[深度应用]·Keras实现Self-Attention文本分类（机器如何读懂人心）

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[TensorFlow深度学习深入]实战三·分别使用DNN,CNN与RNN(LSTM)做文本情感分析

笔者在[深度概念]·Attention机制概念学习笔记博文中，讲解了Attention机制的概念与技术细节，本篇内容配合讲解，使用Keras实现Self-Attention文本分类，来让大家更加深入理解Attention机制。

作为对比，可以访问[TensorFlow深度学习深入]实战三·分别使用DNN,CNN与RNN(LSTM)做文本情感分析，查看不同网络区别与联系。

一、Self-Attention概念详解

了解了模型大致原理，我们可以详细的看一下究竟Self-Attention结构是怎样的。其基本结构如下

对于self-attention来讲，Q(Query), K(Key), V(Value)三个矩阵均来自同一输入，首先我们要计算Q与K之间的点乘，然后为了防止其结果过大，会除以一个尺度标度 $\sqrt{d_k}$ ，其中 $d_k$ 为一个query和key向量的维度。再利用Softmax操作将其结果归一化为概率分布，然后再乘以矩阵V就得到权重求和的表示。该操作可以表示为 $Attention(Q,K,V) = softmax(\frac{QK^T}{\sqrt{d_k}})V$

这里可能比较抽象，我们来看一个具体的例子（图片来源于https://jalammar.github.io/illustrated-transformer/，该博客讲解的极其清晰，强烈推荐），假如我们要翻译一个词组Thinking Machines，其中Thinking的输入的embedding vector用 $x_1$ 表示，Machines的embedding vector用 $x_2$ 表示。

当我们处理Thinking这个词时，我们需要计算句子中所有词与它的Attention Score，这就像将当前词作为搜索的query，去和句子中所有词（包含该词本身）的key去匹配，看看相关度有多高。我们用 $q_1$ 代表Thinking对应的query vector， $k_1$ 及 $k_2$ 分别代表Thinking以及Machines对应的key vector，则计算Thinking的attention score的时候我们需要计算 $q_1$ 与 $k_1,k_2$ 的点乘，同理，我们计算Machines的attention score的时候需要计算 $q_2$ 与 $k_1,k_2$ 的点乘。如上图中所示我们分别得到了 $q_1$ 与 $k_1,k_2$ 的点乘积，然后我们进行尺度缩放与softmax归一化，如下图所示：

显然，当前单词与其自身的attention score一般最大，其他单词根据与当前单词重要程度有相应的score。然后我们在用这些attention score与value vector相乘，得到加权的向量。

如果将输入的所有向量合并为矩阵形式，则所有query, key, value向量也可以合并为矩阵形式表示

其中 $W^Q, W^K, W^V$ 是我们模型训练过程学习到的合适的参数。上述操作即可简化为矩阵形式

二、Self_Attention模型搭建

笔者使用Keras来实现对于Self_Attention模型的搭建，由于网络中间参数量比较多，这里采用自定义网络层的方法构建Self_Attention，关于如何自定义Keras可以参看这里：编写你自己的 Keras 层

Keras实现自定义网络层。需要实现以下三个方法:（注意input_shape是包含batch_size项的）

build(input_shape): 这是你定义权重的地方。这个方法必须设 self.built = True，可以通过调用 super([Layer], self).build() 完成。
call(x): 这里是编写层的功能逻辑的地方。你只需要关注传入 call 的第一个参数：输入张量，除非你希望你的层支持masking。
compute_output_shape(input_shape): 如果你的层更改了输入张量的形状，你应该在这里定义形状变化的逻辑，这让Keras能够自动推断各层的形状。

实现代码如下：

from keras.preprocessing import sequence

from keras.datasets import imdb

from matplotlib import pyplot as plt

import pandas as pd

from keras import backend as K

from keras.engine.topology import Layer

class Self_Attention(Layer):

    def __init__(self, output_dim, **kwargs):

        self.output_dim = output_dim

        super(Self_Attention, self).__init__(**kwargs)

    def build(self, input_shape):

        # 为该层创建一个可训练的权重

        #inputs.shape = (batch_size, time_steps, seq_len)

        self.kernel = self.add_weight(name='kernel',

                                      shape=(3,input_shape[2], self.output_dim),

                                      initializer='uniform',

                                      trainable=True)

        super(Self_Attention, self).build(input_shape)  # 一定要在最后调用它

    def call(self, x):

        WQ = K.dot(x, self.kernel[0])

        WK = K.dot(x, self.kernel[1])

        WV = K.dot(x, self.kernel[2])

        print("WQ.shape",WQ.shape)

        print("K.permute_dimensions(WK, [0, 2, 1]).shape",K.permute_dimensions(WK, [0, 2, 1]).shape)

        QK = K.batch_dot(WQ,K.permute_dimensions(WK, [0, 2, 1]))

        QK = QK / (64**0.5)

        QK = K.softmax(QK)

        print("QK.shape",QK.shape)

        V = K.batch_dot(QK,WV)

        return V

    def compute_output_shape(self, input_shape):

        return (input_shape[0],input_shape[1],self.output_dim)

这里可以对照一中的概念讲解来理解代码

如果将输入的所有向量合并为矩阵形式，则所有query, key, value向量也可以合并为矩阵形式表示

上述内容对应

WQ = K.dot(x, self.kernel[0])

WK = K.dot(x, self.kernel[1])

WV = K.dot(x, self.kernel[2])

其中 $W^Q, W^K, W^V$ 是我们模型训练过程学习到的合适的参数。上述操作即可简化为矩阵形式

上述内容对应（为什么使用batch_dot呢？这是由于input_shape是包含batch_size项的）

QK = K.batch_dot(WQ,K.permute_dimensions(WK, [0, 2, 1]))

QK = QK / (64**0.5)

QK = K.softmax(QK)

print("QK.shape",QK.shape)

V = K.batch_dot(QK,WV)

这里 QK = QK / (64**0.5) 是除以一个归一化系数，(64**0.5)是笔者自己定义的，其他文章可能会采用不同的方法。

三、训练网络

项目完整代码如下，这里使用的是Keras自带的imdb影评数据集

#%%

from keras.preprocessing import sequence

from keras.datasets import imdb

from matplotlib import pyplot as plt

import pandas as pd

from keras import backend as K

from keras.engine.topology import Layer

class Self_Attention(Layer):

    def __init__(self, output_dim, **kwargs):

        self.output_dim = output_dim

        super(Self_Attention, self).__init__(**kwargs)

    def build(self, input_shape):

        # 为该层创建一个可训练的权重

        #inputs.shape = (batch_size, time_steps, seq_len)

        self.kernel = self.add_weight(name='kernel',

                                      shape=(3,input_shape[2], self.output_dim),

                                      initializer='uniform',

                                      trainable=True)

        super(Self_Attention, self).build(input_shape)  # 一定要在最后调用它

    def call(self, x):

        WQ = K.dot(x, self.kernel[0])

        WK = K.dot(x, self.kernel[1])

        WV = K.dot(x, self.kernel[2])

        print("WQ.shape",WQ.shape)

        print("K.permute_dimensions(WK, [0, 2, 1]).shape",K.permute_dimensions(WK, [0, 2, 1]).shape)

        QK = K.batch_dot(WQ,K.permute_dimensions(WK, [0, 2, 1]))

        QK = QK / (64**0.5)

        QK = K.softmax(QK)

        print("QK.shape",QK.shape)

        V = K.batch_dot(QK,WV)

        return V

    def compute_output_shape(self, input_shape):

        return (input_shape[0],input_shape[1],self.output_dim)

max_features = 20000

print('Loading data...')

(x_train, y_train), (x_test, y_test) = imdb.load_data(num_words=max_features)

#标签转换为独热码

y_train, y_test = pd.get_dummies(y_train),pd.get_dummies(y_test)

print(len(x_train), 'train sequences')

print(len(x_test), 'test sequences')

#%%数据归一化处理

maxlen = 64

print('Pad sequences (samples x time)')

x_train = sequence.pad_sequences(x_train, maxlen=maxlen)

x_test = sequence.pad_sequences(x_test, maxlen=maxlen)

print('x_train shape:', x_train.shape)

print('x_test shape:', x_test.shape)

#%%

batch_size = 32

from keras.models import Model

from keras.optimizers import SGD,Adam

from keras.layers import *

from Attention_keras import Attention,Position_Embedding

S_inputs = Input(shape=(64,), dtype='int32')

embeddings = Embedding(max_features, 128)(S_inputs)

O_seq = Self_Attention(128)(embeddings)

O_seq = GlobalAveragePooling1D()(O_seq)

O_seq = Dropout(0.5)(O_seq)

outputs = Dense(2, activation='softmax')(O_seq)

model = Model(inputs=S_inputs, outputs=outputs)

print(model.summary())

# try using different optimizers and different optimizer configs

opt = Adam(lr=0.0002,decay=0.00001)

loss = 'categorical_crossentropy'

model.compile(loss=loss,

             optimizer=opt,

             metrics=['accuracy'])

#%%

print('Train...')

h = model.fit(x_train, y_train,

         batch_size=batch_size,

         epochs=5,

         validation_data=(x_test, y_test))

plt.plot(h.history["loss"],label="train_loss")

plt.plot(h.history["val_loss"],label="val_loss")

plt.plot(h.history["acc"],label="train_acc")

plt.plot(h.history["val_acc"],label="val_acc")

plt.legend()

plt.show()

#model.save("imdb.h5")

四、结果输出

(TF_GPU) D:\Files\DATAs\prjs\python\tf_keras\transfromerdemo>C:/Files/APPs/RuanJian/Miniconda3/envs/TF_GPU/python.exe d:/Files/DATAs/prjs/python/tf_keras/transfromerdemo/train.1.py

Using TensorFlow backend.

Loading data...

25000 train sequences

25000 test sequences

Pad sequences (samples x time)

x_train shape: (25000, 64)

x_test shape: (25000, 64)

WQ.shape (?, 64, 128)

K.permute_dimensions(WK, [0, 2, 1]).shape (?, 128, 64)

QK.shape (?, 64, 64)

_________________________________________________________________

Layer (type)                 Output Shape              Param #

=================================================================

input_1 (InputLayer)         (None, 64)                0

_________________________________________________________________

embedding_1 (Embedding)      (None, 64, 128)           2560000

_________________________________________________________________

self__attention_1 (Self_Atte (None, 64, 128)           49152

_________________________________________________________________

global_average_pooling1d_1 ( (None, 128)               0

_________________________________________________________________

dropout_1 (Dropout)          (None, 128)               0

_________________________________________________________________

dense_1 (Dense)              (None, 2)                 258

=================================================================

Total params: 2,609,410

Trainable params: 2,609,410

Non-trainable params: 0

_________________________________________________________________

None

Train...

Train on 25000 samples, validate on 25000 samples

Epoch 1/5

25000/25000 [==============================] - 17s 693us/step - loss: 0.5244 - acc: 0.7514 - val_loss: 0.3834 - val_acc: 0.8278

Epoch 2/5

25000/25000 [==============================] - 15s 615us/step - loss: 0.3257 - acc: 0.8593 - val_loss: 0.3689 - val_acc: 0.8368

Epoch 3/5

25000/25000 [==============================] - 15s 614us/step - loss: 0.2602 - acc: 0.8942 - val_loss: 0.3909 - val_acc: 0.8303

Epoch 4/5

25000/25000 [==============================] - 15s 618us/step - loss: 0.2078 - acc: 0.9179 - val_loss: 0.4482 - val_acc: 0.8215

Epoch 5/5

25000/25000 [==============================] - 15s 619us/step - loss: 0.1639 - acc: 0.9368 - val_loss: 0.5313 - val_acc: 0.8106

五、Reference

1.https://zhuanlan.zhihu.com/p/47282410