NLP与深度学习（三）Seq2Seq模型与Attention机制

1. Attention与Transformer模型

Attention机制与Transformer模型，以及基于Transformer模型的预训练模型BERT的出现，对NLP领域产生了变革性提升。现在在大型NLP任务、比赛中，基本很少能见到RNN的影子了。大部分是BERT（或是其各种变体，或者还加上TextCNN）做特征提取（feature extraction）或是微调（fine-tune），结合最后的全连接层+softmax/sigmoid，完成各类NLP任务。

这章主要介绍Transformer模型的基础：Attention机制。在介绍Attention机制前，有必要介绍一下Seq2Seq（Sequence to Sequence）模型，它是这一切的基础。

2. Seq2Seq模型

Seq2Seq（Sequence to Sequence）模型是一个多对多的模型，最早由Bengio于2014年的论文^[1]提出。当时仍是RNN的时代，还未出现Attention。所以我们在介绍时Seq2Seq时也会以RNN为基础。SeqSeq最常见的应用是在机器翻译，例如输入一句英文，翻译出一句德文，这两者的输入输出长度都不是固定的，而Seq2Seq便适用于这种输入输出长度不固定的场景。

Seq2Seq模型包含2个部分：Encoder和Decoder。以机器翻译（英语翻译为德语）为例，Seq2Seq模型如下图所示：

Fig. 1. ShusenWang. Neural Machine Translation

左边部分称为Encoder（编码器），可以是任意RNN，例如上一章介绍过的LSTM。假设有一序列长度为m的英语句子，输入到Encoder（例如LSTM），在经过时间步t后，输出最终状态state h_m（或者同时也输出LSTM的传输带向量C_m）。此时h_m便包含了这整句英语句子的信息。

右边部分称为Decoder（解码器），也可以是任意RNN，例如LSTM。Encoder的输出状态h_m，作为初始状态h₀输入到Decoder中。Decoder的第一个输入是一个标识单词，例如[start]，代表翻译起始，除此之外不代表任何含义。有了初始状态h₀和第一个输入[start]，Decoder中的RNN（例如LSTM）即可进行计算生成第一个输出状态s₁。在机器翻译中，s₁会输入到一个softmax中，然后输出预测的德语单词z₁。然后z₁会作为下一时间步t₂的输入，同时s₁也会作为下一时间步t₂的输入状态，计算得出时间步t₂的状态s₂，以及s₂输入softmax后预测的单词z₂。迭代这个过程，直到输出一个终止标识单词，例如[end]，此标识单词与[start]一样，仅代表翻译终止，除此之外不代表任何含义。

在训练一个Seq2Seq时，仍以机器翻译为例（英语翻译为德语）。Encoder仍是输入英语句子sequence，得到状态h_m（或者同时也输出LSTM的传输带向量C_m），输入到Decoder中。Decoder第一个输入为[start]，输入的状态为h_m，计算s₁，然后得到预测值z₁。在测试集中，label对应的是一句德语句子Sequence。此时，对比第1个预测值z₁与德语句子Sequence的第1个单词的差异（使用CrossEntropy(y₁, z₁)），得到loss。然后反向传播更新权重参数。然后继续计算第2个时间步t₂的s₂与z₂，并对比第2个预测值z₂与德语句子Sequence的第2个单词的差异，得到loss并反向传播更新参数。迭代此过程即可。

在Encoder部分中，若是输入序列比较长，则会容易忘记最开始的内容。此时一个优化的方法就是对Encoder使用双向RNN（例如双向LSTM），这样可以提高Encoder所携带的信息。不过Decoder必须是单向的。

另一方面，可以使用同一个Encoder训练多个Decoder，这个称为多任务学习。例如，输入英语，将其翻译为多个其他语言。这样Encoder的训练数据就多了几倍，可以将Encoder训练的更好。虽然其中任一Decoder的训练数据没有增加，但仍能增强翻译的效果，因为Encoder的效果得到了提升。

Seq2Seq模型的结构非常简单，其实就是2个RNN模型串起来。Encoder部分处理输入，并将所有输入信息保存在一个状态向量h中，输入到Decoder中进行各类任务。前面提到，最开始Seq2Seq提出时，主要基于的还是RNN。不过在2015年，随着Attention问世后，极大提升了Seq2Seq模型的效果，达到了超出了传统RNN的性能。下面我们介绍Attention机制。

3. Attention

Attention的论文于2015年发表，用于改进Seq2Seq模型。上面我们也提到过原始Seq2Seq模型存在的问题，那就是：处理长序列的能力有限。因为Encoder中仅有最后一个时间步的状态h_m，作为context向量输入到Decoder中。若是输入序列比较长，则会容易忘记sequence位置靠前的输入。虽然前面提到的双向LSTM作为Encoder可以在一定程度上缓解此问题，但仍未根本解决此问题。所以RNN-Based Seq2Seq仅适合于短序列（序列长度 < 20）。

Attention机制便是为了直接解决此问题而提出。使用了Attention后，在Decoding的过程中，它不会仅使用Encoder最终输出的单个状态h_m，而是会使用到所有输入序列的hidden states。并且Attention还会告知Decoder，应该关注Encoder中哪个状态。Attention可以大幅提高Seq2Seq模型的准确率，但是代价是计算量非常大。

简单地来说，Attention在Seq2Seq模型中的计算分为以下几步：

Encoder计算产生每个时间步的Hidden State。例如输入是x = [x₁, x₂, …, x_m]，对应每个时间步的输出为向量h = [h₁, h₂, …, h_m]。在原始Seq2Seq模型中，仅有最后一个状态h_m会被保留，但是在Attention + Seq2Seq中，每个中间状态h_i都会保留。
此时Decoder的第一个输入状态为s₀，计算s₀与每个[h₁, h₂, …, h_m]的Alignment Score（它可以理解为s₀与每个h_i的相关性得分，这个Alignment Score 有多种计算的方法，稍后会介绍），得到向量a = [a₁, a₂, …, a_m]。
对Alignment Score（也就是向量a）做softmax处理，此时向量a的所有元素被压缩到[0, 1] 的范围内，且所有元素相加的和为1（也就是说，每个元素代表1个比例值）。
将向量a与h做内积得到Context Vector（上下文向量）c₀ = a₁ * h₁ + a₂ * h₂ +, …, + a_m * h_m。
Context向量c₀与Decoder的输入状态向量s₀，以及Decoder当前时间步t₀的输入x’₀做拼接（concatenate）操作，得到 [c₀, s₀, x’₀]，输入到Decoder中，得到Decoder的下一个时间步t₁的状态s₁。如果这是一个机器翻译的任务，则s₁（例如输入一个全连接层）会进一步用于预测此时间步t₀的输出x’₁，并用于下一个时间步t₁的输入。
迭代以上2-5步的过程，直到Decoder达到指定长度或是输出指定停止信号（例如输出[END]）

整个过程如下图所示：

Fig. 3. ShusenWang. Seq2Seq Model with Attention^[3]

从这个过程可以看到，在Decoder每次处理一个时间步输入时，都会再遍历一遍Encoder的每个时间步的状态。这样便解决了Seq2Seq模型对长序列记忆力有限的问题。但同时，由于Decoder中每个时间步t都要重新计算Alignment Score，所以很大程度上增加了计算量，这便是Attention提高准确率的代价。

最后，上面提到Alignment Score进入softmax后，结果向量a的每个元素的值是一个比例，其总和为1。此时在计算Context 向量c时，向量a与hidden state向量h做的点乘操作。此时，即可视向量a中的每个元素为权重，权重a_i的大小表示了对应位置的h_i的重要程度（当然，这个权重是训练过程中不断优化后得到的），也即是说：在当前时间步t_i，Encoder中各个hidden state h_i对Decoder此时输出值的影响程度。这便是我们前面提到的“Attention还会告知Decoder，应该关注Encoder中哪个状态”。

在了解了Attention的基本逻辑后，我们继续介绍Attention中计算Alignment Score的方法。

3.1. Bahdanau Attention

Bahdanau Attention是原论文^[4]中提出的方法，以论文第一作者Bahdanau的名字为命名得来。它的Encoder部分为双向RNN。Attention部分的计算方式如下表示：

Score_alignment = W_combined * tanh (W_decoder * H_decoder + W_encoder * H_encoder)

这个公式中一共有3个参数矩阵W_combined，W_decoder和W_encoder。在计算Alignment Score时，假设当前时间步为t₀，此时H_decoder为Decoder的第一个输入状态s₀，H_encoder为Encoder的输出状态向量h。H_decoder与H_encoder分别输入到2个全连接网络层（FC层）中：

Fig. 4. Gabriel Loye. Attention Mechanism^[5]

然后将其做矩阵加法后，送入tanh函数，将其范围压缩到(-1, 1)之间：

Fig. 5. Gabriel Loye. Attention Mechanism^[5]

最后再送入到一个全连接层，得到最终的Alignment Score：

Fig. 6. Gabriel Lo

ye. Attention Mechanism^[5]

这个过程会涉及到3个全连接层，所以3个参数矩阵W_combined，W_decoder和W_encoder 均是可训练参数。在训练过程中不断优化得到最终参数值。由于这个方法中H_decoder与H_encoder在（分别与参数矩阵做乘法后）合并时使用的是加法，所以这种方法也称为Additive Attention。

3.2. Luong Attention

Luong Attention 由Thang Luong 于2015年提出^[6]。它相对于Bahdanau Attention有3点不同：

在Decoder中引入Attention的位置不同
在Decoder中的输入输出不同
计算Alignment Score的方法不同

Luong Attention的计算过程步骤为：

Encoder部分生成所有Hidden State
在Decoder中，假设当前时间步为t。使用上一时间步t-1的状态s_t-1与输出output_t-1，计算出一个新的状态s_t
使用s_t与Encoder中的Hidden State计算Alignment Score
将Alignment Score 送入softmax，得到权重向量a_t
使用权重向量a_t与Encoder中的Hidden State做点积得到上下文向量c_t
将c_t与步骤2中得到的s_t做拼接[c_t, s_t]，输入一个全连接层，得到一个新的输出s’_t，此状态向量s’_t即为当前时间步t下，Decoder输出的真正的状态（相对于第2步输出的状态s_t）。此状态向量s’_t可以继而输入到一个全连接层，执行所需任务（例如机器翻译中预测下一个单词）

从这个计算过程，可以看到：

在Decoder中引入Attention的位置不同是指：相对于Bahdanau使用的是上一时间步t-1的状态s_t-1计算Alignment Score。而Luong Attention使用的是当前时间步t的状态s_t
在Decoder中的输入输出不同是指：Luong Attention中，会先计算出一个时间步t的状态s_t。但此状态向量并非为最终的t时刻的状态，而是用此状态s_t再计算出一个新的状态s’_t，这才是Decoder在t时间步的真正状态

在计算Alignment Score方面，Luong Attention提供了3种计算Alignment Score的方法，分别称为dot、general以及concat方法。

Dot（点积）方法非常简单，直接使用H_encoder与Decoder的隐藏状态s做点乘：

Score_alignment = H_encoder * s_t

General方法与dot方法类似，是dot方法的一个变体，但是加了一个可训练的权重矩阵W：

Score_alignment = W(H_encoder * s_t)

Concat方法与Bahdanau Attention中使用的类似，但是会先将H_encoder 与 s_t 相加，然后送入一个全连接层，所以它们共享1个权重矩阵：

Score_alignment = W * tanh(W_conbined(H_encoder + s_t))

这3种方法中，General方法效果最好，所以现在主要使用General方法。而由于此方法中H_encoder与Decoder状态s_t在合并时使用的是乘法，所以此方法也称为Multiplicative Attention。

3.3. Attention in Transformer

最后介绍现在更常用的Alignment Score计算方法，也是Transformer模型种用的方法。此方法很简单，涉及到2个参数矩阵W_K，W_Q，步骤如下：

将Encoder隐藏状态h = [h₁, h₂, …, h_m]与参数矩阵W_K做线性变换（也就是W_K * h），得到向量k = [k₁, k₂, …, k₃]
将Decoder在时间步t-1的状态s_t-1与参数矩阵W_Q做线性变换（也就是 W_Q * s_t-1），得到q_t-1
使用向量k与q_t-1做内积，即得到Alignment Score = [k₁ * q_t-1, k₂ * q_t-1, …, k_m * q_t-1]。对它做softmax，即得到权重向量a。