[NLP] TextCNN模型原理和实现

1. 模型原理

1.1 论文

Yoon Kim在论文(2014 EMNLP) Convolutional Neural Networks for Sentence Classification提出TextCNN。

将卷积神经网络CNN应用到文本分类任务，利用多个不同size的kernel来提取句子中的关键信息（类似于多窗口大小的ngram），从而能够更好地捕捉局部相关性。

1.2 网络结构

TextCNN的详细过程原理图如下：

TextCNN详细过程：

Embedding：第一层是图中最左边的7乘5的句子矩阵，每行是词向量，维度=5，这个可以类比为图像中的原始像素点。
Convolution：然后经过 kernel_sizes=(2,3,4) 的一维卷积层，每个kernel_size 有两个输出 channel。
MaxPolling：第三层是一个1-max pooling层，这样不同长度句子经过pooling层之后都能变成定长的表示。
FullConnection and Softmax：最后接一层全连接的 softmax 层，输出每个类别的概率。

通道（Channels）：

图像中可以利用 (R, G, B) 作为不同channel；
文本的输入的channel通常是不同方式的embedding方式（比如 word2vec或Glove），实践中也有利用静态词向量和fine-tunning词向量作为不同channel的做法。

一维卷积（conv-1d）：

图像是二维数据；
文本是一维数据，因此在TextCNN卷积用的是一维卷积（在word-level上是一维卷积；虽然文本经过词向量表达后是二维数据，但是在embedding-level上的二维卷积没有意义）。一维卷积带来的问题是需要通过设计不同 kernel_size 的 filter 获取不同宽度的视野。

Pooling层：

利用CNN解决文本分类问题的文章还是很多的，比如这篇 A Convolutional Neural Network for Modelling Sentences 最有意思的输入是在 pooling 改成 (dynamic) k-max pooling ，pooling阶段保留 k 个最大的信息，保留了全局的序列信息。

比如在情感分析场景，举个例子：

“我觉得这个地方景色还不错，但是人也实在太多了”

虽然前半部分体现情感是正向的，全局文本表达的是偏负面的情感，利用 k-max pooling能够很好捕捉这类信息。

2. 实现

基于Keras深度学习框架的实现代码如下：

import logging

from keras import Input

from keras.layers import Conv1D, MaxPool1D, Dense, Flatten, concatenate, Embedding

from keras.models import Model

from keras.utils import plot_model

def textcnn(max_sequence_length, max_token_num, embedding_dim, output_dim, model_img_path=None, embedding_matrix=None):

    """ TextCNN: 1. embedding layers, 2.convolution layer, 3.max-pooling, 4.softmax layer. """

    x_input = Input(shape=(max_sequence_length,))

    logging.info("x_input.shape: %s" % str(x_input.shape))  # (?, 60)

    if embedding_matrix is None:

        x_emb = Embedding(input_dim=max_token_num, output_dim=embedding_dim, input_length=max_sequence_length)(x_input)

    else:

        x_emb = Embedding(input_dim=max_token_num, output_dim=embedding_dim, input_length=max_sequence_length,

                          weights=[embedding_matrix], trainable=True)(x_input)

    logging.info("x_emb.shape: %s" % str(x_emb.shape))  # (?, 60, 300)

    pool_output = []

    kernel_sizes = [2, 3, 4]

    for kernel_size in kernel_sizes:

        c = Conv1D(filters=2, kernel_size=kernel_size, strides=1)(x_emb)

        p = MaxPool1D(pool_size=int(c.shape[1]))(c)

        pool_output.append(p)

        logging.info("kernel_size: %s \t c.shape: %s \t p.shape: %s" % (kernel_size, str(c.shape), str(p.shape)))

    pool_output = concatenate([p for p in pool_output])

    logging.info("pool_output.shape: %s" % str(pool_output.shape))  # (?, 1, 6)

    x_flatten = Flatten()(pool_output)  # (?, 6)

    y = Dense(output_dim, activation='softmax')(x_flatten)  # (?, 2)

    logging.info("y.shape: %s \n" % str(y.shape))

    model = Model([x_input], outputs=[y])

    if model_img_path:

        plot_model(model, to_file=model_img_path, show_shapes=True, show_layer_names=False)

    model.summary()

    return model

特征：这里用的是词向量表示方式

数据量较大：可以直接随机初始化embeddings，然后基于语料通过训练模型网络来对embeddings进行更新和学习。
数据量较小：可以利用外部语料来预训练(pre-train)词向量，然后输入到Embedding层，用预训练的词向量矩阵初始化embeddings。（通过设置weights=[embedding_matrix]）。

静态(static)方式：训练过程中不再更新embeddings。实质上属于迁移学习，特别是在目标领域数据量比较小的情况下，采用静态的词向量效果也不错。（通过设置trainable=False）
非静态(non-static)方式：在训练过程中对embeddings进行更新和微调(fine tune)，能加速收敛。（通过设置trainable=True）

plot_model()画出的TextCNN模型结构图如下：

参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/25928551