自然语言处理系列-4条件随机场（CRF）及其tensorflow实现

　　

　　前些天与一位NLP大牛交流，请教其如何提升技术水平，其跟我讲务必要重视“NLP的最基本知识”的掌握。掌握好最基本的模型理论，不管是对日常工作和后续论文的发表都有重要的意义。小Dream听了不禁心里一颤，那些自认为放在“历史尘埃”里的机器学习算法我都只有了解了一个大概，至于NLP早期的那些大作也鲜有拜读。心下便决定要好好补一补这个空缺。所以，接下来的数篇文章会相继介绍在NLP中应用比较多的一些机器学习模型，隐马尔科夫模型（HMM），条件随机场（CRF），朴素贝叶斯，支持向量机（SVM），EM算法等相继都会聊到，感兴趣的朋友可以订阅我的博客，或者关注我的微信公众号，会定期更新NLP相关的文章。　　

　　好了，废话不多说，这篇博客先好好聊聊条件随机场。

1.条件随机场是什么？

　　条件随机场（Conditional Random Field，简称CRF），是一种判别式无向图模型。机器学习最重要的任务，是根据一些已观察到的证据（例如训练样本）来对感兴趣的未知变量（例如类别标记）进行估计和推测。概率模型提供这样一种描述的框架，将学习任务归结于计算变量的概率分布。在概率模型中，利用已知变量推测未知变量的分布称为“推断”，其核心是如何基于可观测变量推测出未知变量的条件分布。具体来说，假定所关心的变量集合为Y，可观测变量集合为X，“生成式”模型直接通过训练样本基本联合概率分布P（Y，X）；“判别式”模型计算条件分布P（Y|X）^[1]。

　　通俗来讲，CRF是在给定一组变量的情况下，求解另一组变量的条件概率的模型。设X与Y是随机变量，P（Y|X）是给定随机变量X情况下，随机变量Y的条件概率。若随机变量Y构成一个无向图G(V,E)（概率图模型，请看李航，《统计学习方法》chapter10），同时，CRF满足如下的条件，

　　其中，v表示G中的任一节点，v~V。n(v)表示与v有边连接的节点的集合。

在更多的情况下，应用的都是线性链条件随机场，线性链条件随机场这样定义：

设X={X₁,X₂,X₃,....X_n}，Y={Y₁,Y₂,Y₃,....Y_n}均为线性链表示的随机变量序列，若在给定随机变量序列X的情况下，随机变量序列Y的条件概率P（Y|X）构成条件随机场，其满足如下的条件：

　　

X和Y具有相同图结构的线性链条件随机场

　　从上面的定义可以看出，条件随机场很适合用于解决序列标注问题问题。例如在分词问题中，X可以作为输入的句子，Y是分词的标注结果。

　　

　　上面应该大致讲了条件随机场是个什么样的东西，有什么样的性质。可能到目前为止，同志们应该还是有点云里雾里。反正我在第一次看到这个定义的时候，能够理解上述定义，但是总感觉不通透。后来知道，是没有跟实际结合起来，所以理解不到位。但是在将实际应用之前，还有一个东西需要介绍，就是条件随机场的参数化形式。

2.条件随机场的参数化形式

　　我们先列出来CRF的参数化形式吧。假设P（Y|X）是随机序列Y在给定随机序列X情况下的条件随机场，则在随机变量X取值为x的情况下，随机变量Y的取值y具有如下关系：

　　　其中

　　　　t_k和S_l是特征函数，v_k和u_l是对应的权值。　　　　

　　好的，假如我们所有的t_k，s_l 和v_k，u_l都已知的情况下，我们要算的P（Y_i =y_i|X）是不是就可以算出来啦？已知的有所谓的前向-后向算法。在给定随机序列X的情况下，计算概率最大Y序列可以用维特比算法，感兴趣的同学可以看李航，《统计学习方法》chapter11，我这里就不再赘述了。

　　网上绝大部分的博客到这里就结束了，但是大家应该还有一大堆的疑问，t_k，s_l 和v_k，u_l如何确定和学习？在实际中我们如何使用？小Dream如果只讲到这里，就会太让大家失望了。下面我们看看在tensorflow里，CRF是怎么实现的，以及我们如何使用他，经过这一段，大家对条件随机场应该就会有一个较为完整的认识了。

　　

3.tensorflow里的条件随机场

　　因为小Dream之前做过一个用LSTM+CRF的命名实体识别项目，这一节我们以命名实体识别为例，来介绍在tensorflow里如何使用条件随机场(CRF)。命名实体识别与分词一样，是一个序列标注的问题，因为篇幅问题，这里就不展开，不清楚的同学可以出门百度一下，以后我们再找机会，好好讲一下命名实体识别的项目。

　　LSTM+CRF网络的主要结构如下：

　　

　　其他的我们先不看，我们只用知道，自然语言的句子经过神经网络进行特征提取之后，会得到一个特征输出，将这个特征和相应的标记（label）输入到条件随机场中，就可以计算损失了。我们来看看具体的代码。

　　

　　这是我定义的损失层，project_logits是神经网络最后一层的输出，该矩阵的shape为[batch_size, num_steps, num_tags], 第一个是batch size，第二个是输入的句子的长度，第三个标记的个数，即命名实体识别总标记的类别数。targets是输入句子的label，即每个字的label，它的维度为[batch_size, num_steps]。损失层定义了一个self.trans矩阵，大小是[num_tags+1, num_tags+1]， 加1是因为还有一个类别是未定义。

　　将project_logit，targets以及self.trans交给tensorflow的系统函数crf_log_likelihood即可求得损失了。

　　下面我们进一步来看看crf_log_likelihood是怎么实现的。

　　

　　从crf_sequence_score函数的实现中，我们看出，tf中的损失值包括一元损失和二元损失。其中unary_scores表示的是标记是输入序列之间的损失，unary_scores表示的转化矩阵的损失值。那这两项到底是什么呢？是不是和CRF的参数化形式感觉有点像？我们看看相关论文^[3]是怎么说的。

　　

我们看一下，得分分为两项，第一项，

　　它表示输入句子中，第i个词，相应标记位置的概率。举个例子，加入输入的句子是“Mark Watney visit Mars”, 相应的label是[B-PER,E-PER,O,S-LOC]，则P_{1，“B-PER”}表示的是第一个词的标记是B-PER的概率。所以第一项会是(P_{1，“B-PER”}) + (P_{2，“E-PER”}) +( P_3，“O”) + (P_{4，“S-LOC”}）,具体在代码中，就会取到project_logits矩阵中相应的值，这一点交叉熵有点像，同学们体会一下。第二项，

它代表的是真个序列从一个标记转化到下一个标记的损失值，这个矩阵就是self.trans，它最开始是按照我们初始化的方式初始化的，然后会随着训练的过程优化。最后再对整个序列的损失值做一个归一化，也就是执行crf_log_norm函数。好了，tensorflow中crf就是这么实现的，是不是有种豁然开朗的感觉？？

　　我们来做一个总结，CRF是一个在给定某一个随机序列的情况下，求另一个随机序列的概率分布的概率图模型，在序列标注的问题中有广泛的应用。在tensorflow中，实现了crf_log_likelihood函数。在本文讲的命名实体识别项目中，自然语言经是已知的序列，自然语言经过特征提取过后的logits被当作是t_k函数，随机初始化的self.trans矩阵是S_l函数，随着训练的过程不断的优化。

这就是条件随机场要讲的全部内容啦，欢迎各位评论。后续更新HMM，SVM等，感兴趣的朋友可以关注我的博客或者公众号。

[1] 周志华. 机器学习. 清华大学出版社

[2] 李航 统计学习方法.清华大学出版社

[3]Lample G, Ballesteros M, Subramanian S, et al. Neural architectures for named entity recognition[J]. arXiv preprint arXiv:1603.01360, 2016.

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常常再想，人生大抵苦多乐少。每个人都有太多不想做却又不得不去做的事。那么，何不在心中忘苦常乐，就算人生命有定数，也要活的自在。