1. 前言

近年来,NLP领域发展迅速,而机器翻译是其中比较成功的一个应用,自从2016年谷歌宣布新一代谷歌翻译系统上线,神经机器翻译(NMT,neural machine translation)就取代了统计机器翻译(SMT,statistical machine translation),在翻译质量上面获得了大幅的提高。目前神经机器翻译模型主要分为三种:

  1. 一种是以rnn为基础的模型, 一般是LSTM+attention,顺序处理输入信息。
  2. 一种是以cnn为基础的模型,今天要讲的Fairseq就属于这种
  3. 一种是完全依靠attention的模型,如谷歌的transformer

2. Fairseq背景

Fairseq 这个翻译模型由Facebook AI实验室在2017年提出,和以往以RNN为基础的翻译模型相比,采用了以cnn为主的模型结构。

RNN的链式结构,能够很好地应用于处理序列信息。但是,RNN也存在着劣势:一个是由于RNN运行时是将序列的信息逐个处理,不能实现并行操作,导致运行速度慢;另一个是传统的RNN并不能很好地处理句子中的结构化信息,或者说更复杂的关系信息。

相比之下,CNN的优势就凸显出来。文章提到用CNN做seq-seq这种翻译任务有3个好处:

  1. 通过卷积的叠加可以精确地控制上下文的长度,因为卷积之间的叠加可以通过公式直接计算出感受野是多少,从而知道上下文的长度,RNN虽然理论上有长时记忆的功能,但是在实际的训练过程中,间隔较远的时候,很难学到这种词与词之间的联系。
  2. 卷积可以进行并行计算,而RNN模型是时序的,只有前一帧得出结果才能进行后续的计算。
  3. 对于输入的一个单词而言,输入CNN网络,所经过的卷积核和非线性计算数量都是固定的,不过对于输入RNN的单词而言,第一个单词要经过n次unit的计算和非线性,但是最后一个单词只经过1次,文章说固定队输入所施加的非线性计算会有助于训练。

3. 模型

模型结构如下图所示:

3.1 Position Embedding

输入除了词向量之外,还加入了位置信息,最后的输入向量为词向量加上位置向量。

词向量:\(w=(w_1,w_2,...w_n)\)

位置向量:\(p=(p_1,p_2,...p_n)\)

最终输入的向量:\(e=(w_1+p_1,w_2+p_2,...w_n+p_n)\)

3.2 Convolutional Block Structure

encoder 和 decoder 都是由l层卷积层构成,encoder输出为\(z^l\),decoder输出为\(h^l\)。由于卷积网络是层级结构,通过层级叠加能够得到远距离的两个词之间的关系信息。

这里把一次“卷积计算+非线性计算”看作一个单元Convolutional Block,这个单元在一个卷积层内是共享的。

  • 卷积计算:卷积核的大小为\(W^{kd*2d}\),其中\(d\)为词向量长度,\(k\)为卷积窗口大小,每次卷积生成两列\(d\)维向量
  • 非线性计算:非线性部分采用的是门控结构 gated linear units(GLU)。
  • encoder的残差连接:把当前层的输入与输出相加,残差的和输入到下一层conv_block网络中。

\[
h_i^l=v(W^l[h_{i-\frac{k}{2}}^{l-1},...,h_{i+\frac{k}{2}}^{l-1}]+b^l_w)+h_i^{l-1}
\]

  • decoder的残差连接:首先把当前层的输出和encoder的输出做attention计算,结果记为\(c_i\), 再将当前层的输出和\(c_i\)相加, 再将结果和当前层的输入相加,最后的残差的和输入到下一层conv_block网络中。

\[
h_i^l=[v(W^l[h_{i-\frac{k}{2}}^{l-1},...,h_{i+\frac{k}{2}}^{l-1}]+b^l_w)+c_i]+h_i^{l-1}
\]

  • 输出:decoder的最后一层卷积层的最后一个单元输出经过softmax得到下一个目标词的概率。

\[
p = softmax(Wh^L+b)
\]

3.3 Multi-step Attention

原理与传统的attention相似,attention权重由decoder的当前输出\(h_i\)和encoder的的所有输出\(z_i\)共同决定,利用该权重对encoder的输出进行加权,得到了表示输入句子信息的向量\(c_i\),\(c_i\)和\(h_i\)相加组成新的\(h_i\)。计算公式如下:
\[
d^l_i=W^l_dh^l_i+b_d^l+g_i
\]
\[
a^l_{ij}=\frac{exp(d_i^lz_j^u)}{\sum_{j=1}^mexp(d_i^lz_j^u)}
\]
\[
c^l_{i}=\sum_{j=1}^ma_{ij}^l(z_j^u+e_j)
\]
这里\(a_{ij}^l\)是权重信息,采用了向量点积的方式再进行softmax操作,这里向量点积可以通过矩阵计算,实现并行计算。

最终得到\(c_i\)和\(h_i\)相加组成新的\(h_i\)。如此,在每一个卷积层都会进行 attention 的操作,得到的结果输入到下一层卷积层,这就是多跳注意机制multi-hop attention。这样做的好处是使得模型在得到下一个主意时,能够考虑到之前的已经注意过的词。

4. 总结

将CNN成功应用于seq2seq任务中,发挥了CNN并行计算和层级结构的优势。CNN的并行计算明显提高了运行速度,同时CNN的层级结构方便模型发现句子中的结构信息。

同时模型中的一些细节处理,比如非线性部分采用的是门控结构 gated linear units(GLM),多跳注意机制multi-hop attention,都是模型效果提升的关键。

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