图示详解BERT模型的输入与输出

一、BERT整体结构

BERT主要用了Transformer的Encoder，而没有用其Decoder，我想是因为BERT是一个预训练模型，只要学到其中语义关系即可，不需要去解码完成具体的任务。整体架构如下图：

多个Transformer Encoder一层一层地堆叠起来，就组装成了BERT了，在论文中，作者分别用12层和24层Transformer Encoder组装了两套BERT模型，两套模型的参数总数分别为110M和340M。

二、再次理解Transformer中的Attention机制

Attention机制的中文名叫“注意力机制”，顾名思义，它的主要作用是让神经网络把“注意力”放在一部分输入上，即：区分输入的不同部分对输出的影响。这里，我们从增强字/词的语义表示这一角度来理解一下Attention机制。

我们知道，一个字/词在一篇文本中表达的意思通常与它的上下文有关。比如：光看“鹄”字，我们可能会觉得很陌生（甚至连读音是什么都不记得吧），而看到它的上下文“鸿鹄之志”后，就对它立马熟悉了起来。因此，字/词的上下文信息有助于增强其语义表示。同时，上下文中的不同字/词对增强语义表示所起的作用往往不同。比如在上面这个例子中，“鸿”字对理解“鹄”字的作用最大，而“之”字的作用则相对较小。为了有区分地利用上下文字信息增强目标字的语义表示，就可以用到Attention机制。

Attention机制主要涉及到三个概念：Query、Key和Value。在上面增强字的语义表示这个应用场景中，目标字及其上下文的字都有各自的原始Value，Attention机制将目标字作为Query、其上下文的各个字作为Key，并将Query与各个Key的相似性作为权重，把上下文各个字的Value融入目标字的原始Value中。如下图所示，Attention机制将目标字和上下文各个字的语义向量表示作为输入，首先通过线性变换获得目标字的Query向量表示、上下文各个字的Key向量表示以及目标字与上下文各个字的原始Value表示，然后计算Query向量与各个Key向量的相似度作为权重（最终形成每个目标字与其上下文的字的权重关系，权重和为1），加权融合目标字的Value向量和各个上下文字的Value向量（其实就是做了点乘），作为Attention的输出，即：目标字的增强语义向量表示。

图示展示了第二个字，即目标字的整个Attention计算流程。

三、BERT的预训练结构

BERT实际上是一个语言模型。语言模型通常采用大规模、与特定NLP任务无关的文本语料进行训练，其目标是学习语言本身应该是什么样的。BERT模型其预训练过程就是逐渐调整模型参数，使得模型输出的文本语义表示能够刻画语言的本质，便于后续针对具体NLP任务作微调。

1、Masked LM

Masked LM的任务描述为：给定一句话，随机抹去这句话中的一个或几个词，要求根据剩余词汇预测被抹去的几个词分别是什么，如下图所示

具体来说，文章作者在一句话中随机选择15%的词汇用于预测。对于在原句中被抹去的词汇，80%情况下采用一个特殊符号[MASK]替换，10%情况下采用一个任意词替换，剩余10%情况下保持原词汇不变。这么做的主要原因是：在后续微调任务中语句中并不会出现[MASK]标记，而且这么做的另一个好处是：预测一个词汇时，模型并不知道输入对应位置的词汇是否为正确的词汇（10%概率），这就迫使模型更多地依赖于上下文信息去预测词汇，并且赋予了模型一定的纠错能力。

2、NextSentence Prediction

任务描述为：给定一篇文章中的两句话，判断第二句话在文本中是否紧跟在第一句话之后，如下图所示：

四、BERT的整体输入/输出

BERT模型预训练文本语义表示的过程就好比我们在高中阶段学习语数英、物化生等各门基础学科，夯实基础知识；而模型在特定NLP任务中的参数微调就相当于我们在大学期间基于已有基础知识、针对所选专业作进一步强化，从而获得能够应用于实际场景的专业技能。

从上图中可以看出，BERT模型通过查询字向量表将文本中的每个字转换为一维向量，作为模型输入；模型输出则是输入各字对应的融合全文语义信息后的向量表示。此外，模型输入除了字向量，还包含另外两个部分：

1. 文本向量：该向量的取值在模型训练过程中自动学习，用于刻画文本的全局语义信息，并与单字/词的语义信息相融合

2. 位置向量：由于出现在文本不同位置的字/词所携带的语义信息存在差异（比如：“我爱你”和“你爱我”），因此，BERT模型对不同位置的字/词分别附加一个不同的向量以作区分

最后，BERT模型将字向量、文本向量和位置向量的加和作为模型输入。特别地，在目前的BERT模型中，文章作者还将英文词汇作进一步切割，划分为更细粒度的语义单位（WordPiece），例如：将playing分割为play和##ing；此外，对于中文，目前作者尚未对输入文本进行分词，而是直接将单字作为构成文本的基本单位。

五、具体NLP任务上的fine-tune

在具体的NLP任务上，BERT模型的输入输出会有细微的差别。

1）文本分类任务

单文本分类任务：对于文本分类任务，BERT模型在文本前插入一个[CLS]符号，并将该符号对应的输出向量作为整篇文本的语义表示，用于文本分类，如下图所示。可以理解为：与文本中已有的其它字/词相比，这个无明显语义信息的符号会更“公平”地融合文本中各个字/词的语义信息。

2）语句对分类任务

语句对分类任务：该任务的实际应用场景包括：问答（判断一个问题与一个答案是否匹配）、语句匹配（两句话是否表达同一个意思）等。对于该任务，BERT模型除了添加[CLS]符号并将对应的输出作为文本的语义表示，还对输入的两句话用一个[SEP]符号作分割，并分别对两句话附加两个不同的文本向量以作区分，如下图所示：

3）序列标注任务

该任务的实际应用场景包括：中文分词&新词发现（标注每个字是词的首字、中间字或末字）、答案抽取（答案的起止位置）等。对于该任务，BERT模型利用文本中每个字对应的输出向量对该字进行标注，如下图所示(B、I、E分别表示一个词的第一个字、中间字和最后一个字)。

参考：

https://cloud.tencent.com/developer/article/1389555

作者：腾讯Bugly