初探attention—attention原理和代码详解

attention

在正式开始探索attention之前，首先了解一下seq2seq。循环神经网络只能将一个序列信号转换为定长输出，但Seq2Seq可以实现一个序列信号转化成一个不定长的序列输出，因此seq2seq模型应用广泛，可以应用于很多不对等输入输出的场景，比如机器翻译，文本摘要，对话生成，诗词生成，代码补全等领域，当然也可以用于文本分类等任务。

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seq2seq

Seq2Seq不特指具体方法，只要满足输入序列到输出序列的目的，都可以统称为Seq2Seq模型。如下图所示就是一个seq2seq模型。

seq2seq是sequence to sequence的缩写。前一个sequence称为编码器encoder，用于接收源序列。后一个sequence称为解码器decoder，用于输出预测的目标序列。

Seq2Seq模型的主要瓶颈是需要将源序列的全部内容压缩为固定大小的矢量。如果文本稍长，则很容易丢失文本的某些信息。

attention的提出

在seq2seq方法中，seq2seq中间语义向量最简单的方式是用encoder最后一层最后一个时间步的隐状态向量$h_T$，作为中间语义向量C，或者通过激活函数变换到某个维度：

$C=q(h_1，h_2，...，h_T)$

这样，seq2seq无论输入长度和输出长度是多少，中间的语义编码C的长度是固定的，在文本长度较长时，会丢失很多信息。

另外，解码器从语义编码C到输出的过程，可以由下式表示：

$$\begin{gathered} Y_1=f(C) \\ {Y}_2=f(C，Y_1) \\ {Y}_3=f(C，Y_1，Y_2) \end{gathered}$$

根据上式，显而易见，语义编码C这个向量的各个维度的信息对输出结果的影响力是相同的。

实际情况中，针对当前输出结果，语义编码C中的各个维度应该表现出不同的影响力。比如i have a dog，在翻译小狗的时候，dog这个词向量的影响力应该大于其他单词向量的影响力。基于这种思想，attention被提出来。

Attention，正如其名，针对语义编码C增加注意力机制。首先利用编码器得到encoder中的hidden state，编码器可以是RNN，LSTM及其变种，或者GRU。该模型在decode阶段，会在中间语义向量中选择最适合当前节点的上下文向量作为输入。

attention与传统的seq2seq的区别

encoder可以提供更多的数据给decoder，encoder会把所有的节点的hidden state提供给decoder，而不仅仅只是encoder最后一个节点的hidden state。

decoder并不是直接把所有encoder提供的hidden state全部作为输入，而是采取一种权重赋予机制，给不同的hidden state赋予不同的选择权重。

以上两点是attention与传统seq2seq的主要区别。权重的获取方式代表不同的attention模型。最简单最常用的是dot product乘积矩阵，即将解码器的输出隐状态与中间语义编码进行矩阵相乘获得权重。

attention详细步骤拆解

附一张通俗易懂的图：

attention处理步骤主要有以下几步：

1. 把encoder每一个节点的hidden states的值与decoder当前节点的上一个节点的隐状态$h_{t-1}$相乘（如果是第一个decoder节点，需要初始化一个hidden state)。

这样会获得time_steps个值，这些值就是语义编码C每个hidden state的分数，也就是权重分数。在不同的decoder时间步，由于decoder上一个节点的$h_{t-1}$是不断变化的，因而这个权重向量也是不同的；

2. 归一化。把 2. 中的分数值进行softmax计算，计算之后的值就是每一个encoder节点的hidden states对于当前decoder时间步的权重。

3. 把权重与语义编码C中的hidden states相乘并相加，得到的结果即是当前decoder时间步的上下文向
   量。

4. 将上下文向量和decoder的上一时刻的隐层状态输入decoder网络，得到当前时刻的输出。

5. decoder开始下一节点，并重复1-5；直到输出所有的结果。

抛开encoder-decoder，Attention机制其实就是注意力系数分配的过程。常见各种技术文章谈到的K，V，Q，看起来玄乎其玄，其实万变不离其宗，其原理就是上述的权重分配的过程。

可以将中间语义向量C想象成一个<K，V>对，也就是键值对。而Q是输出的某个元素。我们首先利用Q计算与K的相关性，得到key对应value的权重，然后利用权重对value加权求和，得到最终的attention值。这个过程可以分解为三个阶段：

• Q与K进行相似度计算，获得权值
• 对权值归一化
• 利用归一化的权值与value进行加权求和，得到输出值。

上述中K与V其实是相同的，不同的是Q

attention实现及讲解

首先看代码，为了对代码有一个清晰的了解，只保留了部分代码。源代码仓库：点击这里

import os
from tensorflow.keras import backend as K
from tensorflow.keras.layers import Dense， Lambda， Dot， Activation， Concatenate， Layer


class Attention(object if debug_flag else Layer):

    def __init__(self， units=128， **kwargs):
        super(Attention， self).__init__(**kwargs)
        self.units = units

    def build(self， input_shape):
        input_dim = int(input_shape[-1])
        with K.name_scope(self.name if not debug_flag else 'attention'):
            self.attention_score_vec = Dense(input_dim， use_bias=False， name='attention_score_vec')
            self.h_t = Lambda(lambda x: x[:， -1， :]， output_shape=(input_dim，)， name='last_hidden_state')
            self.attention_score = Dot(axes=[1， 2]， name='attention_score')
            self.attention_weight = Activation('softmax'， name='attention_weight')
            self.context_vector = Dot(axes=[1， 1]， name='context_vector')
            self.attention_output = Concatenate(name='attention_output')
            self.attention_vector = Dense(self.units， use_bias=False， activation='tanh'， name='attention_vector')
    # noinspection PyUnusedLocal
    def call(self， inputs， training=None， **kwargs):
        """
        Many-to-one attention mechanism for Keras.
        @param inputs: 3D tensor with shape (batch_size， time_steps， input_dim).
        @param training: not used in this layer.
        @return: 2D tensor with shape (batch_size， units)
        @author: felixhao28， philipperemy.
        """
        if debug_flag:
            self.build(inputs.shape)
        # 第一步
        score_first_part = self.attention_score_vec(inputs)  
        # 第二步
        h_t = self.h_t(inputs) 
        # 第三步
        score = self.attention_score([h_t， score_first_part])
        # 第四步
        attention_weights = self.attention_weight(score) 
        # 第五步
        context_vector = self.context_vector([inputs， attention_weights])
        # 第六步
        pre_activation = self.attention_output([context_vector， h_t])
        attention_vector = self.attention_vector(pre_activation)

        return attention_vector

这个版本的attention的计算步骤为：

第一步：将隐状态序列进行一次线性变换，隐状态的shape为：(batch_size， time_steps， hidden_size)，权重W的维度为(hidden_size， hidden_size)，二者相乘得到的shape为：(batch_size， time_steps， hidden_size)。为什么要加线性变换？

第二步：获取decoder的初始节点的上一时刻隐状态变量$h_{t-1}$，此处直接使用encoder隐状态序列的最后一个隐状态$h_t^{encoder}$。

第三步：获取当前节点的权重分数，通过使$h_{t-1}^{decoder}$ dot score_first_part。经过线性变换的隐状态序列的shape为：(batch_size， time_steps， hidden_size) ，$h_{t-1}^{decoder}$的shape为：(batch_size， hidden_size)，输出结果的shape为：(batch_size， time_steps)。

第四步：利用softmax归一化权重分数

第五步：利用权重和输入的隐状态序列获得attention的当前节点输入。encoder输出的隐状态序列shape为：(batch_size， time_steps， hidden_size)，权重shape为：(batch_size， time_steps)，二者相乘获得的结果shape为： (batch_size， hidden_size)，此结果作为输入送进decoder网络，假设此结果变量名为context_vector。

第六步：利用$h_{t-1}$和context_vector，推理出当前时刻的输出，最后经过全连接层获得此节点的最终输出。

使用attention

那么如何使用attention呢，作者也给出了详细的例程：

import numpy as np
from tensorflow.keras import Input
from tensorflow.keras.layers import Dense， LSTM
from tensorflow.keras.models import load_model， Model

from attention import Attention

def fun():
    model_input = Input(shape=(time_steps， input_dim))
    x = LSTM(64， return_sequences=True)(model_input)
    x = Attention(units=32)(x) # 这里用到attention
    x = Dense(1)(x)
    model = Model(model_input， x)
    model.compile(loss='mae'， optimizer='adam')
    model.summary()

attention暂时到这~

参考：

https://imzhanghao.com/2021/09/01/attention-mechanism/

https://arxiv.org/abs/1409.0473

https://arxiv.org/abs/1508.04025