seq2seq模型

基本概念

顾名思义，seq2seq模型是指，模型的输入是一个sequence序列，而模型的输出也是sequence序列，其模型结构可以表示为Encoder-Decoder结构，如下图：

其中encoder与decoder都是使用循环神经网络（RNN）实现的。其中的语义编码则是encoder的隐藏状态。其中包括了encoder中的语义信息，作为decoder的输入，从而使用decoder得到输出。
训练以及预测时的方式如下：

具体结构：

实现方式

encoder-decoder的实现方式如下：

class Encoder(nn.Module):
    def __init__(self, **kwargs):
        super(Encoder, self).__init__(**kwargs)

    def forward(self, X, *args):
        raise NotImplementedError

class Decoder(nn.Module):
    def __init__(self, **kwargs):
        super(Decoder, self).__init__(**kwargs)

    def init_state(self, enc_outputs, *args):
        raise NotImplementedError

    def forward(self, X, state):
        raise NotImplementedError

class EncoderDecoder(nn.Module):
    def __init__(self, encoder, decoder, **kwargs):
        super(EncoderDecoder, self).__init__(**kwargs)
        self.encoder = encoder
        self.decoder = decoder

    def forward(self, enc_X, dec_X, *args):
        enc_outputs = self.encoder(enc_X, *args)
        dec_state = self.decoder.init_state(enc_outputs, *args)
        return self.decoder(dec_X, dec_state)

具体实现：

class Seq2SeqEncoder(d2l.Encoder):
    def __init__(self, vocab_size, embed_size, num_hiddens, num_layers,
                 dropout=0, **kwargs):
        super(Seq2SeqEncoder, self).__init__(**kwargs)
        self.num_hiddens=num_hiddens
        self.num_layers=num_layers
        self.embedding = nn.Embedding(vocab_size, embed_size)
        self.rnn = nn.LSTM(embed_size,num_hiddens, num_layers, dropout=dropout)
   
    def begin_state(self, batch_size, device):
        return [torch.zeros(size=(self.num_layers, batch_size, self.num_hiddens),  device=device),
                torch.zeros(size=(self.num_layers, batch_size, self.num_hiddens),  device=device)]
    def forward(self, X, *args):
        X = self.embedding(X) # X shape: (batch_size, seq_len, embed_size)
        X = X.transpose(0, 1)  # RNN needs first axes to be time
        # state = self.begin_state(X.shape[1], device=X.device)
        out, state = self.rnn(X)
        # The shape of out is (seq_len, batch_size, num_hiddens).
        # state contains the hidden state and the memory cell
        # of the last time step, the shape is (num_layers, batch_size, num_hiddens)
        return out, state

class Seq2SeqDecoder(d2l.Decoder):
    def __init__(self, vocab_size, embed_size, num_hiddens, num_layers,
                 dropout=0, **kwargs):
        super(Seq2SeqDecoder, self).__init__(**kwargs)
        self.embedding = nn.Embedding(vocab_size, embed_size)
        self.rnn = nn.LSTM(embed_size,num_hiddens, num_layers, dropout=dropout)
        self.dense = nn.Linear(num_hiddens,vocab_size)

    def init_state(self, enc_outputs, *args):
        return enc_outputs[1]

    def forward(self, X, state):
        X = self.embedding(X).transpose(0, 1)
        out, state = self.rnn(X, state)
        # Make the batch to be the first dimension to simplify loss computation.
        out = self.dense(out).transpose(0, 1)
        return out, state

由于在数据的一个batch当中不同的句子长度是不一样的，而作为模型的输入时需要统一成同样的长度，因此不同数据的有效长度是不同的，而计算损失时也需要进行识别，只计算有效长度的损失。因此需要使用mask函数，将不需要计算得部分mask掉：

def SequenceMask(X, X_len,value=0):
    maxlen = X.size(1)
    mask = torch.arange(maxlen)[None, :].to(X_len.device) < X_len[:, None]   
    X[~mask]=value
    return X

上面代码会生成一个与X相同纬度的矩阵，范围是1~maxlen，而x_len根据广播机制会生成同样的矩阵不过其中的数值是各个句子的有效长度，因此小于有效长度的位置为1，大于等于的位置为0，最后把为0的位置mask为value即0.
对mask后的结果使用交叉熵损失函数：

class MaskedSoftmaxCELoss(nn.CrossEntropyLoss):
    # pred shape: (batch_size, seq_len, vocab_size)
    # label shape: (batch_size, seq_len)
    # valid_length shape: (batch_size, )
    def forward(self, pred, label, valid_length):
        # the sample weights shape should be (batch_size, seq_len)
        weights = torch.ones_like(label)
        weights = SequenceMask(weights, valid_length).float()
        self.reduction='none'
        output=super(MaskedSoftmaxCELoss, self).forward(pred.transpose(1,2), label)
        return (output*weights).mean(dim=1)

其他改进

beam search

一般在选择decoder的输出时，采用贪心策略，选取最大可能的单词作为输出，如下图：

而使用beam search的时候，采取最有可能的多个选择进行比较，如下图：

注意力机制

基本概念

在“编码器—解码器（seq2seq）”中，解码器在各个时间步依赖相同的背景变量（context vector）来获取输⼊序列信息。当编码器为循环神经⽹络时，背景变量来⾃它最终时间步的隐藏状态。将源序列输入信息以循环单位状态编码，然后将其传递给解码器以生成目标序列。然而这种结构存在着问题，尤其是RNN机制实际中存在长程梯度消失的问题，对于较长的句子，我们很难寄希望于将输入的序列转化为定长的向量而保存所有的有效信息，所以随着所需翻译句子的长度的增加，这种结构的效果会显著下降。

与此同时，解码的目标词语可能只与原输入的部分词语有关，而并不是与所有的输入有关。例如，当把“Hello world”翻译成“Bonjour le monde”时，“Hello”映射成“Bonjour”，“world”映射成“monde”。在seq2seq模型中，解码器只能隐式地从编码器的最终状态中选择相应的信息。然而，注意力机制可以将这种选择过程显式地建模。

基本结构可以表示为：

具体的计算方法：

计算过程可以表示为：

不同的attetion layer的区别在于score函数的选择，两个常用的函数有 Dot-product Attention 和 Multilayer Perceptron Attention。

点积注意力

实现方式

class DotProductAttention(nn.Module): 
    def __init__(self, dropout, **kwargs):
        super(DotProductAttention, self).__init__(**kwargs)
        self.dropout = nn.Dropout(dropout)

    # query: (batch_size, #queries, d)
    # key: (batch_size, #kv_pairs, d)
    # value: (batch_size, #kv_pairs, dim_v)
    # valid_length: either (batch_size, ) or (batch_size, xx)
    def forward(self, query, key, value, valid_length=None):
        d = query.shape[-1]
        # set transpose_b=True to swap the last two dimensions of key
        
        scores = torch.bmm(query, key.transpose(1,2)) / math.sqrt(d)
        attention_weights = self.dropout(masked_softmax(scores, valid_length))
        print("attention_weight\n",attention_weights)
        return torch.bmm(attention_weights, value)

多层感知机注意力

实现方式

class MLPAttention(nn.Module):  
    def __init__(self, units,ipt_dim,dropout, **kwargs):
        super(MLPAttention, self).__init__(**kwargs)
        # Use flatten=True to keep query's and key's 3-D shapes.
        self.W_k = nn.Linear(ipt_dim, units, bias=False)
        self.W_q = nn.Linear(ipt_dim, units, bias=False)
        self.v = nn.Linear(units, 1, bias=False)
        self.dropout = nn.Dropout(dropout)

    def forward(self, query, key, value, valid_length):
        query, key = self.W_k(query), self.W_q(key)
        #print("size",query.size(),key.size())
        # expand query to (batch_size, #querys, 1, units), and key to
        # (batch_size, 1, #kv_pairs, units). Then plus them with broadcast.
        features = query.unsqueeze(2) + key.unsqueeze(1)
        #print("features:",features.size())  #--------------开启
        scores = self.v(features).squeeze(-1) 
        attention_weights = self.dropout(masked_softmax(scores, valid_length))
        return torch.bmm(attention_weights, value)

在seq2seq模型中引入attention

将注意机制添加到sequence to sequence 模型中，以显式地使用权重聚合states。下图展示encoding 和decoding的模型结构，在时间步为t的时候。此刻attention layer保存着encodering看到的所有信息——即encoding的每一步输出。在decoding阶段，解码器的t时刻的隐藏状态被当作query，encoder的每个时间步的hidden states作为key和value进行attention聚合. Attetion model的输出当作成上下文信息context vector，并与解码器输入Dt拼接起来一起送到解码器：

具体实现

由于带有注意机制的seq2seq的编码器与之前章节中的Seq2SeqEncoder相同，所以在此处我们只关注解码器。我们添加了一个MLP注意层(MLPAttention)，它的隐藏大小与解码器中的LSTM层相同。然后我们通过从编码器传递三个参数来初始化解码器的状态:

the encoder outputs of all timesteps：encoder输出的各个状态，被用于attetion layer的memory部分，有相同的key和values
the hidden state of the encoder’s final timestep：编码器最后一个时间步的隐藏状态，被用于初始化decoder 的hidden state
the encoder valid length: 编码器的有效长度，借此，注意层不会考虑编码器输出中的填充标记（Paddings）
在解码的每个时间步，我们使用解码器的最后一个RNN层的输出作为注意层的query。然后，将注意力模型的输出与输入嵌入向量连接起来，输入到RNN层。虽然RNN层隐藏状态也包含来自解码器的历史信息，但是attention model的输出显式地选择了enc_valid_len以内的编码器输出，这样attention机制就会尽可能排除其他不相关的信息。

class Seq2SeqAttentionDecoder(d2l.Decoder):
    def __init__(self, vocab_size, embed_size, num_hiddens, num_layers,
                 dropout=0, **kwargs):
        super(Seq2SeqAttentionDecoder, self).__init__(**kwargs)
        self.attention_cell = MLPAttention(num_hiddens,num_hiddens, dropout)
        self.embedding = nn.Embedding(vocab_size, embed_size)
        self.rnn = nn.LSTM(embed_size+ num_hiddens,num_hiddens, num_layers, dropout=dropout)
        self.dense = nn.Linear(num_hiddens,vocab_size)

    def init_state(self, enc_outputs, enc_valid_len, *args):
        outputs, hidden_state = enc_outputs
#         print("first:",outputs.size(),hidden_state[0].size(),hidden_state[1].size())
        # Transpose outputs to (batch_size, seq_len, hidden_size)
        return (outputs.permute(1,0,-1), hidden_state, enc_valid_len)
        #outputs.swapaxes(0, 1)
        
    def forward(self, X, state):
        enc_outputs, hidden_state, enc_valid_len = state
        #("X.size",X.size())
        X = self.embedding(X).transpose(0,1)
#         print("Xembeding.size2",X.size())
        outputs = []
        for l, x in enumerate(X):
#             print(f"\n{l}-th token")
#             print("x.first.size()",x.size())
            # query shape: (batch_size, 1, hidden_size)
            # select hidden state of the last rnn layer as query
            query = hidden_state[0][-1].unsqueeze(1) # np.expand_dims(hidden_state[0][-1], axis=1)
            # context has same shape as query
#             print("query enc_outputs, enc_outputs:\n",query.size(), enc_outputs.size(), enc_outputs.size())
            context = self.attention_cell(query, enc_outputs, enc_outputs, enc_valid_len)
            # Concatenate on the feature dimension
#             print("context.size:",context.size())
            x = torch.cat((context, x.unsqueeze(1)), dim=-1)
            # Reshape x to (1, batch_size, embed_size+hidden_size)
#             print("rnn",x.size(), len(hidden_state))
            out, hidden_state = self.rnn(x.transpose(0,1), hidden_state)
            outputs.append(out)
        outputs = self.dense(torch.cat(outputs, dim=0))
        return outputs.transpose(0, 1), [enc_outputs, hidden_state,
                                        enc_valid_len]

Transformer

基本概念

Transformer模型利用attention机制实现了并行化捕捉序列依赖，并且同时处理序列的每个位置的tokens，上述优势使得Transformer模型在性能优异的同时大大减少了训练时间。
其架构如图：

与encoder-decoder相比，其区别主要在于以下三点：

1. Transformer blocks：将seq2seq模型重的循环网络替换为了Transformer Blocks，该模块包含一个多头注意力层（Multi-head Attention Layers）以及两个position-wise feed-forward networks（FFN）。对于解码器来说，另一个多头注意力层被用于接受编码器的隐藏状态。
2. Add and norm：多头注意力层和前馈网络的输出被送到两个“add and norm”层进行处理，该层包含残差结构以及层归一化。
3. Position encoding：由于自注意力层并没有区分元素的顺序，所以一个位置编码层被用于向序列元素里添加位置信息。

多头注意力层

多头注意力层中使用了自注意力这一方法，自注意力模型是一个正规的注意力模型，序列的每一个元素对应的key，value，query是完全一致的。如图自注意力输出了一个与输入长度相同的表征序列，与循环神经网络相比，自注意力对每个元素输出的计算是并行的，所以我们可以高效的实现这个模块。

多头注意力层包含h个并行的自注意力层，每一个这种层被成为一个head。对每个头来说，在进行注意力计算之前，我们会将query、key和value用三个现行层进行映射，这h个注意力头的输出将会被拼接之后输入最后一个线性层进行整合。

基于位置的前馈网络

Transformer 模块另一个非常重要的部分就是基于位置的前馈网络（FFN），它接受一个形状为（batch_size，seq_length, feature_size）的三维张量。Position-wise FFN由两个全连接层组成，他们作用在最后一维上。因为序列的每个位置的状态都会被单独地更新，所以我们称他为position-wise，这等效于一个1x1的卷积。

Add and Norm

除了上面两个模块之外，Transformer还有一个重要的相加归一化层，它可以平滑地整合输入和其他层的输出，因此我们在每个多头注意力层和FFN层后面都添加一个含残差连接的Layer Norm层。这里 Layer Norm 与7.5小节的Batch Norm很相似，唯一的区别在于Batch Norm是对于batch size这个维度进行计算均值和方差的，而Layer Norm则是对最后一维进行计算。层归一化可以防止层内的数值变化过大，从而有利于加快训练速度并且提高泛化性能。

位置编码

与循环神经网络不同，无论是多头注意力网络还是前馈神经网络都是独立地对每个位置的元素进行更新，这种特性帮助我们实现了高效的并行，却丢失了重要的序列顺序的信息。为了更好的捕捉序列信息，Transformer模型引入了位置编码去保持输入序列元素的位置。

解码器

Transformer 模型的解码器与编码器结构类似，然而，除了之前介绍的几个模块之外，编码器部分有另一个子模块。该模块也是多头注意力层，接受编码器的输出作为key和value，decoder的状态作为query。与编码器部分相类似，解码器同样是使用了add and norm机制，用残差和层归一化将各个子层的输出相连。

仔细来讲，在第t个时间步，当前输入xt是query，那么self attention接受了第t步以及前t-1步的所有输入。在训练时，由于第t位置的输入可以观测到全部的序列，这与预测阶段的情形项矛盾，所以我们要通过将第t个时间步所对应的可观测长度设置为t，以消除不需要看到的未来的信息。

以上就是Transformer中的结构，具体实现略。

机器翻译

机器翻译（MT）：将一段文本从一种语言自动翻译为另一种语言，用神经网络解决这个问题通常称为神经机器翻译（NMT）。 主要特征：输出是单词序列而不是单个单词。 输出序列的长度可能与源序列的长度不同。

实现这一过程同样需要进行数据预处理、分词、建立词典等操作。