写在前面
谷歌研究人员通过新的BERT模型在11项NLP任务中夺得STOA结果，这在自然语言处理学界以及工业界都引起了不小的热议。作者通过在33亿文本的语料上训练语言模型，再分别在不同的下游任务上微调，这样的模型在不同的任务均得到了目前为止最好的结果，并且有一些结果相比此前的最佳成绩得到了幅度不小的提升。但是如此好的效果并不是随便突然的一个凭空出现的想法导致的，而是作者结合NLP最近几年表现优异的模型的结果。可以认为，bert的成名史为：
语言模型 ==> word embedding ==> ELMO ==> GPT ==> BERT
在BERT模型中的重点词有几个：pre-training， deep， bidirectional， Transformaer， Language understanding
哈哈哈哈，上面重点词其实就是我抄了论文题目一本正经写的。
BERT: Pre-training of Deep Bidirectional Transformers for Language Understanding
另外，本文参考自张俊林 《从Word Embedding到Bert模型—自然语言处理中的预训练技术发展史》一文及其PPT！
Pre-training in CV
预处理在bert模型中占了很重要的部分，所以先从运用pre-training最成熟经典的图像领域开始入手。
上图就展示了图像处理过程中的预训练。
我们设计好网络结构以后，对于图像来说一般是CNN的多层叠加网络结构，可以先用某个训练集合比如训练集合A或者训练集合B对这个网络进行预先训练，在A任务上或者B任务上学会网络参数，然后存起来以备后用。假设我们面临第三个任务C，网络结构采取相同的网络结构，在比较浅的几层CNN结构，网络参数初始化的时候可以加载A任务或者B任务学习好的参数，其它CNN高层参数仍然随机初始化。之后我们用C任务的训练数据来训练网络，此时有两种做法，一种是浅层加载的参数在训练C任务过程中不动，这种方法被称为“Frozen”;另外一种是底层网络参数尽管被初始化了，在C任务训练过程中仍然随着训练的进程不断改变，这种一般叫“Fine-Tuning”，顾名思义，就是更好地把参数进行调整使得更适应当前的C任务。一般图像或者视频领域要做预训练一般都这么做。
这么做有几个好处，首先，如果手头任务C的训练集合数据量较少的话，现阶段的好用的CNN比如Resnet/Densenet/Inception等网络结构层数很深，几百万上千万参数量算起步价，上亿参数的也很常见，训练数据少很难很好地训练这么复杂的网络，但是如果其中大量参数通过大的训练集合比如ImageNet预先训练好直接拿来初始化大部分网络结构参数，然后再用C任务手头比较可怜的数据量上Fine-tuning过程去调整参数让它们更适合解决C任务，那事情就好办多了。这样原先训练不了的任务就能解决了，即使手头任务训练数据也不少，加个预训练过程也能极大加快任务训练的收敛速度，所以这种预训练方式是老少皆宜的解决方案，另外疗效又好，所以在做图像处理领域很快就流行开来。
那么新的问题来了，为什么这种预训练的思路是可行的？
目前我们已经知道，对于层级的CNN结构来说，不同层级的神经元学习到了不同类型的图像特征，由底向上特征形成层级结构，如上图所示，如果我们手头是个人脸识别任务，训练好网络后，把每层神经元学习到的特征可视化肉眼看一看每层学到了啥特征，你会看到最底层的神经元学到的是线段等特征，图示的第二个隐层学到的是人脸五官的轮廓，第三层学到的是人脸的轮廓，通过三步形成了特征的层级结构，越是底层的特征越是所有不论什么领域的图像都会具备的比如边角线弧线等底层基础特征，越往上抽取出的特征越与手头任务相关。正因为此，所以预训练好的网络参数，尤其是底层的网络参数抽取出特征跟具体任务越无关，越具备任务的通用性，所以这是为何一般用底层预训练好的参数初始化新任务网络参数的原因。而高层特征跟任务关联较大，实际可以不用使用，或者采用Fine-tuning用新数据集合清洗掉高层无关的特征抽取器。
Pre-training in NLP --- Word Embedding
说到pre-training在NLP领域的使用，其实早在2003年就有提出了word embedding技术，并且一直到如今都还在被广泛使用。
Word Embedding其实一开始并不是主要目的，而是在训练语言模型任务是得到的副产品。
比如上图著名的出自Bengio大师的“神经网络语言模型”，在训练任务时得到的参数矩阵C（需要学习）其实就是每一个单词对应的word embedding值。
后来又出现了专门用于训练word embedding的模型word2vec和glove等。关于word2vec模型可以参考深度学习word2vec笔记之基础篇
那么word embedding到底和pre-training有什么关系呢？其实这就是标准的预训练过程。被广泛应用于NLP的下游任务。
假设如上图所示，我们有个NLP的下游任务，比如QA，就是问答问题，所谓问答问题，指的是给定一个问题X，给定另外一个句子Y,要判断句子Y是否是问题X的正确答案。问答问题假设设计的网络结构如上图所示。它的使用方法其实和前面讲的NNLM是一样的，句子中每个单词以Onehot形式作为输入，然后乘以学好的Word Embedding矩阵Q，就直接取出单词对应的Word Embedding了。这乍看上去好像是个查表操作，不像是预训练的做法是吧？其实不然，那个Word Embedding矩阵Q其实就是网络Onehot层到embedding层映射的网络参数矩阵。所以你看到了，使用Word Embedding等价于什么？等价于把Onehot层到embedding层的网络用预训练好的参数矩阵Q初始化了。这跟前面讲的图像领域的低层预训练过程其实是一样的，区别无非Word Embedding只能初始化第一层网络参数，再高层的参数就无能为力了。下游NLP任务在使用Word Embedding的时候也类似图像有两种做法，一种是Frozen，就是Word Embedding那层网络参数固定不动；另外一种是Fine-Tuning，就是Word Embedding这层参数使用新的训练集合训练也需要跟着训练过程更新掉。
那么，word embedding 存在什么问题呢？就是多义词问题！我们知道，多义词是自然语言中经常出现的现象，也是语言灵活性和高效性的一种体现。多义词对Word Embedding来说有什么负面影响？比如多义词Bank，有两个常用含义，但是Word Embedding在对bank这个单词进行编码的时候，是区分不开这两个含义的，因为它们尽管上下文环境中出现的单词不同，但是在用语言模型训练的时候，不论什么上下文的句子经过word2vec，都是预测相同的单词bank，而同一个单词占的是同一行的参数空间，这导致两种不同的上下文信息都会编码到相同的word embedding空间里去。所以word embedding无法区分多义词的不同语义，这就是它的一个比较严重的问题。
于是就有了ELMO。
from Word Embedding to EMLO
ELMO是“Embedding from Language Models”的简称，其实这个名字并没有反应它的本质思想，提出ELMO的论文题目：“Deep contextualized word representation”更能体现其精髓，而精髓在哪里？在deep contextualized这个短语，一个是deep，一个是context，其中context更关键。在此之前的Word Embedding本质上是个静态的方式，所谓静态指的是训练好之后每个单词的表达就固定住了，以后使用的时候，不论新句子上下文单词是什么，这个单词的Word Embedding不会跟着上下文场景的变化而改变，所以对于比如Bank这个词，它事先学好的Word Embedding中混合了几种语义 ，在应用中来了个新句子，即使从上下文中（比如句子包含money等词）明显可以看出它代表的是“银行”的含义，但是对应的Word Embedding内容也不会变，它还是混合了多种语义。这是为何说它是静态的，这也是问题所在。ELMO的本质思想是：我事先用语言模型学好一个单词的Word Embedding，此时多义词无法区分，不过这没关系。在我实际使用Word Embedding的时候，单词已经具备了特定的上下文了，这个时候我可以根据上下文单词的语义去调整单词的Word Embedding表示，这样经过调整后的Word Embedding更能表达在这个上下文中的具体含义，自然也就解决了多义词的问题了。所以ELMO本身是个根据当前上下文对Word Embedding动态调整的思路。
ELMO采用了典型的两阶段过程，第一个阶段是利用语言模型进行预训练；第二个阶段是在做下游任务时，从预训练网络中提取对应单词的网络各层的Word Embedding作为新特征补充到下游任务中。上图展示的是其预训练过程，它的网络结构采用了双层双向LSTM，目前语言模型训练的任务目标是根据单词 Wi 的上下文去正确预测单词 Wi ，Wi 之前的单词序列Context-before称为上文，之后的单词序列Context-after称为下文。图中左端的前向双层LSTM代表正方向编码器，输入的是从左到右顺序的除了预测单词外 Wi 的上文Context-before和下文Context-after；右端的逆向双层LSTM代表反方向编码器，输入的是从右到左的逆序的句子上文和下文；每个编码器的深度都是两层LSTM叠加，而每一层的正向和逆向单词编码会拼接到一起。这个网络结构其实在NLP中是很常用的。使用这个网络结构利用大量语料做语言模型任务就能预先训练好这个网络，如果训练好这个网络后，输入一个新句子 Snew ，句子中每个单词都能得到对应的三个Embedding:最底层是单词的Word Embedding，往上走是第一层双向LSTM中对应单词位置的Embedding，这层编码单词的句法信息更多一些；再往上走是第二层LSTM中对应单词位置的Embedding，这层编码单词的语义信息更多一些。也就是说，ELMO的预训练过程不仅仅学会单词的Word Embedding，还学会了一个双层双向的LSTM网络结构，而这两者后面都有用。
上面介绍的是ELMO的第一阶段：预训练阶段。那么预训练好网络结构后，如何给下游任务使用呢？上图展示了下游任务的使用过程，比如我们的下游任务仍然是QA问题，此时对于问句X，我们可以先将句子X作为预训练好的ELMO网络的输入，这样句子X中每个单词在ELMO网络中都能获得对应的三个Embedding（单词的Embedding，句法层面的Embedding，语义层面的Embedding），之后给予这三个Embedding中的每一个Embedding一个权重a，这个权重可以学习得来，根据各自权重累加求和，将三个Embedding整合成一个。然后将整合后的这个Embedding作为X句在自己任务的那个网络结构中对应单词的输入，以此作为补充的新特征给下游任务使用。对于上图所示下游任务QA中的回答句子Y来说也是如此处理。因为ELMO给下游提供的是每个单词的特征形式，所以这一类预训练的方法被称为“Feature-based Pre-Training”。至于为何这么做能够达到区分多义词的效果，你可以想一想，其实比较容易想明白原因。
前面我们提到静态Word Embedding无法解决多义词的问题，那么ELMO引入上下文动态调整单词的embedding后多义词问题解决了吗？解决了，而且比我们期待的解决得还要好。对于Glove训练出的Word Embedding来说，多义词比如play，根据它的embedding找出的最接近的其它单词大多数集中在体育领域，这很明显是因为训练数据中包含play的句子中体育领域的数量明显占优导致；而使用ELMO，根据上下文动态调整后的embedding不仅能够找出对应的“演出”的相同语义的句子，而且还可以保证找出的句子中的play对应的词性也是相同的，这是超出期待之处。之所以会这样，是因为我们上面提到过，第一层LSTM编码了很多句法信息，这在这里起到了重要作用。
ELMO经过这般操作，效果如何呢？实验效果见上图，6个NLP任务中性能都有幅度不同的提升，最高的提升达到25%左右，而且这6个任务的覆盖范围比较广，包含句子语义关系判断，分类任务，阅读理解等多个领域，这说明其适用范围是非常广的，普适性强，这是一个非常好的优点。
那么站在现在这个时间节点看，ELMO有什么值得改进的缺点呢？首先，一个非常明显的缺点在特征抽取器选择方面，ELMO使用了LSTM而不是新贵Transformer，Transformer是谷歌在17年做机器翻译任务的“Attention is all you need”的论文中提出的，引起了相当大的反响，很多研究已经证明了Transformer提取特征的能力是要远强于LSTM的。如果ELMO采取Transformer作为特征提取器，那么估计Bert的反响远不如现在的这种火爆场面。另外一点，ELMO采取双向拼接这种融合特征的能力可能比Bert一体化的融合特征方式弱，但是，这只是一种从道理推断产生的怀疑，目前并没有具体实验说明这一点。
我们如果把ELMO这种预训练方法和图像领域的预训练方法对比，发现两者模式看上去还是有很大差异的。除了以ELMO为代表的这种基于特征融合的预训练方法外，NLP里还有一种典型做法，这种做法和图像领域的方式就是看上去一致的了，一般将这种方法称为“基于Fine-tuning的模式”，而GPT就是这一模式的典型开创者。
from Word Embedding to GPT
GPT是“Generative Pre-Training”的简称，从名字看其含义是指的通用的预训练，核心在通用上。GPT也采用两阶段过程，第一个阶段是利用语言模型进行预训练，第二阶段通过Fine-tuning的模式解决下游任务。上图展示了GPT的预训练过程，其实和ELMO是类似的，主要不同在于两点：首先，特征抽取器不是用的RNN，而是用的Transformer，上面提到过它的特征抽取能力要强于RNN，这个选择很明显是很明智的(一般可以认为Transformer > RNN > CNN)；其次，GPT的预训练虽然仍然是以语言模型作为目标任务，但是采用的是单向的语言模型，所谓“单向”的含义是指：语言模型训练的任务目标是根据 Wi 单词的上下文去正确预测单词 Wi ，Wi 之前的单词序列Context-before称为上文，之后的单词序列Context-after称为下文。ELMO在做语言模型预训练的时候，预测单词 Wi 同时使用了上文和下文，而GPT则只采用Context-before这个单词的上文来进行预测，而抛开了下文。这个选择现在看不是个太好的选择，原因很简单，它没有把单词的下文融合进来，这限制了其在更多应用场景的效果，比如阅读理解这种任务，在做任务的时候是可以允许同时看到上文和下文一起做决策的。如果预训练时候不把单词的下文嵌入到Word Embedding中，是很吃亏的，白白丢掉了很多信息。
上面讲的是GPT如何进行第一阶段的预训练，那么假设预训练好了网络模型，后面下游任务怎么用？它有自己的个性，和ELMO的方式大有不同。
上图展示了GPT在第二阶段如何使用。首先，对于不同的下游任务来说，本来你可以任意设计自己的网络结构，现在不行了，你要向GPT的网络结构看齐，把任务的网络结构改造成和GPT的网络结构是一样的。然后，在做下游任务的时候，利用第一步预训练好的参数初始化GPT的网络结构，这样通过预训练学到的语言学知识就被引入到你手头的任务里来了，这是个非常好的事情。再次，你可以用手头的任务去训练这个网络，对网络参数进行Fine-tuning，使得这个网络更适合解决手头的问题。
这里引入了一个新问题：对于NLP各种花样的不同任务，怎么改造才能靠近GPT的网络结构呢？
GPT论文给了一个改造施工图如上，其实也很简单：对于分类问题，不用怎么动，加上一个起始和终结符号即可；对于句子关系判断问题，比如Entailment，两个句子中间再加个分隔符即可；对文本相似性判断问题，把两个句子顺序颠倒下做出两个输入即可，这是为了告诉模型句子顺序不重要；对于多项选择问题，则多路输入，每一路把文章和答案选项拼接作为输入即可。从上图可看出，这种改造还是很方便的，不同任务只需要在输入部分施工即可。
那么站在现在的时间节点看，GPT有什么值得改进的地方呢？其实最主要的就是那个单向语言模型，如果改造成双向的语言模型任务估计也没有Bert太多事了。当然，即使如此GPT也是非常非常好的一个工作，跟Bert比，其作者炒作能力亟待提升。
Here comes BERT
我们经过跋山涉水，终于到了目的地Bert模型了。Bert采用和GPT完全相同的两阶段模型，首先是语言模型预训练；其次是使用Fine-Tuning模式解决下游任务。和GPT的最主要不同在于在预训练阶段采用了类似ELMO的双向语言模型，当然另外一点是语言模型的数据规模要比GPT大。所以这里Bert的预训练过程不必多讲了。
第二阶段，Fine-Tuning阶段，这个阶段的做法和GPT是一样的。当然，它也面临着下游任务网络结构改造的问题，在改造任务方面Bert和GPT有些不同，下面简单介绍一下。
上图给出示例，对于句子关系类任务，很简单，和GPT类似，加上一个起始和终结符号，句子之间加个分隔符即可。对于输出来说，把第一个起始符号对应的Transformer最后一层位置上面串接一个softmax分类层即可。对于分类问题，与GPT一样，只需要增加起始和终结符号，输出部分和句子关系判断任务类似改造；对于序列标注问题，输入部分和单句分类是一样的，只需要输出部分Transformer最后一层每个单词对应位置都进行分类即可。尽管Bert论文没有提，但是稍微动动脑子就可以想到，其实对于机器翻译或者文本摘要，聊天机器人这种生成式任务，同样可以稍作改造即可引入Bert的预训练成果。只需要附着在S2S结构上，encoder部分是个深度Transformer结构，decoder部分也是个深度Transformer结构。根据任务选择不同的预训练数据初始化encoder和decoder即可。这是相当直观的一种改造方法。当然，也可以更简单一点，比如直接在单个Transformer结构上加装隐层产生输出也是可以的。不论如何，从这里可以看出，NLP四大类任务都可以比较方便地改造成Bert能够接受的方式。这其实是Bert的非常大的优点，这意味着它几乎可以做任何NLP的下游任务，具备普适性，这是很强的。
到这里我们可以再梳理下几个模型之间的演进关系。从上图可见，Bert其实和ELMO及GPT存在千丝万缕的关系，比如如果我们把GPT预训练阶段换成双向语言模型，那么就得到了Bert；而如果我们把ELMO的特征抽取器换成Transformer，那么我们也会得到Bert。所以你可以看出：Bert最关键两点，一点是特征抽取器采用Transformer；第二点是预训练的时候采用双向语言模型。
那么新问题来了：对于Transformer来说，怎么才能在这个结构上做双向语言模型任务呢？乍一看上去好像不太好搞。作者们提出了一个叫Masked语言模型来解决这个问题，其实这跟word2vec中的CBOW模型思想很类似，它的核心思想是：在做语言模型任务的时候，我把要预测的单词抠掉，然后根据它的上文Context-Before和下文Context-after去预测单词。
Masked双向语言模型向上图展示这么做：随机选择语料中15%的单词，把它抠掉，也就是用[Mask]掩码代替原始单词，然后要求模型去正确预测被抠掉的单词。但是这里有个问题：训练过程大量看到[mask]标记，但是真正后面用的时候是不会有这个标记的，这会引导模型认为输出是针对[mask]这个标记的，但是实际使用又见不到这个标记，这自然会有问题。为了避免这个问题，Bert改造了一下，15%的被上天选中要执行[mask]替身这项光荣任务的单词中，只有80%真正被替换成[mask]标记，10%被狸猫换太子随机替换成另外一个单词，10%情况这个单词还待在原地不做改动。这就是Masked双向语音模型的具体做法。
Bert还有一个创新点叫做 Next Sentence Prediction。指的是做语言模型预训练的时候，分两种情况选择两个句子，一种是选择语料中真正顺序相连的两个句子；另外一种是第二个句子从语料库中抛色子，随机选择一个拼到第一个句子后面。我们要求模型除了做上述的Masked语言模型任务外，附带再做个句子关系预测，判断第二个句子是不是真的是第一个句子的后续句子。之所以这么做，是考虑到很多NLP任务是句子关系判断任务，单词预测粒度的训练到不了句子关系这个层级，增加这个任务有助于下游句子关系判断任务。所以可以看到，它的预训练是个多任务过程。这也是Bert的一个创新。
顺带讲解下Bert的输入部分，也算是有些特色。它的输入部分是个线性序列，两个句子通过分隔符分割，最前面和最后增加两个标识符号。每个单词有三个embedding:位置信息embedding，这是因为NLP中单词顺序是很重要的特征，需要在这里对位置信息进行编码；单词embedding,这个就是我们之前一直提到的单词embedding；第三个是句子embedding，因为前面提到训练数据都是由两个句子构成的，那么每个句子有个句子整体的embedding项对应给每个单词。把单词对应的三个embedding叠加，就形成了Bert的输入。
至于Bert在预训练的输出部分如何组织，可以参考下图的注释。
Summary
最后，我讲讲我对Bert的评价和看法，我觉得Bert是NLP里里程碑式的工作，对于后面NLP的研究和工业应用会产生长久的影响，这点毫无疑问。但是从上文介绍也可以看出，从模型或者方法角度看，Bert借鉴了ELMO，GPT及CBOW，主要提出了Masked 语言模型及Next Sentence Prediction，但是这里Next Sentence Prediction基本不影响大局，而Masked LM明显借鉴了CBOW的思想。所以说Bert的模型没什么大的创新，更像最近几年NLP重要进展的集大成者。如果归纳一下这些进展就是：首先是两阶段模型，第一阶段双向语言模型预训练，这里注意要用双向而不是单向，第二阶段采用具体任务Fine-tuning或者做特征集成；第二是特征抽取要用Transformer作为特征提取器而不是RNN或者CNN；第三，双向语言模型可以采取CBOW的方法去做（当然我觉得这个是个细节问题，不算太关键，前两个因素比较关键）。Bert最大的亮点在于效果好及普适性强，几乎所有NLP任务都可以套用Bert这种两阶段解决思路，而且效果应该会有明显提升。可以预见的是，未来一段时间在NLP应用领域，Transformer将占据主导地位，而且这种两阶段预训练方法也会主导各种应用。
另外，我们应该弄清楚预训练这个过程本质上是在做什么事情，本质上预训练是通过设计好一个网络结构来做语言模型任务，然后把大量甚至是无穷尽的无标注的自然语言文本利用起来，预训练任务把大量语言学知识抽取出来编码到网络结构中，当手头任务带有标注信息的数据有限时，这些先验的语言学特征当然会对手头任务有极大的特征补充作用，因为当数据有限的时候，很多语言学现象是覆盖不到的，泛化能力就弱，集成尽量通用的语言学知识自然会加强模型的泛化能力。如何引入先验的语言学知识其实一直是NLP尤其是深度学习场景下的NLP的主要目标之一，不过一直没有太好的解决办法，而ELMO/GPT/Bert的这种两阶段模式看起来无疑是解决这个问题自然又简洁的方法，这也是这些方法的主要价值所在。