图解 Attention

本文翻译自 https://jalammar.github.io/visualizing-neural-machine-translation-mechanics-of-seq2seq-models-with-attention/

序列到序列（seq2seq）模型是一种深度学习模型，在很多任务上都取得了成功，如：机器翻译、文本摘要、图像、图像理解（image captioning）。谷歌翻译在 2016 年年末开始使用这种模型。有 2 篇开创性的论文(Sutskever et al., 2014, Cho et al., 2014)对这些模型进行了解释。

然而，我发现，想要充分理解模型并实现它，需要拆解一系列概念，而这些概念是层层递进的。我认为，如果能够把这些概念进行可视化，会更加容易理解。这就是这篇文章的目标。你需要先了解一些深度学习的知识，才能读完这篇文章。我希望这篇文章，可以对你阅读上面提到的 2 篇论文有帮助。

一个序列到序列（seq2seq）模型，接收的输入是一个输入的（单词、字母、图像特征）序列，输出是另外一个序列。一个训练好的模型如下图所示：

在神经机器翻译中，一个序列是指一连串的单词。类似地，输出也是一连串单词。

进一步理解细节

模型是由编码器（encoder）和解码器（decoder）组成的。其中，编码器会处理输入序列中的每个元素，把这些信息转换为一个向量（称为上下文（context））。当我们处理完整个输入序列后，编码器把上下文（context）发送给解码器，解码器开始逐项生成输出序列中的元素。

这种机制，同样适用于机器翻译。

在机器翻译任务中，上下文（context）是一个向量（基本上是一个数字数组）。编码器和解码器一般都是循环神经网络（一定要看看 Luis Serrano写 的 [一篇关于循环神经网络](https://www.youtube.com/watch?v=UNmqTiOnRfg) 的精彩介绍）。

上下文是一个浮点数向量。在下文中，我们会可视化这些向量，使用更明亮的色彩来表示更高的值 你可以在设置模型的时候设置上下文向量的长度。这个长度是基于编码器 RNN 的隐藏层神经元的数量。上图展示了长度为 4 的向量，但在实际应用中，上下文向量的长度可能是 256，512 或者 1024。

根据设计，RNN 在每个时间步接受 2 个输入：

• 输入序列中的一个元素（在解码器的例子中，输入是指句子中的一个单词）
• 一个 hidden state（隐藏层状态）

然而每个单词都需要表示为一个向量。为了把一个词转换为一个向量，我们使用一类称为 "word embedding" 的方法。这类方法把单词转换到一个向量空间，这种表示能够捕捉大量的单词的语义信息（例如，king - man + woman = queen）。

我们在处理单词之前，需要把他们转换为向量。这个转换是使用 word embedding 算法来完成的。我们可以使用预训练好的 embeddings，或者在我们的数据集上训练自己的 embedding。通常 embedding 向量大小是 200 或者 300，为了简单起见，我们这里展示的向量长度是 4 现在，我们已经介绍完了向量/张量的基础知识，让我们回顾一下 RNN 的机制，并可视化这些 RNN 模型：

RNN 在第 2 个时间步，采用第 1 个时间步的 hidden state（隐藏层状态） 和第 2 个时间步的输入向量，来得到输出。在下文，我们会使用类似这种动画，来描述神经机器翻译模型里的所有向量。

在下面的可视化图形中，编码器和解码器在每个时间步处理输入，并得到输出。由于编码器和解码器都是 RNN，RNN 会根据当前时间步的输入，和前一个时间步的 hidden state（隐藏层状态），更新当前时间步的 hidden state（隐藏层状态）。

让我们看下编码器的 hidden state（隐藏层状态）。注意，最后一个 hidden state（隐藏层状态）实际上是我们传给解码器的上下文（context）。

解码器也持有 hidden state（隐藏层状态），而且也需要把 hidden state（隐藏层状态）从一个时间步传递到下一个时间步。我们没有在上图中可视化解码器的 hidden state，是因为这个过程和解码器是类似的，我们现在关注的是 RNN 的主要处理过程。

现在让我们用另一种方式来可视化序列到序列（seq2seq）模型。下面的动画会让我们更加容易理解模型。这种方法称为展开视图。其中，我们不只是显示一个解码器，而是在时间上展开，每个时间步都显示一个解码器。通过这种方式，我们可以看到每个时间步的输入和输出。

Attention 讲解

事实证明，上下文向量是这类模型的瓶颈。这使得模型在处理长文本时面临非常大的挑战。

在 Bahdanau et al., 2014 和 Luong et al., 2015 两篇论文中，提出了一种解决方法。这 2 篇论文提出并改进了一种叫做注意力（Attention）的技术，它极大地提高了机器翻译的质量。注意力使得模型可以根据需要，关注到输入序列的相关部分。

在第 7 个时间步，注意力机制使得解码器在产生英语翻译之前，可以将注意力集中在 "étudiant" 这个词（在发育里，是 "student" 的意思）。这种从输入序列放大相关信号的能力，使得注意力模型，比没有注意力的模型，产生更好的结果。

让我们继续从高层次来理解注意力模型。一个注意力模型不同于经典的序列到序列（seq2seq）模型，主要体现在 2 个方面：

首先，编码器会把更多的数据传递给解码器。编码器把所有时间步的 hidden state（隐藏层状态）传递给解码器，而不是只传递最后一个 hidden state（隐藏层状态）。

第二，注意力模型的解码器在产生输出之前，做了一个额外的处理。为了把注意力集中在与该时间步相关的输入部分。解码器做了如下的处理：

1. 查看所有接收到的编码器的 hidden state（隐藏层状态）。其中，编码器中每个 hidden state（隐藏层状态）都对应到输入句子中一个单词。
2. 给每个 hidden state（隐藏层状态）一个分数（我们先忽略这个分数的计算过程）。
3. 将每个 hidden state（隐藏层状态）乘以经过 softmax 的对应的分数，从而，高分对应的 hidden state（隐藏层状态）会被放大，而低分对应的 hidden state（隐藏层状态）会被缩小。

这个加权平均的步骤是在解码器的每个时间步做的。

现在，让我们把所有内容都融合到下面的图中，来看看注意力模型的整个过程：

1. 注意力模型的解码器 RNN 的输入包括：一个 的 embedding 向量，和一个初始化好的解码器 hidden state（隐藏层状态）。
2. RNN 处理上述的 2 个输入，产生一个输出和一个新的 hidden state（隐藏层状态 h4 向量），其中输出会被忽略。
3. 注意力的步骤：我们使用编码器的 hidden state（隐藏层状态）和 h4 向量来计算这个时间步的上下文向量（C4）。
4. 我们把 h4 和 C4 拼接起来，得到一个向量。
5. 我们把这个向量输入一个前馈神经网络（这个网络是和整个模型一起训练的）。
6. 前馈神经网络的输出的输出表示这个时间步输出的单词。
7. 在下一个时间步重复这个步骤。

下图，我们使用另一种方式来可视化注意力，看看在每个解码的时间步中关注输入句子的哪些部分：

请注意，注意力模型不是无意识地把输出的第一个单词对应到输入的第一个单词。实际上，它从训练阶段学习到了如何在两种语言中对应单词的关系（在我们的例子中，是法语和英语）。下图展示了注意力机制的准确程度（图片来自于上面提到的论文）：

你可以看到模型在输出 "European Economic Area" 时，注意力分布情况。在法语中，这些单词的顺序，相对于英语，是颠倒的（"européenne économique zone"）。而其他词的顺序是类似的。 如果你觉得你准备好了学习注意力机制的代码实现，一定要看看基于 TensorFlow 的 [神经机器翻译 (seq2seq) 指南](https://github.com/tensorflow/nmt)

我希望这篇文章会对你有帮助，文中的可视化的图片，来自于 Udacity 自然语言处理纳米课程](https://www.udacity.com/course/natural-language-processing-nanodegree--nd892)。在这门课里，我们会深入讨论更多细节，包括应用方面，并且会涉及到最近的注意力新方法，如来自于 Attention Is All You Need 的 Transformer。

我还创建了一些课程，作为 Udacity 机器学习纳米学位的一部分。我创建的课程包括无监督学习，以及使用协同过滤实现电影推荐的 jupyternotebook。

你可以通过 @JayAlammmar 联系我，期望你的反馈。

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