$ 的卷积核举例，我们用滤波器 A 来捕获这4个词语之间的 A 特征，用滤波器 B 来捕获这4个词语之间的 B 特征。
4. 卷积之后是一次一维最大池化操作。该过程提取卷积后的向量中的最大值，作为该滤波器的特征。
5. 最后将所有滤波器通过最大池化后得到的特征拼接在一起，放到分类器中进行输出。

通过上述的解释，我们可以发现，TextCNN 是通过卷积核的尺寸，来控制模型捕获多少个词语之间的上下文关系。

2. TextCNN 实现情感分析

• 全部代码在 github 上，网址为：https://github.com/Balding-Lee/Pytorch4NLP
• 我采用的是 IMDb 数据集，由于数据集没有验证集，而且读取起来很麻烦，所以我将数据给读取出来，放到了一个文件中，并且将训练集中的10%划分为了验证集，数据集链接如下： https://pan.baidu.com/s/128EYenTiEirEn0StR9slqw，提取码：xtu3 。
• 采用的词嵌入是谷歌的词嵌入，词嵌入的链接如下：链接：https://pan.baidu.com/s/1SPf8hmJCHF-kdV6vWLEbrQ，提取码：r5vx
  在本博客中仅介绍模型部分，详细代码见 github。

具体的模型代码如下：

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F


class Config:
    def __init__(self):
        # 训练配置
        self.seed = 22
        self.batch_size = 64
        self.lr = 1e-3
        self.weight_decay = 1e-4
        self.num_epochs = 100
        self.early_stop = 512
        self.max_seq_length = 128
        self.save_path = '../model_parameters/CNN_SA.bin'

        # 模型配置
        self.filter_sizes = (3, 4, 5)
        self.num_filters = 100
        self.dense_hidden_size = 128
        self.dropout = 0.5
        self.embed_size = 300
        self.num_outputs = 2


class Model(nn.Module):
    def __init__(self, embed, config):
        super().__init__()
        self.embedding = nn.Embedding.from_pretrained(embed, freeze=False)
        self.convs = nn.ModuleList(
            [nn.Conv2d(1, config.num_filters, (k, config.embed_size)) for k in config.filter_sizes])
        self.dropout = nn.Dropout(config.dropout)
        self.relu = nn.ReLU()
        self.ffn = nn.Linear(config.num_filters * len(config.filter_sizes), config.dense_hidden_size)
        self.classifier = nn.Linear(config.dense_hidden_size, config.num_outputs)

    def max_pooling(self, x):
        x = F.max_pool1d(x, x.size(2)).squeeze(2)
        return x

    def forward(self, inputs):
        # shape: (batch_size, max_seq_length, embed_size)
        embed = self.embedding(inputs)

        # CNN 接受四维数据输入,
        # 第一维: batch,
        # 第二维: 通道数 (Channel), 在图像中指的是 RGB 这样的通道, 在自然语言里面指的是多少种词嵌入, 本项目中仅采用一种词嵌入, 所以就是 1 通道
        # 第三维: 高度 (Height), 在图像中指的是图片的高, 在自然语言里面就是序列长度
        # 第四维: 宽度 (Weight), 在图像中指的是图片的宽, 在自然语言里面就是嵌入维度
        # shape: (batch_size, 1, max_seq_length, embed_size)
        embed = embed.unsqueeze(1)

        cnn_outputs = []
        for conv in self.convs:
            # shape: (batch_size, filter_size, max_seq_length - kernel_size + 1, 1)
            conv_output = conv(embed)
            # shape: (batch_size, filter_size, max_seq_length - kernel_size + 1, 1)
            relu_output = self.relu(conv_output)
            # shape: (batch_size, filter_size, max_seq_length - kernel_size + 1, 1)
            relu_output = relu_output.squeeze(3)
            # shape: (batch_size, filter_size)
            pooling_output = self.max_pooling(relu_output)
            cnn_outputs.append(pooling_output)

        # shape: (batch, num_filters * len(num_filters))
        cnn_outputs = torch.cat(cnn_outputs, 1)
        cnn_outputs = self.dropout(cnn_outputs)
        # shape: (batch, dense_hidden_size)
        ffn_output = self.relu(self.ffn(cnn_outputs))
        # shape: (batch, num_outputs)
        logits = self.classifier(ffn_output)

        return logits

在该代码中，我才用的卷积核尺寸是 $(3\times embed\_size)$、$(4\times embed\_size)$、$(5\times embed\_size)$，每个卷积核共有100个滤波器。同时，分类器一共有两层，一层的尺寸大小为 $(num\_filters\times \mathrm{len}(num\_filters),dense\_hidden\_size)$，一层的尺寸大小为 $(dense\_hidden\_size,num\_outputs)$。

实验结果如下：

test loss 0.367522 | test accuracy 0.833840 | test precision 0.822838 | test recall 0.850880 | test F1 0.836624

参考

[1] Yoon Kim. Convolutional Neural Networks for Sentence Classification [EB/OL]. https://arxiv.org/pdf/1408.5882.pdf, 2014.
[2] Ye Zhang, Byron C. Wallace. A Sensitivity Analysis of (and Practitioners’ Guide to) Convolutional Neural Networks for Sentence Classification [EB/OL]. https://arxiv.org/pdf/1510.03820.pdf, 2015.